Temperatur-Messumformer und -Wandler

Thermoelemente erzeugen typischerweise sehr kleine Signale im Bereich von etwa 10 bis 80 Mikrovolt pro °C, während 100-Ohm-RTDs bei einem Anregungsstrom von 1 mA ungefähr 0,5 Millivolt pro °C liefern. Je nach Sensor und Temperatur können die Ausgangsspannungen für Thermoelemente einige hundert Mikrovolt bis zu 75 Millivolt oder für RTDs 250 bis 750 Millivolt betragen. Diese niederpegeligen Signale sind sehr anfällig für elektrische Störungen und Signalbeeinträchtigungen, insbesondere bei der Übertragung über lange Strecken mit Standardverkabelung.

Wie in Abbildung 7.1 gezeigt, nimmt die Thermoelement-EMK mit der Temperatur zu, bleibt jedoch im Millivoltbereich – was eine Fernmessung erschwert:

Hier kommen Zweileiter-Temperatur-Messumformer  ins Spiel. Ihre Hauptaufgabe besteht darin, das niederpegelige Sensorsignal in ein standardisiertes 4–20-mA-Stromsignal zu wandeln und zu verstärken. Stromsignale sind Spannungsignalen hinsichtlich Störfestigkeit und Übertragung über lange Leitungswege deutlich überlegen – insbesondere in elektrisch störbehafteten Industrieumgebungen.

Das 4–20-mA-Signalformat bietet mehrere Vorteile:

• Es ist weitgehend unempfindlich gegenüber elektrischen Störungen.
• Es ist unbeeinflusst vom Spannungsabfall durch den Leitungswiderstand.
• Es ermöglicht den Einsatz preiswerter, standardisierter Kupfer-Twisted-Pair-Kabel anstelle spezieller Thermo-/Ausgleichsleitungen oder abgeschirmter Kabel.

Bei Thermoelement-Anwendungen, ist die  Kaltstellenkompensation häufig im Messumformer integriert – entweder im Anschlusskopf (bei kopfmontierten Ausführungen) oder im Rack bzw. Schaltschrank (bei rackmontierten Systemen). Während einfache analoge Messumformer meist über keine Signallinearisierung verfügen, ist diese bei modernen digitalen Messumformern häufig vorhanden. Dadurch verbessert sich die Messgenauigkeit über einen breiteren Messbereich.

Messumformer arbeiten, indem sie ihre Energie von einer entfernten  Gleichspannungsversorgung (meist 12–30 V) beziehen und verwenden den aufgenommenen Strom, um die Temperatur darzustellen. Am unteren Ende seines kalibrierten Messbereichs zieht der Messumformer einen Strom von 4mA , linear ansteigend bis auf 20mA  am oberen Ende des Bereichs. Die interne Schaltung – ob manuell einstellbar, programmierbar oder werksseitig festgelegt – bestimmt, welchen Temperaturbereich das 4–20mA-Signal repräsentiert.

Da bei diesen Messumformer sowohl die Versorgung als auch die Signalausgabe über dieselben zwei Leitungen erfolgt, werden separate Stromversorgungen an entfernten Standorten überflüssig. Dies ist ein weiterer Grund, warum 24V-DC-Systeme ein Grundpfeiler der industriellen Automatisierung sind.

Zusammenfassung

Messumformer wandeln niederpegelige Spannungssignale von Thermoelementen und RTDs in standardisierte 4–20mA-Stromsignale  , was eine genaue und störsichere Temperaturfernmessung ermöglicht. Häufig beinhalten sie eine Kaltstellenkompensation und, bei digitalen Modellen, eine Signallinearisierung. Da die Versorgung und das Signal über nur zwei Leitungen geführt werden, vereinfachen sie die Installation und bewähren sich in industriellen Umgebungen.