Präzise Überwachung und Regelung von Temperaturen in Prozessen mit Interfacebausteinen

Manche mögen’s (nicht zu) heiß

von Dipl.–Ing. Andreas Grimsehl

In prozesstechnisch orientierten Produktionen ist die Temperatur eine häufig genutzte physikalische Größe. Sie hat Einfluss auf Parameter wie Wirkungsgrad und Energieverbrauch. Das Gleiche gilt für den Trocknungsgrad, etwa in Wirbelschichtanlagen. Trennbausteine zwischen Feld und Steuerung gewährleisten die unverfälschte Signalübertragung, um gemessene Temperaturen für Steuer- und Regelfunktionen nutzen zu können.

Trennbausteine bieten durch die galvanische Trennung der Messkreise einen Schutz gegen Potenzialverschiebungen und Ausgleichsströme, die durch Erdschleifen entstehen. Darüber hinaus schützen sie im Fehlerfall vor gefährlich hohen Spannungen auf den Signalleitungen.

Ungestörte Übertragung mit Trennbausteinen

Trennbausteine stehen entweder als Signaltrenner für den sicheren Bereich oder als Trennbarriere zur Verfügung, die zusätzlich einen explosionsgefährdeten Sektor vor einem zu hohen Energieeintrag schützen. Sie stehen entsprechend der Art des zu übertragenden Signals etwa als Ausgangstreiber (analoge Steuersignale), Mess­umformer (analoge Messsignale), Schaltverstärker (digitale Mess­signale) oder als Ventilsteuerbausteine (digitale Steuersignale) zur Verfügung. Da es sich bei Temperaturwerten um analoge Mess­signale handelt, werden für die Übertragung Messumformer eingesetzt. Zu ihren Aufgaben gehören Erfassung, Verstärkung und Wandlung analoger Temperatursignale. Sofern das Feldgerät keine oder zur Steuerung nicht kompatible Standardsignale liefert, erfolgt eine Umformung der Eingangssignale in typische Norm­signale wie 0/2…10V oder 0/4…20mA, um unterschiedliche Messgrößen in Steuerungen verarbeiten zu können. Die meist verbreiteten Sensoren der industriellen Temperaturmessung sind ­Widerstandsthermometer und Thermoelemente. Eine wichtige, gemeinsame Eigenschaft besteht darin, dass ihre Ausgangsgrößen in Form von elektrischen Signalen zur Verfügung stehen, die relativ einfach zur Weiterverarbeitung und Anzeige an Mess- und Regelinstrumente übertragen werden können.

Anforderungen an Temperaturmessumformer

Um flexibel zu sein, müssen Temperaturmessumformer für Signale aller marktüblichen Sensoren geeignet sein. Dann ist idealerweise nur ein Typ von Trennbaustein erforderlich, um Temperatur­signale unterschiedlicher Sensoren übertragen zu können. Außerdem können beim späteren Austausch von Feldgeräten vorhandene Trennbausteine weiterverwendet werden. Weitere Voraus­setzung für einen flexiblen Einsatz ist, dass Schaltpunkte für Grenzwertausgänge in weiten Grenzen einstellbar sind und eine Leitungsbruch- und Kurzschlussüberwachung vorhanden ist. Moderne Interfacebausteine müssen mit minimalen Messströmen auch ohne Messbrücken präzise Ergebnisse erzielen. Für den Einsatz mit Thermoelementen sollten universell einsetzbare Trennbausteine eine interne oder externe Klemmstellenkompensation ermöglichen. Bei der internen Klemmstellenkompensation wird die Temperatur an der ­Anschlussklemme mit einem separaten Temperatursensor gemessen und als Korrekturwert berücksichtigt. Im anderen Fall befindet sich die Vergleichsstelle in einem temperierten Gerät, dem Vergleichsstellenthermostaten. Wie die unterschiedlichen Ausgangsbedingungen effizient berücksichtigt werden können, zeigen die beiden Temperaturmessumformer KFU8-GUT und KFD2-UT2 von Pepperl+Fuchs. Sie formen die Signale der Sensoren in proportionale Ausgangsströme von 4 bis 20mA um. Dass der Anwender auch Potenziometer und Spannungsquellen anschließen kann, macht die beiden Module flexibel einsetzbar. In der funktionalen Sicherheit erreichen alle Geräte SIL 2.

Redundanz bei Thermoelementen

Darüber hinaus steht ein Eingang für ein zweites Thermoelement als Redundanz zur Verfügung. Störungen entstehen etwa durch eine Änderung der Thermospannung infolge einer Oxidation oder durch galvanische Ströme aufgrund einer schlechten Isolation der beiden Leiter. Kommt es zu einer Abweichung der beiden gemessen Temperaturwerte, wird eine Fehlermeldung ausgegeben. Fällt ein Thermoelement aus, werden die Messwerte des zweiten Thermoelements ausgewertet. Das erhöht die Verfügbarkeit der Temperaturmessung. Relevant ist auch die integrierte Über­wachung des Messkreises in Bezug auf Fühlerbruch und Kurzschluss. Der Temperaturmessumformer KFD2-GUT mit Grenzwerten bietet neben den genannten Funktionen weitere Vorteile. Ist er mit para­metrierbaren Grenzwertausgängen ausgestattet, stehen am Relaisausgang Schaltsig­nale zur Verfügung ohne auf eine zentrale Steuerung zurückgreifen zu müssen. Zur internen Klemmstellenkompensation steht ein abziehbarer Klemmenblock mit integriertem und vergossenem Pt100 Temperaturmessfühler zur Verfügung. Programmiert wird der Temperaturmessumformer mit der PACTware Konfigurationssoftware.

Bild: © istockphoto.com | DrPAS