TC steht engl. für Thermocouple, zu Deutsch Thermoelement und wird im Vergleich zum Thermowiderstand (engl. RTD) z. B. PT100 zum Messen deutlich höherer Temperaturen verwendet. Dabei kann genau gemessen werden. Thermoelemente bekommt man üblicherweise in der Fehlerklasse 0,5 %.

Rechnungsbeispiel vom Typ K: 1372 °C * 0,5 % = ±6,86 °C Genauigkeit

Von der Vergleichsstelle bis zum Modul können preiswerte Kupferleitungen verwendet werden. Die teuren Ausgleichsleitungen von der Messstelle zur Vergleichsstelle müssen in gleichen Materialien ausgeführt werden, wie das Thermoelement selbst. Dabei kann die maximale Gesamtlänge 50, 100 und 200 Meter betragen. Wobei große Abstände zu vermeiden sind. Sollten jedoch trotzdem längere Strecken überwunden werden, empfiehlt es sich wegen der Störeinflüsse einen Strommesswandler zu benutzen. Die Siemens AG bietet z. B. SITRANS Messumformer für diesen Use Case an. Die Störeinflüsse können auch durch eine verdrillte Leitung und durch die abgeschottete Verlegung von der hochfrequenten Störquelle z. B. Antriebsleitung reduziert werden. Bei der Auswahl des richtigen Thermoelements sind v. a. der Preis, der Temperaturbereich und die atmosphärische Umgebung zu beachten!

Bild: Anschlussskizze Thermoelement

Das Thermoelement gibt an der Vergleichsstelle eine Spannung Uth im µV bis mV-Bereich aus. Diese wird am AI-Modul gemessen. Der Eingangswiderstand des Kanals ist hochohmig und beträgt 10 MΩ (S7-1500) bzw. 1 MΩ (ET 200SP).

Wird die Messstelle einer Messtemperatur ϑ1 ausgesetzt und die freien Enden des Thermopaars (Vergleichsstelle, Anschlussstelle) einer anderen Temperatur ϑ2, entsteht zwischen den freien Enden eine Spannung, die Thermospannung Uth. Die Höhe der Thermospannung Uth hängt ab von der Temperaturdifferenz ΔT zwischen der Temperatur der Messstelle und der Temperatur an den freien Enden, sowie von der Werkstoffkombination des Thermopaars, welche als thermoelektrischer Koeffizient α in der linear angenäherten Formel im Bild oben angegeben ist.

Da mit einem Thermopaar immer eine Temperaturdifferenz ΔT erfasst wird, muss zur Bestimmung der Temperatur ϑ1 der Messstelle die Temperatur ϑ2 der freien Enden (Vergleichsstelle) bekannt sein.

Die Vergleichsstelle besteht aus zwei Kaltstellen und bildet den Übergang auf Kupfer. Die beiden Kaltstellen bilden ein Thermopaar und generieren durch den Temperaturunterschied ΔT die Thermospannung Uth. Eine Unterbringung der Kaltstellen samt dem RTD-Fühler in einem Gehäuse ist empfehlenswert, da damit die Temperaturgleichheit beider Kaltstellen und des RTD-Fühlers verbessert wird.

Tabelle: Temperaturmessbereiche

Die Thermopaare können von ihrer Anschlussstelle aus durch Ausgleichsleitungen verlängert werden. Dadurch kann die Vergleichsstelle an einen Ort gelegt werden, an dem z. B. die Temperatur konstant gehalten werden kann (Feste Referenztemperatur) oder der Temperatursensor z. B. RTD einfach angebracht werden kann.

Möglichkeiten zur Kompensation der Vergleichsstellentemperatur über RTD (S7-1500/ET 200SP)

• interne Vergleichsstelle
• externe Temperaturkompensation
  • Referenzkanal des Moduls (S7-1500)
  • Kompensation Referenzkanal der Gruppe 0 bis 3 (ET 200SP)
• Feste Referenztemperatur -145 bis 155 °C (S7-1500) 0 °C (ET 200SP)
• Dynamische Referenztemperatur (S7-1500)

Weitere Informationen:

Handbuch für Analogwertverarbeitung in der SIMATIC

Hinweis:

Die in diesem Artikel beschriebene Vorgehensweise bezieht sich auf den Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels (Stand: Februar 2022).

Viele Grüße

SIMATIC-S7-1500-1200-FB-GER (JD)