FMT

• In der Kunststoffindustrie

  z.B. bei Kontaktlisen, wo gewünschte Reaktionen nur bei 44±2°C stattfinden

• In der Leistungselektronik

  da Gefahr von Überhitzung der Schaltungen besteht

• Im Maschinenbau

  da Abmaße temperaturabhängig sind und für die Messung von Präzisionsbauteilen eine genaue Kenntnis der Temperatur notwendig ist

• Auswahl eines geeigneten Messverfahren entsprechend gegebener Bedingungen und Anforderungen

• Messaufbau so gestalten, dass Einflüsse auf das Messergebnis möglichst minimiert werden

• Es soll grundlegendes Wissen über verschiedene Messprinzipien zur Temperaturmessung vermittelt werden.

• Es sollen Kenntnisse über die spezifischen Eigenschaften von Thermoelementen, Widerstandsthermometern und Pyrometern vermittelt werden.

• Wir lernen etwas über Einflussgrößen auf die Messergebnisse und Möglichkeiten zur Kontrolle und Reduzierung dieses Einflusses.

-> Insgesamt soll ein Verständnis für die Verfahren der Temperaturmessung, ihre Einsatzgebiete und ihre Einschränkungen vermittelt werden.

Die Temperatur ist eine intensive Größe eines physikalischen Systems (z.B. eines Körpers, einer Flüssigkeit, eines Gases).

Je größer die Wärmebewegung der Teilchen, desto größer ist die Temperatur.

• Kelvin (K)

• Grad Celsius (°C)

• Fahrenheit (F)

-> Kelvin ist dabei eine der sieben SI-Basiseinheiten.

Zur eindeutigen Definition einer Temperaturskala wird ein Fixpunkt benötigt.

Diese Tabelle wird zum kalibrieren von Thermometern verwendet.

Erklärung:

• T90/K: Temperatur in Kelvin, wie sie in der ITS90 definiert ist

• θ90​/°C: Temperatur in Grad Celsius, umgerechnet von der Kelvin-Temperatur.

• Substanz: reine Substanz, die bei dieser Temperatur einen bestimmten Zustand erreicht

• Zustand: beschreibt den physikalischen Zustand der Substanz bei der angegebenen Temperatur

1. Zeile: Dies bezieht sich auf den Temperaturbereich, in dem Helium bei sehr tiefen Temperaturen als Gas vorliegt und sein Dampfdruck gemessen wird.

2. Zeile: Der Triplepunkt von Wasser ist ein fundamentaler Fixpunkt

3. Zeile: Der Erstarrungspunkt von Kupfer ist die Temperatur, bei der Kupfer von der flüssigen in die feste Phase übergeht.

Die Tabelle zeigt die geeigneten Messinstrumente und deren Temperaturbereiche gemäß der ITS90

Kontext:

• Helium-Dampfdruckthermometer nutzen den Dampfdruck von Helium, um Temperaturen zu messen. Diese sind bei besonders niedrigen Temperaturbereichen geeignet

• Platin-Widerstandsthermometer misst die Temperatur durch die Änderung des elektrischen Widerstands eines Platin-Drahtes. Ist gut im “Mittelfeld” einzusetzen

• Teilstrahlungspyrometer misst Temperatur basierend auf der Strahlungsintensität, die ein Objekt emittiert. Wird in Hochtemperaturbereichen eingesetzt, wo andere Thermometer nicht mehr zuverlässig arbeiten können

Messverfahren zur Temperaturmessung beruhen auf den drei thermodynamischen Prinzipien zur Wärmeübertragung:

• Wärmeleitung <- berührende Messverfahren

• Konvektion

• Strahlung <- berührungslose Verfahren

Je nach Temperatur ändern sich Eigenschaften der Materialien.

Durch das Prinzip der Wärmedehnung dehnt sich die Flüssigkeit im Thermometer mit steigender Temperatur aus.

In der industriellen Temperaturmesstechnik werden hauptsächlich Thermometer eingesetzt, die auf Änderung elektrischer Größen beruhen

Das Messprinzip des Widerstandsthermometers beruht darauf, dass der Widerstand eines Leiters von seiner Temperatur abhängig ist. Über den gemessenen Widerstand kann also die Temperatur des Leiters bestimmt werden.

Für Widerstandsthermometer werden eingesetzt:

• metallische Leiter

• Halbleiter

  • Heißleiter (NTC = Negative Temperature Coefficient)

  • Kaltleiter (PTC = Positive Temperature Coefficient)

Kennlinienverlauf von Pt100, NTC- und PTC-Widerständen

Die Bezeichnung eines metallischen Widerstandsmometers gibt das verwendete Material sowie den Nennwiderstand bei 0°C an.

Beispiel:

Ein Pt100 Messfühler enthält also einen Leiter aus Platin und sein Nennwiderstand bei 0°C beträgt 100Ω.

• α ist der Temperaturkoeffizient (variiert zwischen 0,07 bis 0,70/K)

• B ist eine Materialkonstante (Bereich von 1500K bis 5500K)

• R0 ist der Widerstand bei Referenztemperatur T0

• geringes Bauvolumen -> kugelförmige Widerstände sind mit Durchmesser von 0,5mm oder weniger herstellbar

• dadurch kann Temperatur mit hoher Frequenz nahezu punktweise erfasst werden

Vorteil:

• steil ansteigende Kennlinie -> gut weil:

  • hohe Empfindlichkeit

  • schnelle Reaktion

  • Präzision

-> werden überwiegend für Überwachunsschaltungen eingesetzt.

Nachteil:

• bedingt stabil

• bedingt reproduzierbar

Vorteil:

• ermöglicht Messung in einem hohen Temperaturbereich

• sehr präzise Messergebnisse

Nachteil:

• meist eher groß

• relativ teuer

In praktischen Anwendungen wird die Änderung des Messwiderstands über die Änderung der Spannung erfasst.

Problematisch ist dabei allerdings, dass Spannungsänderungen auch aus anderen Ursachen entstehen können!

Mögliche Ursachen:

• Wärmeleitung längs der Zuleitung

• Widerstand der Zuleitung

• Wärmeisolation des Leiters von seiner Umwelt

• Problem: Wärmeleitung längs der Zuleitung

  -> Lösung: dünne Zuleitungen, um störenden Temperaturtransport vom Messgut in den Messaufbau zu vermeiden

• Problem: Widerstand der Zuleitung

  -> Lösung: Zuleitungen möglichst kurz halten, um ihren Widerstand zu minimieren

• Problem: Wärmeisolation des Leiters von seiner Umwelt

  -> Lösung: Messleitungen gegen die Temperaturschwankungen der Umwelt isolieren

1. An einem Widerstand fällt nur dann eine Spannung ab, wenn ein Strom hindurchfließt! U = R * I

2. Bei einem Stromteiler wird der Strom entsprechend dem Widerstand der Leitungen aufgeteilt. In Leitungen mit sehr hohem Widerstand fließt nur ein geringer Strom

3. Bei einer Spannungsmessung soll möglichst kein Stom fließen, um die zu messende Schaltung nicht zu beeinflussen. Spannungsmessgeräte weisen daher einen sehr hohen Innenwiderstand auf.

In der Zweileiterschaltung liegt über der gesamten Versuchsanordnung der bekannte Konstantstrom Ic an.

Das Messgerät misst den Spannungsabfall über allen Widerständen.

Da durch alle Widerstände Strom fließt und alle Widerstände in die Spannungsmessung mit eingehen, kann nicht sicher gesagt werden, ob eine Spannungsänderung eine Temperaturänderung als Ursache hat oder ob sich einer der anderen Parameter geändert hat.

Lösung:

Zur Verringerung bzw. Beseitigung des Einflusses der Zuleitungs- und Klemmwiderstände wird die Schaltung zur Vierleiterschaltung erweitert.

Bei der Vierleiterschaltung werden getrennte Leitungspaare für den Speisestrom des Messaufnehmers und für die Messung des Spannungsabfalls am Messaufnehmer verwendet.

Dadurch können am Spannungsmesser nahezu 100% der Spannung gemessen werden, welche auch am PT100 abfallen.

Vorteil:

• Vierleiterschaltung eliminiert fast alle Störeinflüsse bei der Messung

• Länge der Anschlussleitungen darf sehr groß sein

• es dürfen Adern unterschiedlichen Querschnitts verwendet werden

• unempfindlich gegenüber Kontakwiderstände und Anschlussklemmen

Nachteil:

• Messaufbau teurer

Bei der Messung mit dem Thermoelement wird stets eine Temperaturdifferenz zwischen zwei Punkten gemessen - kein absoluter Wert. Daher muss zur Interpretation des Messergebnisses die Vergleichstemperatur bekannt sein.

• die meisten Probleme verursacht die Altertung der Thermoelemente unter Betriebsbedingung

  -> Toleranzangaben aus Datenblättern gelten daher nur für neue Thermoelemente

• oft müssen im Messaufbau größere Entfernungen zwischen Messstelle und Vergleichsstelle zurückgelegt werden, da es nicht möglich ist die Vergleichstemperatur in der Umgebung des Messobjekts ausreichend konstant zu halten

  -> für Thermopaarungen werden teilweise Edelmetalle oder spezielle Legierungen verwendet - ! Es ist aber sehr teuer die ganze Strecke zu überbrücken !

  => Daher werden Ausgleichsleitungen eingesetzt

Jeder Körper, dessen Oberfläche eine von 0K unterschiedliche Temperatur aufweist, sendet eine elektromagnetische Strahlung aus, deren spektrale Zusammensetzung und Intensität von Material und Beschaffenheit der Oberfläche und von der Temperatur abhängt.

Aus der abgegebenen Strahlung (Wellenlängen von 100nm bis 1000nm) kann man bei bekannten Randbedingungen auf die Temperatur des strahlenden Körpers schließen.

Gesamtstrahlungspyrometer:

• nehmen Strahlung im gesamten Wellenlängenbereich auf

• vorwiegend bei niedrigen Temperaturen eingesetzt

• hoher apparativer Aufwand um Störeinflüsse aus der Umwelt zu eliminieren

• teuer

Teilstrahlungspyrometer:

• ziehen nur einen kleinen spektralen Anteil aus der gesandten Strahlung

• Messtemperaturen oberhalb von 500°C

Ein Pyrometer ist ein vergleichendes Messgerät - d.h. die einfallende Strahlung wird mit einem Referenzwert (vom Gerät erzeugt) verglichen.

• Das Objektiv sammelt die Strahlung

• Der Modulator schaltet zwischen Messwert und Referenzwert um

• Der Filter lässt nur die Strahlung mit der spezifizierten Wellenlänge hindurch

• Im Empfänger wird die elektromagnetische Strahlung in ein elektrisches Signal (Strom, Spannung) umgewandelt

  -> diese kann dann nachfolgend ausgewertet werden

• Übertragungsstrecke: wenn der Abstand zwischen Messgerät und Messobjekt zu groß ist, wird teilweise elektromagnetische Strahlung der Umgebung gemessen und das Messergebnis verfälscht

• Staub- und Schmutzpartikel sowie Feuchtigkeit

• dreckige Linse

• falsch eingestellte oder zu niedrige Emissionsgrade

• Umgebungstemperatur, da die von der Umgebung abgegebene Strahlung als Hintergrundstrahlung bei der Messung miterfasst wird