Vergleichsstelle eines Thermoelements: Warum es wirklich wichtig ist und wie CJC funktioniert

Wenn Sie jemals zwei Thermoelemente am selben Rohr verglichen haben und festgestellt haben, dass sie um ein paar Grad voneinander abweichen, war die Sensorspitze wahrscheinlich nicht das Problem. Häufiger liegt die Antwort am anderen Ende der Schleife, im Klemmenblock, wo die Thermoelementdrähte auf das Instrument treffen. Dieser Verbindungspunkt ist die Kaltstelle, und sobald Sie verstanden haben, was sie bewirkt, fühlt sich die Thermoelementmessung nicht mehr wie eine Vermutung an.

In diesem Artikel erfahren Sie, was die Vergleichsstelle ist, warum ein Thermoelement ohne sie keine absolute Temperatur melden kann, wie die Kaltstellenkompensation in modernen Instrumenten funktioniert und welche Gewohnheiten verhindern, dass die Vergleichsstelle Ihre Daten stillschweigend verfälscht.

Wie ein Thermoelement eine Spannung erzeugt

Ein Thermoelement besteht aus zwei Drähten aus unterschiedlichen Metallen, die an einem Ende verbunden sind. Diese Verbindung, die Mess- oder Heißverbindung, platzieren Sie im Prozess. Wenn die beiden Metalle einen Temperaturunterschied zwischen dem verbundenen Ende und den freien Enden feststellen, erzeugt der Seebeck-Effekt eine kleine Spannung, typischerweise mehrere zehn Mikrovolt pro Grad Celsius.

Das Detail, das den Leuten auffällt, ist folgendes: Die Spannung entspricht nicht allein der Temperatur der Messstelle. Sie entspricht der Differenz zwischen der Messstelle und dem Punkt, an dem die Drähte enden. Ein Thermoelement vom Typ K erzeugt ungefähr 41 Mikrovolt pro Grad Celsius, sodass eine 5 °C-Verschiebung an den Anschlüssen als 5 °C-Verschiebung im Messwert angezeigt wird, auch wenn sich der Prozess nie bewegt hat.

Was genau ist die Kaltstelle?

Die Vergleichsstelle, auch Referenzstelle genannt, wird dort gebildet, wo das Thermoelement oder seine Verlängerungskabel mit dem Lesegerät verbunden sind: einem Senderklemmenblock, einem Controller-Eingang, einem Datenlogger oder einem Temperatursender.

Zwei Dinge werden dabei häufig missverstanden:

• Es ist nicht einfach Raumtemperatur. Dabei handelt es sich um die tatsächliche Temperatur dieser Anschlüsse zu diesem Zeitpunkt, unabhängig von Zugluft, Gehäusewärme und Kabelbelastung.
• Es ist nicht immer ein bequemer Ort. Jede Zwischenverbindung, die mit dem falschen Draht hergestellt wird, erzeugt einen zusätzlichen Übergang, und jeder trägt seine eigene Spannung bei.

Wenn Kupferschrauben oder Leiterplattenbahnen die Thermoelementdrähte berühren, werden diese Kontaktpunkte Teil des thermoelektrischen Schaltkreises. Die physikalische Grundlage für eine gute Kaltstellenkonstruktion besteht darin, den Anschlussbereich isotherm zu halten, d. h. alle Verbindungen haben die gleiche Temperatur.

Von Eisbädern bis zur elektronischen Entschädigung

Während des größten Teils des letzten Jahrhunderts wurde die Referenzverbindung in einer Flasche mit schmelzendem Eis bei einer bekannten Temperatur von 0 °C gehalten. Die gemessene Spannung könnte dann direkt mit veröffentlichten Tabellen verglichen werden, die auf dieser Referenz basieren. Es war genau, und es ist immer noch die Idee hinter den heute verwendeten Standard-Thermoelementtabellen, aber es ist in einer petrochemischen Anlage oder neben einem Wärmebehandlungsofen kaum praktikabel.

Moderne Instrumente lösen das Problem elektronisch. Anstatt die Vergleichsstelle auf 0 °C zu zwingen, messen sie ihre tatsächliche Temperatur und addieren die Spannung, die das Thermoelement erzeugt hätte, wenn seine Referenz bei 0 °C gelegen hätte. Diese zusätzliche Größe ist die Vergleichsstellenkompensationsspannung.

So funktioniert die Vergleichsstellenkompensation

Innerhalb eines Senders, Controllers oder einer Datenerfassungskarte gliedert sich der Prozess in drei Schritte.

1. Messen Sie die Klemmentemperatur. Ein kleiner RTD, Thermistor oder Siliziumsensor sitzt neben dem Anschlussblock, so nah an der tatsächlichen Verbindung, wie es die Anordnung zulässt.
2. Wandeln Sie diese Temperatur in eine äquivalente Thermoelement-EMF um. Anhand von Standardtabellen für den verwendeten Thermoelementtyp berechnet das Gerät die Spannung, die auftreten würde, wenn die Messstelle diese Anschlusstemperatur hätte, während die Referenz bei 0 °C bliebe.
3. Addieren und linearisieren. Die Kompensationsspannung wird zum gemessenen Signal addiert und die Summe über Polynome oder Nachschlagetabellen in einen endgültigen Temperaturwert umgewandelt.

Da die Korrektur vom Thermoelementtyp abhängt, ist die Kompensation nur gültig, wenn der Geräteeingang, der Sensor und die Erweiterungsverkabelung übereinstimmen. Ein Sensor vom Typ K, der einen für Typ J konfigurierten Sender speist, ergibt einen systematischen Offset, der durch keine Neukalibrierung entfernt werden kann. Die softwarebasierte Kompensation in einem Datenerfassungssystem folgt der gleichen Logik, aber der Referenzsensor befindet sich häufig weiter von den Terminals entfernt, und in dieser Entfernung geht die Genauigkeit am leichtesten verloren.

Häufige Fallstricke bei Kaltstellen

Die meisten Kaltstellenprobleme, von denen wir hören, lassen sich auf eine Handvoll Muster zurückführen. Die folgende Tabelle fasst zusammen, was normalerweise schief geht und was das Problem beheben kann.

Verlängerungs- und Ausgleichsdraht verdient eine besondere Erwähnung, da es der Teil der Schleife ist, der am häufigsten durch das ersetzt wird, was sich im Lagerraum befand. Kupferkabel eignen sich gut für die Übertragung eines 4-20-mA-Signals, können jedoch kein Thermoelementsignal übertragen, ohne an jedem Ende eine neue Verbindung zu schaffen. Der Kompensationsdraht besteht aus Legierungen, die auf den Thermoelementtyp abgestimmt sind, und sein Temperaturbereich muss den heißesten Punkt abdecken, an dem er vorbeiläuft, einschließlich aller Abschnitte, die über ein heißes Gefäß oder Ofengehäuse verlaufen.

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Hardware, die die Kaltstelle für Sie erledigt

Wo sich die Vergleichsstelle tatsächlich befindet, hängt davon ab, wo Sie das Signal digitalisieren möchten. Drei Regelungen decken die meisten Industrieanlagen ab:

• Direkte Verkabelung mit einem Controller oder einer Eingangskarte, wobei sich der Referenzsensor im Instrument befindet.
• Ein am Sensor montierter Kopf- oder Feldsender, der vor Ort eine Kompensation durchführt und ein 4-20-mA- oder digitales Signal an den Kontrollraum sendet.
• Ein schienenmontierter Sender im Schrank für schwer erreichbare Sensoren.

Die Verlagerung des Senders zum Sensor ist oft die größte verfügbare Verbesserung. Das Thermoelement und seine Verlängerungskabel werden kürzer, Zwischenverbindungen verschwinden und das Signal legt den größten Teil der Strecke als robuste Stromschleife statt als EMK auf Mikrovoltebene zurück. Unsere integrierten Temperaturtransmitter sind genau für diese Anordnung konzipiert, wobei die Referenzverbindung im Gehäuse und nicht am anderen Ende einer langen Kabelstrecke verlegt wird.

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Praktische Gewohnheiten für eine zuverlässige Vergleichsstelle

Während der Installation

• Halten Sie jede Anschlussverbindung eines Thermoelements innerhalb einer einzigen isothermen Zone, anstatt sie auf zwei Blöcke aufzuteilen.
• Montieren Sie Klemmenblöcke oder Sender nicht direkt über Schützen, Antrieben oder Netzteilen.
• Verwenden Sie Kabel in Thermoelementqualität, achten Sie auf die zulässige Temperatur und überprüfen Sie die Polarität, bevor Sie es festziehen.
• Schützen Sie die Anschlüsse vor direkter Luftströmung und Sonneneinstrahlung, insbesondere in Außengehäusen.

Im Dienst

• Überprüfen Sie die Schleife anhand einer bekannten Referenz, z. B. eines Trockenblockkalibrators oder eines simulierten Millivolt-Eingangs.
• Überprüfen Sie die Anschlüsse auf Oxidation und ziehen Sie sie nach den ersten thermischen Zyklen einer Neuinstallation erneut an.
• Zeichnen Sie neben den Prozessmesswerten auch die Schranktemperatur auf; Die saisonale Drift in einem stabilen Prozess weist normalerweise auf das Gehäuse und nicht auf den Sensor hin.

Auf der Steuerungsseite nimmt ein Controller mit solider Vergleichsstellenbedienung dem Bediener diese Arbeit ab. Unsere kompakten digitalen PID-Temperaturregler akzeptieren Thermoelementeingänge direkt und verwalten die Kaltstelle intern, wodurch kleine Skids, Inkubatoren und Öfen einfach zu bauen und unkompliziert zu warten sind.

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Den Kreislauf als ein System behandeln

Das Verhalten der Vergleichsstelle ist ein Teil einer Messschleife, und der Rest der Schleife verdient die gleiche Aufmerksamkeit. Sensortyp, Mantelmaterial, Schutzrohr, Montagemethode und Kabelführung wirken alle zusammen, und ein perfekt kompensierter Sender kann ein Thermoelement, das an einer Stelle installiert ist, an der es nicht überleben kann, nicht retten. In petrochemischen Anlagen ist ein wasserdichtes, verschleißfestes Thermoelement gepaart mit einem korrekt bemessenen Kompensationsdraht normalerweise wichtiger als ein kleiner Unterschied in der Kataloggenauigkeit. Bei Hochtemperaturprozessen sorgen Platin-Rhodium- und Wolfram-Rhenium-Sensoren dafür, dass die Messverbindung dort zuverlässig bleibt, wo unedle Metalle nicht halten würden. Sie können sehen, wie diese Kombinationen bei uns zusammenkommen Branchenanwendungsseiten .

Nichts davon muss kompliziert sein. Akzeptieren Sie, dass ein Thermoelement eher eine Differenz als einen absoluten Wert meldet, geben Sie der Vergleichsstelle eine stabile und isotherme Lage, verwenden Sie ein zum Sensor passendes Kabel und überlassen Sie die Berechnung einem gut spezifizierten Sender oder Controller. Wenn Sie diese vier Dinge tun, ist die Vergleichsstelle keine versteckte Fehlerquelle mehr und wird zu dem, was sie sein sollte: ein ruhiger, verständlicher Teil der Messschleife.