MSE Temperaturmessung

MESSEN VON STOFF- UND ENERGIESTRÖMEN
TEMPERATURMESSUNG
Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach
Wintersemester 2015/2016
07.02.201
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Inhalte der Vorlesung
• Temperatur
• Grundlagen der Temperaturmessung
– Widerstandsthermometer
– Thermoelemente
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TEMPERATUR
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Der Begriff der Temperatur
• Mit dem Begriff Temperatur wird ein
bestimmter thermischer Zustand eines
Körpers beschrieben
• Die Temperatur wird vom Menschen
als Wärme beziehungsweise als Kälte
empfunden.
• Hohe Temperaturen bezeichnet man
als heiß, niedrige als kalt.
Abb.: Ausdehnungs-Thermometer
Quelle: http://www.weathershop.co.za/Thermometers/12_1013pic.jpg
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Bedeutung der Temperatur
• Temperatur ist ein wichtiger Zustandsparameter, von
dem viele andere Größen wie z.B. Länge, Volumen,
Druck etc. abhängen.
• Zu niedrige oder zu hohe Temperaturen lassen
Prozesse zu langsam oder zu schnell ablaufen.
• Beispiele für temperaturabhängige Prozesse sind:
– das Trocknen von Lacken,
– Phasenumwandlungen in Werkstoffen,
– chemische Reaktionen etc.
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Temperatur und Wärme
• Der Begriff Temperatur ist unmittelbar an den Begriff
"Wärmeenergie" gekoppelt.
• Die Wärme ist ein Maß für die Energie im Inneren eines Körpers,
welche durch die Bewegung seiner Atome erzeugt wird.
• Zwei gleichartige Körper speichern den gleichen Betrag an
Wärmeenergie, wenn sie die selbe Temperatur aufweisen.
• Um an beiden Körpern dieselbe Erhöhung der Temperatur zu
verursachen, muss beiden dieselbe Wärmeenergie zugeführt
werden.
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Temperaturen von Objekten
>1.000.000 °C Sonnenkorona
30.000 °C Chromosphäre der Sonne
7.000 °C Erdkern
6.000 °C Oberfläche der Sonne
3.000 °C Flamme eines Schweißbrenners
(Acetylen und Sauerstoff)
2.500 °C Glühdrähte der Lampen
950 °C Flamme eines Gasherdes
800 °C Streichholzflamme
ca. 230 °C Bügeleisen (Einstellung: Leinen)
36–37 °C Körpertemperatur eines gesunden Menschen
−78,5 °C Trockeneis (gefrorenes CO2)
−273,15 °C absoluter Nullpunkt
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GRUNDLAGEN DER
TEMPERATURMESSUNG
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Temperaturmessung
Zur Messung der Temperatur werden solche physikalische Effekte und
Verfahren herangezogen, die reproduzierbare und eindeutige
Messungen ermöglichen:
• Längen- und Volumenausdehnung von Stoffen
•
Wechsel charakteristischer Zustände; z.B. Schmelzpunkte,
Erstarrungspunkte, Siedepunkte
•
Änderung von charakteristischen Eigenschaften wie Transparenz,
Reflexion, Farbe, elektrischer Widerstand, Strahlungsemission,
Elastizitätsmodul
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Temperaturmessverfahren
Die Temperaturmessung erfolgt mit Hilfe von wärmesensitiven
Messgeräten. Die Messung durch Kontakt ist in folgende Bereiche
aufzuteilen:
• Mechanische Erfassung:
– Gas- oder Flüssigkeitsthermometer
– Bimetallthermometer
– Temperaturmessfarben
– Seeger-Kegel Formkörper, die ihre Festigkeit und dadurch ihre
Kontur bei einer bestimmten Temperatur ändern
•
•
Resistive Temperaturaufnehmer (Widerstandsthermometer)
Thermoelemente
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Probleme der Messung
1. Bei kontaktierenden Sensoren muss der Sensor die zu messende
Temperatur annehmen (Berührthermometer messen nur ihre
eigene Temperatur).
2. Die Herstellung des thermodynamischen Gleichgewichts erfordert
einen Energieaustausch und beansprucht hierfür Zeit. Damit ist
festgelegt, wann der Sensor die richtige Temperatur anzeigt bzw.
welche Messabweichung zu erwarten ist.
3. Sofern die Wärmekapazität des Sensors gegenüber der des
Messobjekts nicht vernachlässigt werden darf, kann der Sensor
dessen Temperatur auch verändern.
4. Die Sensoren führen i.d.R. über ihre Zuleitungen Wärmeenergie
nach außen ab und verändern so die Temperatur des
Messobjektes.
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Messbereich in der Praxis
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Volumen- und Längenänderung (I)
•
Diese Messprinzipien beruhen auf der
Tatsache, dass bei den meisten Substanzen
das Volumen bzw. die Länge mit
zunehmender Temperatur monoton steigt.
•
Ausnahme: z.B. Dichteanomalie des Wassers
bei 4 °C
•
In Flüssigkeitsthermometern kann die
Volumenzunahme der Arbeitsflüssigkeit an
einem Steigrohr beobachtet werden.
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Abb.: Flüssigkeitsthermometer
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Volumen- und Längenänderung (II)
Bei Bimetallthermometern sind zwei Metalle mit unterschiedlichen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten miteinander verschweißt;
Temperaturänderungen bewirken so eine messbare Durchbiegung.
Abb.: Bimetallthermometer
Quelle:http://www.haustechnikdialog.de/SHKwissen/Images/Bimetall-rwth-aachen.jpg
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Volumen- und Längenänderung (III)
Dabei gilt näherungsweise für das Volumen V bzw. die Länge x:
V (T )  V (T0 ) *[1  (T  T0 )  ...]
und
x(T )  x(T0 ) *[1  (T  T0 )  ...]
T0 : Bezugstemperatur in K, für die das gemessene Volumen V(T0)
bzw. die Länge x(T0) des Sensormaterials bekannt ist
 :
thermischer Volumenausdehnungskoeffizient in
 m3 


 K 
α : thermischer Längen- Ausdehnungskoeffizient in
m
 
K 
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WIDERSTANDSTHERMOMETER
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Widerstandsthermometer
Abb.: Widerstand/Temperatur-Diagramm
Daten aus:
www.ces.karlsruhe.de/culm/culm/culm2/th_messtechnik/sensoren/pt100.
xls
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•
Bei Widerstandsthermometern wird
die Abhängigkeit des elektr.
Widerstands eines Leiters oder
Halbleiters von der Temperatur
genutzt.
•
Bevorzugt kommen metallische
Widerstände zum Einsatz, deren
Widerstand gut reproduzierbar mit
der Temperatur ansteigt,
insbesondere Platin und Nickel.
•
Mit entsprechendem Aufwand lassen
sich Temperaturen mit einer relativen
Unsicherheit von nur 10-4 bestimmen.
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Temperaturabhängigkeit
Die Abhängigkeit des Widerstandes von der Temperatur kann
man beschreiben durch:
R(T )  R0 *[1  T  T 2  ...]
α und β sind der lineare bzw. quadratische thermische Widerstandskoeffizient. R0 ist der Widerstand bei einer Bezugstemperatur, z.B. bei
T0= 0°C. In der Regel genügt es, in der Nähe der Bezugstemperatur von
einer linearen Näherung auszugehen:
R(T )  R0 * (1  'T )
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Temperaturabhängigkeit
α´ ist der mittlere Temperaturbeiwert, der die mittlere Widerstandsänderung im Bereich von 0°C bis 100°C angibt:
' 
R(T  100C )  R(T  0C )
R(T  0C ) * 100C
α: linearer thermischer Widerstandskoeffizient in
α‘: mittlerer Temperaturbeiwert in
β: quadratischer thermischer
1
 
K 
1
 
K 
 1 
Widerstandskoeffizient K 2 
R: Widerstand in 
T: Temperatur in K
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Temperaturbeiwerte
Material
Verwendungsbereich
α´
Nickel
-60 °C bis 150 °C
6,17*10-3 K-1
Kupfer
-50 °C bis 150 °C
4,26*10-3 K-1
Platin
-220 °C bis 850 °C
3,85*10-3 K-1
Quelle für α´: Irrgang, K.; Michalowsky, L. (Hrsg.): Temperaturmesstechnik. Vulkan-Verlag, Essen, 1. Auflage, 2004
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Halbleiter- Widerstände
• Neben Metall- Widerstandsthermometern werden auch
temperaturabhängige Halbleiter-Widerstände verwendet.
• Diese haben einen höheren Temperaturbeiwert.
• Unterschieden werden Halbleiterwiderstände
– mit positivem Temperaturkoeffizienten PTC und
– mit negativem Temperaturkoeffizienten NTC.
• HNTC werden für den Hochtemperaturbereich eingesetzt.
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Widerstandverläufe
• PTC- Widerstände weisen zumeist
nur geringe Stabilität bzw.
Wiederholpräzision auf und sind
nur in einem kleinen Messbereich
einsetzbar.
Abb.: Kennlinien von Heißleitern,
Kaltleitern und Metallen
• Zu beachten ist der nichtlineare Verlauf bei PTC, NTC und HNTC.
• Für Temperaturbereiche, in denen die Kennlinien eine geringe Steigung
aufweisen, sind die betreffenden Typen nicht zur Temperaturmessung
geeignet.
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Messschaltung
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Messstrom
• Beim Einsatz von Widerstandsthermometern ist darauf zu achten,
dass der Messstrom den Widerstand nicht nennenswert erwärmt.
• So sollte z.B. bei den handelsüblichen metallischen 100-OhmWiderstandsthermometern der Messstrom 10 mA nicht
überschreiten.
• Die Wärmekapazität des Messobjektes und eine ggfs. schlechte
thermische Ankopplung sind bei der Dimensionierung des
Messstromes zu berücksichtigen!
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Messwiderstand (I)
•
Der temperaturempfindliche
Widerstand wird in Form einer
Messwicklung auf einen geeigneten
Träger aufgebracht.
•
Diese Messwicklung wird entweder
in Glas eingeschmolzen oder in eine
keramische Masse eingebettet.
•
Die äußere Hülle muss nicht
zwangsläufig aus Glas bestehen,
Metalle und andere gut leitenden
Materialien sind ebenfalls möglich.
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Abb.: Gewickelter Messwiderstand in
Glasrohr
Quelle: http://www.guenther.eu/techninformationen/widerstandsthermometer/2-gewickeltemesswiderstaende-auf-glaskoerper
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Messwiderstand (II)
•
Dünnste Platinschichten werden anstelle von Drähten auf ein Keramiksubstrat aufgebracht.
Vorteile:
→ kleine Abmessungen
→ hohe Widerstandswerte
•
Mittels Laserschnitt können die
Trimmschleifen aktiviert und der
Widerstand erhöht werden.
Abb.: Messwiderstand auf Keramikträger
Quelle: http://www.guenther.eu/techn-informationen/
widerstandsthermometer/4-messwiderstaende-auf-keramiktraeger
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Haltbarkeit Messwiderstände
•
Je nach Ausführung sind Widerstandsthermometer zwischen
-200 °C und +850 °C einsetzbar.
•
Bei den Messungen sind die Messwiderstände und damit die
Schutzrohre den Temperaturen direkt ausgesetzt.
•
Die Ausführung der Messwiderstände und die Bauart des
Schutzrohres entscheiden damit im Wesentlichen über
Lebensdauer und Stabilität der Messung.
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Bestandteile
Widerstandsthermometer für industrielle
Anwendungen bestehen fast immer aus:
• Messwiderstand
• Messeinsatz
• Armatur (Kopf mit Schutzrohr)
• In dem Messeinsatz, der in ein
Schutzrohr eingebracht ist, befinden
sich ein oder zwei Messwiderstände.
Abb.: Bestandteile Widerstandthermometer
• Der Kopf enthält meistens den
Anschlussblock mit den Klemmen zum
Anschluss der weiterführenden
Leitungen (Kupfer).
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Bauform
Abb.: Industrielle Bauform eines Widerstandsthermometers
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Zweileiterschaltung
• Die Verbindung zwischen Auswerteelektronik und
Messwiderstand erfolgt mit einer zweiadrigen Leitung.
• Der elektrische Widerstand der Leitung addiert sich zum
Widerstand des Messfühlers, was von der Elektronik als
höhere Temperatur interpretiert wird.
• Um diesen Fehler zu beheben, kompensiert man mit
modernen Messumformern den Leitungswiderstand auf
rechnerischem Weg.
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Zweileiterschaltung
• Bei der Inbetriebnahme wird der Leitungswiderstand dem
Messumformer mitgeteilt und dieser korrigiert das
Ausgangssignal dementsprechend.
RLtg: Leitungswiderstand
Rt: Messwiderstand (z.B. PT100)
Abb.: Zweileiterschaltung
Abb. nach: http://www.guenther.eu/techn-informationen/
widerstandsthermometer/13-anschlussarten-von-messwiderstaenden
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Dreileiterschaltung
• Die Dreileiterschaltung ist
gegenüber der Zweileiterschaltung
mit geringeren Messabweichungen
behaftet.
• Bei der Dreileiterschaltung wird ein
zweiter Messkreis an den
Messwiderstand angeschlossen.
• Dieser stellt immer den aktuellen
Leitungswiderstand dar und kann
vom Messkreis mit dem
Messwiderstand verrechnet werden
um den tatsächlichen
Messwiderstand zu berechnen.
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Abb.: Dreileiterschaltung
Abb. nach: http://www.guenther.eu/techn-informationen/
widerstandsthermometer/13-anschlussarten-von-messwiderstaenden
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Vierleiterschaltung
•
Weit verbreitet ist die
Vierleiterschaltung.
•
Der Messwiderstand und das
Messgerät verfügen über je vier
Anschlüsse zur Widerstandsmessung.
•
Über zwei Leiter wird dem
Widerstand ein konstanter Strom I aus
dem Messgerät zugeführt.
•
Die anderen zwei Leiter dienen zur
Messung des Spannungsabfalls ∆U am
Widerstand.
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Abb.: Vierleiterschaltung
Abb. nach: http://www.guenther.eu/techn-informationen/
widerstandsthermometer/13-anschlussarten-vonmesswiderstaenden
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Vorteile Widerstandthermometer
• Einsatzfähigkeit in hohen Temperaturbereichen
• Vibrationsfestigkeit
• Langzeitstabilität
• Hohe Robustheit
• Hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit von
Messungen
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THERMOELEMENTE
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Thermospannung
• Es werden zwei verschiedene Metalle A und B
miteinander in Kontakt gebracht (z.B. geschweißt)
• Elektronen wandern vom Metall A mit der
kleineren Elektronenaustrittsarbeit auf das Metall B
mit der größeren Elektronenaustrittsarbeit
• Somit lädt sich Metall A gegenüber Metall B positiv
auf
• Die in der Berührungsschicht entstehende
Thermospannung steigt mit der Temperatur an
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Abb.: Ladungsverschiebung zwischen
zwei Metallen
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Messaufbau
• Die Kontaktstelle der beiden Leiter A und B
befindet sich im thermischen
Gleichgewicht mit dem Messobjekt.
• Eine zweite Kontaktstelle (gleiche
Leitermaterialien) befindet sich auf einem
Temperaturniveau T0.
Abb.: Aufbau eines Thermoelements
• Das Temperaturniveau T0 ist bekannt.
Abb. nach: Parthier 2004, S. 60
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Messung der Thermospannung
•
Die Spannung ∆U, die sich z.B. mit einem Multimeter messen lässt,
ergibt sich unter Anwendung der Maschenregel zu:
U  UACu (T2 )  UAB (T1 )  UAB (T0 )  UACu (T2 )  0
•
Man erkennt, dass die Thermospannungen, die beim Übergang zu
den Kupferleitungen entstehen, sich kompensieren, sofern diese
Klemmstellen dieselbe Temperatur T2 aufweisen.
•
Für die zu messende Spannung gilt schließlich:
U  UAB (T0 )  UAB (T1 )
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Spannungsreihe
•
•
•
Alle leitenden Materialien
können in einer "thermoelektrischen Spannungsreihe"
geordnet werden.
Diese gibt an, welche
Thermospannungsdifferenz ein
Leiter mit einem Referenzleiter
ausbildet, wenn eine
Kontaktstelle 0 °C und die andere
100 °C aufweist.
Als Referenzmaterial wird häufig
Kupfer, Blei oder Platin
angegeben.
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Tabelle: Spannungsreihe bezogen auf Cu
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Vergleichstemperatur
•
Soll nicht eine Temperaturdifferenz, sondern "nur" die Temperatur
einer Messstelle bestimmt werden, muss die zweite Temperatur
künstlich geschaffen werden.
•
Die Vergleichsstellentemperatur sollte zweckmäßigerweise konstant
sein, damit aus der gemessenen Temperaturdifferenz (TMess-TVergl)
die gesuchte Temperatur TMess leicht errechnet werden kann.
•
Häufig verwendet: 0 °C (Eispunkt)
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Kalibrierkurve
•
Bei der Kalibrierung wird „der Zusammenhang zwischen den
Messwerten und dem vereinbarten richtigen Wert der Messgröße
ermittelt.“ (DIN 1319-1 )
•
Dieser Zusammenhang dient als Grundlage für die Erstellung einer
Korrektionstabelle, die Ermittlung von Kalibrierfaktoren oder einer
Kalibrierfunktion
•
Bei der Kalibrierung erfolgt kein Eingriff, der das Messgerät
verändert
•
Um aus der gemessenen Thermospannung auf die Temperatur
schließen zu können, ist eine Kalibrierkurve oder -tabelle notwendig
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Kalibrierkurve
•
Tabellen für die Beziehung zwischen Thermospannung und der
Temperatur gibt es z.B. in der DIN EN 60584-1
•
Liegt die erwünschte Messgenauigkeit innerhalb der NormToleranzen, so ist die Norm verwendbar
•
Wenn eine höhere Messgenauigkeit notwendig ist, muss eine
entsprechende Kalibrierkurve erstellt werden
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Grenzabweichung
•
•
•
Die Einteilung der standardisierten Thermoelemente bezüglich der
zulässigen Grenzabweichungen erfolgt in drei Klassen (Toleranzen)
nach DIN EN 60584-2, wobei Klasse 1 die geringsten
Grenzabweichungen erlaubt und Klasse 3 die größten.
Weiterhin werden die verschiedenen Thermoelementpaare in
Typen aufgeteilt, die innerhalb dieser Klassen verschiedene
Grenzabweichungen besitzen
Üblicherweise wird im industriellen Bereich die Klasse 2 verwendet
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Grenzabweichung
Zulässige Grenzabweichungen der Toleranzklasse 2 für
verschiedene Thermoelementpaare:
Tabelle: Auszug aus der DIN EN 60584-2
Quelle: DIN EN 60584-2
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Bewährte Metallkombinationen für TE
• Nickelchrom-Nickel-Aluminium (NiCr-NiAl)
• Platin-Platinrhodium (Pt-PtRh)
• Kupfer-Konstantan (Cu-CuNi)
• Eisen-Konstantan (Fe-CuNi)
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Übersicht der verschiedenen TE
Tabelle: Übersicht über verschiedene Thermoelementpaare
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Verwendung Thermoelemente
•
Thermoelemente werden vorwiegend betriebsfertig geliefert, d.h.
in Schutzfassungen.
•
Schutz gegen Durchbiegen  senkrechter Einbau
•
Anschließen von Thermoleitungen: Pluspol des Thermoelementes
 Plusklemme des Anzeigeinstrumentes
•
Alle Klemmverbindungen müssen absolut sauber sein und fest
angezogen werden.
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Vorteile Thermoelemente
• sehr hohe Temperaturbereiche
von -200 °C bis über 1000 °C
• schnelle Ansprechzeiten
• kleine Bauformen
• extreme Erschütterungsfestigkeit
• Langzeitstabilität
• hohe Robustheit
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Bauarten von Thermoelementen
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Quellen (Auszug)
• Tränkler, H.-R.: Taschenbuch der Meßtechnik – mit Schwerpunkt
Sensortechnik. Oldenbourg Verlag, München, Wien, 4. Auflage,
1996.
• Parthier, R.: Messtechnik. Grundlagen für alle technischen
Fachrichtungen und Wirtschaftsingenieure. Vieweg Verlag,
Wiesbaden, 2. Auflage, 2004.
• Hesse, S., Schnell, G.: Sensoren für die Prozess- und
Fabrikautomation. Vieweg Verlag, Wiesbaden,
3. Auflage,
2004.
• Irrgang, K.; Michalowsky, L. (Hrsg.): Temperaturmesstechnik. VulkanVerlag, Essen, 1. Auflage, 2004.
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VIELEN DANK FÜR DIE AUFMERKSAMKEIT
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