Vorteile der Umwandlung von Widerstandsthermometer- und Thermoelementsignalen in Stromsignale im Bereich 4…20 mA
Widerstandsthermometer- (WTH-) und Thermoelementsensoren werden häufig für Temperaturmessungen in industriellen Prozessen eingesetzt. Falls solche Sensoren direkt mit der SPS verbunden sind, bleibt die Messgenauigkeit jedoch mitunter hinter den Erwartungen zurück. Dieser Genauigkeitsverlust wird oft durch elektromagnetische Störungen verursacht. Durch die Umwandlung von Thermoelement- und WTH-Signalen in branchenübliche Stromsignale im Bereich 4…20 mA können Messfehler aufgrund elektromagnetischer Störungen allerdings leicht vermieden werden.
Die meisten Thermoelemente erzeugen Spannungssignale mit weniger als 50 mV. Gleichzeitig sind Thermoelemente praktisch nicht in der Lage, Stromflüsse zu erzeugen. Daher muss jedes Gerät, das zur Messung eines Thermoelements verwendet wird, einen sehr hohen Eingangswiderstand aufweisen (normalerweise 1 Million Ω oder mehr).
Die Kombination aus niedrigem mV-Signal und fehlendem Stromfluss hat zur Folge, dass sich Thermoelemente wie Antennen verhalten. Elektrorauschen durch 50-/60-Hz-Netzspannungen, Burst-Störungen aufgrund von Blitzeinschlag, elektrostatische Aufladung, Hochfrequenzstörungen durch tragbare Funkgeräte, Kommutatorstörungen durch Gleichstrommotoren und viele andere elektrische Störquellen können von Thermoelementen „empfangen“ werden – und je länger die Leitung ist, desto wahrscheinlicher ist der „Empfang“ elektrischer Störungen.
Dasselbe kann bei der Messung von WTHs passieren. Obwohl das WTH-Element durch eine sehr kleine, konstante Stromquelle (normalerweise 0,3 mA) angeregt wird, fließt auf den Sensorkabeln von 3- und 4-Draht-WTHs so gut wie kein Strom. Die Sensorkabel funktionieren daher ebenfalls ähnlich wie Antennen, die viele verschiedene Störungen aus der industriellen Umgebung empfangen.
Durch Störungen beeinträchtigte Temperatursignale lassen sich u. a. daran erkennen, dass Temperaturmessungen
- sich sofort verändern, wenn in der Nähe ein Motor oder ein Heizelement in Betrieb genommen wird,
- sich verändern, wenn ein Teilprozess gestartet oder beendet wird,
- sich verändern, wenn ein tragbares Funkgerät etwas überträgt,
- sich je nach Tageszeit oder Witterung verändern oder sich je nach Lage/Ausrichtung der Sensorkabel verändern.
Minimierung von Messfehlern aufgrund elektromagnetischer Störungen
Eine der wirksamsten Methoden, Messfehler durch elektromagnetische Störungen zu minimieren, besteht darin, die Sensorkabel so weit wie möglich zu kürzen, wodurch die Länge der „Antennen“ minimiert wird.
Dazu misst man das Thermoelement- oder WTH-Signal am Sensor und wandelt das gemessene Signal dann in einen Strom im Bereich 4…20 mA um. Dieser Strom wird dann von einer SPS-Eingangskarte mit einem Widerstand von etwa 250 Ω gemessen. Dadurch werden durch elektromagnetische Störungen verursachte Fehler vermieden.
Der Stromfluss auf einer Seite einer Stromschleife wird durch elektromagnetische Störungen beeinträchtigt, die beispielsweise von einem tragbaren Funkgerät ausgehen können. Diese Störungen können den normalen Stromfluss auf dieser Seite der Stromschleife verstärken. Auf der anderen Schleifenseite hingegen fließt der Strom in umgekehrter Richtung durch dasselbe elektromagnetische Feld. Hier wird der Strom folglich durch die Störung beeinträchtigt, d. h. vermindert. In der Gesamtbilanz bedeutet dies: Der Schleifenstrom wird durch die elektromagnetischen Störungen praktisch nicht verändert.
Die Genauigkeit lässt sich noch weiter verbessern, wenn man die Leiterschleifen umeinander wickelt. Dadurch werden beide Kabel gleichermaßen gegen die elektromagnetischen Störungen geschirmt, während die gewickelten Leiter über die gesamte Kabellänge eine Reihe entgegengesetzter magnetischer Felder erzeugen. Beides zusammen gewährleistet, dass alle elektromagnetischen Störquellen eine im Umfang gleiche, aber entgegengesetzt gerichtete Wirkung auf den Schleifenstrom haben. Aufgrund dieser Wirkung können Schleifen mit 4…20 mA-Strömen selbst durch Bereiche mit erheblichen elektromagnetischen Störungen verlaufen, ohne dass das Messsignal signifikant beeinträchtigt wird.
Bei einigen Anwendungen werden die zum Bedienfeld führenden Kabel nicht durch elektromagnetische Störungen beeinflusst; dafür besteht aber ein hohes Störniveau im Bedienfeld selbst. Dieses Störniveau kann beispielsweise durch Motorantriebe mit variabler Frequenz, SCR-Motor- und Heizungssteuerungen, Softstarter von Elektromotoren, Hochspannungskontakte und Gleichstrommotorantriebe verursacht werden.
Lösungen mit zwei Messumformern
Wir empfehlen, gleich zwei Messumformer zu verwenden: einen am Sensor und den anderen im Bedienfeld. Diese Lösung sorgt für eine hervorragende EMV-Schirmung, da die Sensorkabel möglichst kurz gehalten werden. Obendrein kann der Messumformer im Bedienfeld viele verschiedene Funktionen übernehmen:
- Er kann einen unabhängigen, isolierten mA-Ausgang sowie Alarmkontakte zu analogen und digitalen SPS-Eingangskarten bereitstellen.
- Er kann mit einem hinterleuchteten Display zur Anzeige von Prozesswerten, Relaisstatus und Sensor-/Schleifenfehlern ausgestattet werden. Der Zeitaufwand für Fehlerbehebung und Inbetriebnahme lässt sich auf diese Weise deutlich verkürzen.
- Er kann Signale teilen und so mehrere isolierte aktive oder passive Stromsignale im Bereich 4…20 mA erzeugen, die dann an verschiedene Geräte im Werk weitergeleitet werden können.
- Außerdem können PR-Messumformer Funktionen wie Signaldämpfung, Mehrpunkt-Linearisierung nicht-linearer Ausgänge (z. B. Thermistoren), Volumenmessungen unregelmäßig geformter Tanks, Mathematikfunktionen an zwei Eingangssignalen und vieles mehr übernehmen.
