Präzionsmessung

CANopen-Widerstandsthermometer bieten für hochgenaue Temperaturmessungen gegenüber dem
Einsatz konventioneller analoger Technik zahlreiche Vorteile. Es handelt sich bei diesen Geräten um
intelligente Temperaturmessumformer mit CANopen-Schnittstelle. Durch die dezentrale und digitale
Verarbeitung der Messdaten sind Messungen mit sehr hoher Auflösung im Milli-Kelvin-Bereich möglich.Der intelligente Temperaturmessumformer JUMO CANtrans T ist hervorragend für Präzisionsmessungen in Industrie und Labor einsetzbar. Entscheidend ist dabei, dass die Umwandlung des Sensor-Messwertes in ein digitales Signal mit hoher Auflösung direkt im Fühler vor Ort erfolgt. Die weitere Messwertverarbeitungund -übertragung erfolgt ausschließlich digital, so dass „analoge“ Messwertverfälschungen in der weiteren Messkette ausgeschlossen sind. Ein Kostenvorteil ergibt sich übrigens auch: Teure analoge Präzisionsmesstechnik in der Messkette entfällt, wie z.B. Temperaturtransmitter undI /O-Eingangskarten. Der CANtrans-Messumformer wird als intelligent bezeichnet, weil er neben der reinen Messwerterfassung auch eine Reihe weiterer Funktionen zur Signalverarbeitung bereithält. Am Eingang der Elektronik befindet sich ein hochwertiger Platin-Chip-Widerstand, welcher der Temperatur-Toleranzklasse A zugeordnet ist. Unmittelbar im Anschluss erfolgt die A/DWandlung mit Kalibrierung. Hiernach ist ein Filter mit einstellbarer Filterkonstante implementiert.

Vor der Linearisierung des Messwertes besteht nun eine für Präzisionsmessungen sehr interessante und relevante Möglichkeit der Messwertauswertung: Zwischen Filter und Linearisierung kann der Messwert des Pt-1000-Sensors direkt als Widerstandswert in Ohm über den CAN-Bus ausgegeben werden. Somit steht über die CANopen-Schnittstelle der eigentliche „Rohmesswert“ zur direkten Weiterverarbeitung in einer SPS oder anderen Steuereinheit bereit. Die standardmäßig im CANtrans T hinterlegte Pt-1000-Linearisierungskennlinie nach DIN wird so umgangen und es können besser angepasste, eigens für die Anwendung vorgesehene Kennlinien verwendet werden.

Zwei Methoden
Somit stehen im Wesentlichen zwei Methoden zur Temperaturmessung zur Verfügung:

1. Methode:
Der Kunde verwendet den gemessenen Widerstandswert ohne weitere Signalverarbeitung direkt in seiner Steuerung. Hierdurch resultiert eine Auflösung von7mK. Die Berechnung des zum Widerstandswert gehörigen Temperaturwertes in °C aus den Fühlerdaten erfolgt erst in der Auswerteeinheit des jeweiligen Kunden. Auch eine Rekalibrierung durch den Kunden ist auf diese Art jederzeit möglich.
Bei dieser Methode verzichtet der Anwender auf die eingebauten Standardfunktionen zur Signalverarbeitung. Er gewinnt dafür die höchstmögliche Präzision durch direkten Zugriff auf den Pt-1000-Messwert.

2. Methode:
Alternativ verwendet der Kunde die eingebauten Standardfunktionen zur Messwertvorverarbeitung, also die genormte Pt-1000-Tabelle nach DIN EN 60751 sowie weitere Funktionen. Die Messwertausgabe auf dem CAN-Bus erfolgt in diesem Fall in °C.Dies ist sehr bequem und für die meisten Anwendungen gut geeignet. Hierbei fließt jedoch eine etwas höhere Messunsicherheit von ca. 0,05 Ohm in das Ergebnis mit ein und die Auflösung des Messwertes liegt bei ca. 15mK.

Mehr Sicherheit mit CAN
Mit den beschriebenen Methoden sind nicht nur präzise, sondern auch besonders zuverlässige Messungen möglich, worauf im Folgenden etwas genauer eingegangen wird.
Einflüsse durch EMV-Störungen, die sich bei analoger Übertragungstechnik bemerkbar machen können, werden hier gänzlich vermieden, da sich Sensor und Elektronik vollständig innerhalb eines Edelstahlgehäuses befinden.
Solche Störungen können nur auf analoge Signalleitungen wirken,nicht aber auf ein digitales CANopen-Signal. Durch den sehr kurzen Weg vom Pt-1000-Fühler zum A /DWandler der Elektronik (typisch ca. 100mm) sind „analoge“ Messwertverfälschungen auf ein Minimum reduziert und praktisch nicht mehr von Bedeutung.
Bei dem mit zahlreichen Sicherungsmechanismen ausgestatteten Feldbusprotokoll CANopen haben Störungen dieser Art keinerlei Auswirkungen auf das Ergebnis und die zu übertragenden Messwerte sind bestens vor Übertragungsfehlern geschützt. Generell ist die Sicherheit in CANopen-Systemen ausgesprochen hoch, da alleangeschlossenen Busteilnehmer einer ständigen Überwachung unterliegen. Das eingebaute Übertragungsprotokoll erkennt und wiederholt eventuelle fehlerbehaftete Nachrichten automatisch.
Der Einsatz von CANopen -Messumformern führt dieses hohe Maß an Sicherheit direkt bis an die Fühler heran. Analoge, ungesicherte Übertragungswege werden dadurch eliminiert. Darüber hinaus sind JUMO-Sensoren mit CANopen-Schnittstelle in der Lage, selbstständig eine permanente Überprüfung auf Fühlerbruchbzw. Fühlerkurzschluss durchzuführen. Im Fehlerfall wird ein hoch priorisiertes Emergency-Telegramm ausgesendet und der Messwert als ungültig gekennzeichnet. Unsichere Anlagenzustände auf Grund zerstörter Fühler lassen sich auf diesem Weg sofort erkennen bzw. vermeiden.
Für besonders kritische Anwendungen der Temperaturmessung stellt JUMO auch Doppeltemperaturfühler mit CANopen-Schnittstelle zur Verfügung. Diese ermöglichen bereits die Erkennung von geringsten Messungenauigkeiten, die zum Beispiel durch Alterung mehr oder weniger stark auftreten können.
Bei diesen Systemen sind die analogen Komponenten, also Fühler und A /D-Wandler etc. redundant ausgelegt. Solche Doppel- Temperaturfühler finden Einsatz bei Sterilisatoren und anderen sensiblen Anwendungen.
Mit der CANopen-Heartbeat-Funktion ist der Anwender in der Lage, Totalausfälle einzelner Anlagenkomponenten einfach und auf standardisierte Art und Weise zu erfassen.
Die Sensoren senden hierzu unabhängig vom Messwert ein regelmäßiges „Lebenszeichen“, das von der zentralen Steuerung überwacht wird. Bei Ausbleiben eines solchen Heartbeat-Signals kann die Steuerung dann in einen sicheren Zustand wechseln. So ist es z. B. auch möglich, auf Verbindungsunterbrechungen oder den Ausfall von Versorgungsspannungen sicher zu reagieren.

Anwendungsbeispiel
Eine beispielhafte Anwendung ist die hochgenaue Temperaturkontrolle in der Halbleiterindustrie. Hier muss die Temperaturverteilungin den Fertigungseinrichtungen sehr genau geregelt werden, um eine Störung der Produktqualität bei der Halbleiterproduktion, z.B. infolge von Luftströmungen und Veränderungen der Umgebungstemperatur ausschließen zu können.
Kleinste Ausdehnungen der Vorprodukte, z.B. den Wafern aus denen die Halbleiterbauteile (ICs) hergestellt werden, hätten zwangsläufig Fehler in den immer kleiner werdenden Strukturen der sehr dünnen Datenverbindungen und damit verbundene Funktionsausfälle zur Folge. Daher wird in diesen Anwendungen der Widerstandswert des CANtransT entsprechend der Methode 1 direkt gemessen und weiterverarbeitet.
Durch dieses Vorgehen erreicht man mit den Geräten der Serie CANtrans hier Messunsicherheiten von nur einigen Millikelvin. Die ausgesprochen hohe Genauigkeit der JUMO CANtrans-T-Geräte ist in dem beschriebenen Industriezweig notwendig, da sich die charakteristischen Eigenschaften der in der Halbleiterproduktion verwendeten Materialien während der Produktionsphase nicht verändern dürfen. Ferner sollte der Temperaturkoeffizient der in Temperaturfühlern verwendeten Platin-Temperatursensoren möglichst unabhängig von Temperatur, Druck und chemischen Einflüssen sein. Der Temperaturkoeffizient gibt die gemittelte Widerstandsänderung, bezogen auf den Nennwert bei 0°C, an.
Verbunden mit einer modernen sehr schnell arbeitenden Raumtemperaturregelung lassen sich somit Ausschüsse in der Halbleiterproduktion auf ein Minimum reduzieren und die hohen Qualitätsstandards in diesem Industriesektor einhalten.
Zur Anwendung kommt der präzise CANtrans T mit langzeitstabilem Platin-Sensor auch bei der Messung von Temperaturen in Klimakammern, Reinräumen, Kalibrier- und Prüfständen, Laboren und in der Medizintechnik, z. B. in Sterilisatoren. Vermehrt wird das CANopen-Bus-Protokoll auch in Windkraftanlagen eingesetzt und folglich auch die JUMO-CANtrans-Geräte.

Intelligente Messwertverarbeitung
Eine Vielzahl nützlicher Funktionen wird über das CANopen-Geräteprofil DS 404 realisiert. Alle Einstellungen sind über handelsübliche CANopen-Software-Tools möglich. Nach der eigentlichen Temperaturmesswertaufnahme durch einen Platin-Temperatursensor nach DIN EN 60751 lassen sich Steigung und Offset des CANtrans T in der Stufe der Skalierung einstellen. Hierdurch wird der Widerstandswert des Pt-1000-Widerstandes auf den gewünschten Temperaturbereich (Standard –50…+150°C) normiert. Im nachfolgenden Filter mit einstellbarer Filterkonstante können die gemessenen Temperaturwertedann nochmals gemittelt werden, um schnell schwankende Messwerte glätten zu können. Nach der Filterung steht dann der Widerstandswert in Ohm proportional zur gemessenen Temperatur zur Verfügung. In der Stufe der Linearisierung wird der Widerstandswert in die darzustellende Einheit der Temperatur (°C) umgerechnet.
Mittels Skalierung kann der Temperaturwert z. B. in °Fahrenheit oder Kelvin umgerechnet und dargestellt werden. Es kann beispielsweise auch im eingebauten Zustand noch einezusätzliche, jederzeit durchführbare Kalibrierung z. B. mittels „Nassabgleich“ stattfinden. Dabei können nicht nur die herstellungsbedingten, physikalischen Sensorungenauigkeiten ausgeglichen werden, sondern auch die gesamten Toleranzen der eingesetzten Elektronik mit kalibriert werden.
Hierdurch erreicht der CANtrans-T-Fühler eine Genauigkeit, welche von herkömmlichen Fühlern mit zentraler Auswerteeinheit nichterwartet werden kann. Ein Feinabgleich sowie die Möglichkeit zur Veränderung von Steigung und Offset bieten zusätzliche Anpassungsmöglichkeiten und gewährleisten eine individuelle, auf die Anwendung zugeschnittene Betriebsweise. Mittels eines Limitkomparators können Messwertgrenzen für weiterzuverarbeitende Messwerte eingestellt werden. Messwerte außerhalb dieser eingestellten Messbereichsgrenzen werden dann als Over-/Underrange gekennzeichnet. Ferner hat der CANtrans T von JUMO einen Minimal- und Maximalwertspeicher. Hier wird der niedrigste und höchste Messwert abgelegt.
Messwerte in diesem Speicher können jederzeit durch den Kunden gelöscht werden. Das Messintervall für die Temperaturmesswerte beträgt schnelle 250ms.

Einfache Programmierung
Die CANopen-Messumformer von JUMO lassen sich in einer bestehenden Anlagean alle auftretenden Anforderungen anpassen. Die gewünschten Parameter können bei Bedarf schon in der JUMO-Fertigung vorkonfiguriert werden, sodass im Normalfall für den Anwender keine Einstellung vor der Montage erforderlich ist. Alternativ können die Parameter natürlich jederzeit mittels eines bedienerfreundlichen PC-Programms über die CANopen-Schnittstelle eingestellt werden. Hierdurch lassen sich alle Parameterwie z. B. Node ID oder Baudrate konfigurieren. Die so eingestellten Parameter bleiben auch nach einem Stromausfall erhalten.