Widerstandsthermometer und Thermoelemente. Montage- und Betriebsanleitung Rev. AA, September 2001

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1 Widerstandsthermometer und Thermoelemente Montage- und Betriebsanleitung Rev. AA, September 2001

2 Betriebsanleitung Montage- und Einbauhinweise Widerstandsthermometer und Thermoelemente HINWEIS Lesen Sie diese Betriebsanleitung, bevor Sie mit dem Gerät arbeiten. Für Ihre persönliche Sicherheit, für die Sicherheit der angeschlossenen Systeme sowie zur optimalen Handhabung des Gerätes ist es unbedingt notwendig, dass Sie den Inhalt dieser Betriebsanleitung vor dem Einbau oder Wartung gelesen und verstanden haben. Bei Fragen wenden Sie sich bitte an das für Sie zuständige Vertriebsbüro von Rosemount.! WARNUNG Das in diesem Dokument beschriebene Gerät ist nicht für den Einsatz in Nuklear-Anlagen ausgelegt. Die Verwendung von Produkten, welche nicht für Anwendungen in Nuklear-Anlagen ausgelegt sind, kann zu falschen Messergebnissen führen. Informationen über nuklear-zugelassene Geräte von Rosemount erhalten Sie von dem für Sie zuständigen Rosemount-Vertriebsbüro. Rosemount und das Rosemount-Logo sind eingetragene Warenzeichen von Rosemount Inc. Titelfoto: Produktübersicht Temperatursensoren und -messumformer 2

3 Inhaltsverzeichnis KAPITEL 1 Temperaturmessung mit Widerstandsthermometern Beschreibung und Messprinzip... 5 Aufbau... 5 Anschlussarten... 7 Einsatzbereiche... 8 KAPITEL 2 Temperaturmessung mit Thermoelementen Beschreibung und Messprinzip... 9 Einbau der Schutzfassungen Leitungen und Anschlüsse Einsatzbereiche KAPITEL 3 Montage von Schutzarmaturen Vorschriften und Regelwerke Betriebsbeanspruchung Anzugsmomente für Einschraubgewinde Montage von Schutzarmaturen mit Flanschbefestigung Einbau von Keramik- Schutzarmaturen in Anlagen unter Betriebstemperatur Anschluss von Messumformern ANHANG Anhang I Grenzabweichungen von den Grundwerten Anhang II Grenzabweichungen für Thermoelemente

4 Rosemount Montage- und Einbauhinweise Widerstandsthermometer und Thermoelemente 4

5 Kapitel 1 Temperaturmessung mit Widerstandsthermometern Beschreibung und Messprinzip... Seite 5 Aufbau... Seite 5 Anschlussarten... Seite 7 Einsatzbereiche... Seite 8 BESCHREIBUNG UND MESSPRINZIP Die Temperaturmessung mit Widerstandsthermometern beruht auf der Eigenschaft aller Leiter und Halbleiter, ihren elektrischen Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur zu verändern. Diese Eigenschaft ist bei den verschiedenen Werkstoffen mehr oder weniger stark ausgeprägt. Diese Änderung des elektrischen Widerstandes in Abhängigkeit von der Temperatur (dr/dt) nennt man den Temperaturkoeffizienten. Sein Wert bleibt nicht über den ganzen in Betracht kommenden Temperaturbereich konstant; er ist vielmehr selbst eine Funktion der Temperatur. Für den Zusammenhang zwischen Widerstand und Temperatur ergibt sich ein mathematisches Polynom höherer Ordnung. In Abbildung 1 ist die Widerstandsänderung in Abhängigkeit von der Temperatur dargestellt, wobei ein Pt 100-Widerstandsthermometer zugrunde gelegt wurde. Abbildung 1: Pt 100-Kennlinie AUFBAU Der temperaturempfindliche Widerstand - in der Regel Platin - wird in Form einer Messwicklung auf einen geeigneten Träger aufgebracht. Diese Messwicklung wird entweder in Glas eingeschmolzen oder in eine keramische Masse eingebettet. Um den modernen Anforderungen nach kleineren Abmessungen und höheren Widerstandswerten zu genügen, werden dünnste Platinschichten anstelle von Drähten auf ein Keramiksubstrat aufgebracht (vgl. Abb. 2). 5

6 Rosemount Montage- und Einbauhinweise Widerstandsthermometer und Thermoelemente Abbildung 2: Glas-, Keramik-, und Schichtmesswiderstände Diese Messwiderstände werden zum Schutz gegen mechanische Belastungen (Druck, Strömung) und chemischen Angriff meist in entsprechende Schutzrohre (Messeinsätze) eingebaut. Dadurch wird auch der problemlose Austausch gewährleistet, ohne dass die komplette Armatur gewechselt werden muß. Da Widerstandsthermometer zu den Berührungsthermometern zählen (der Messwiderstand muß die Temperatur des zu messenden Mediums annehmen), ist es notwendig, die Schutzarmaturen dem Verwendungszweck und den Einbauverhältnissen anzupassen (vgl. Abb. 3). Abbildung 3: Module der Widerstandsthermometer 6

7 ANSCHLUSSARTEN Setzt man Widerstandsthermometer zur Temperaturmessung ein, muß bedacht werden, dass das Messergebnis durch den Widerstand der gewählten Zuleitung beeinflußt wird. Man unterscheidet zwischen 3 üblichen Schaltungen: Zwei-, Drei- und Vierleiterschaltung. Die exaktesten Messungen sind mit der Vierleiterschaltung möglich, da bei dieser Anschlussart weder der Zuleitungswiderstand noch die Umgebungstemperatur der Anschlussleitungen einen Einfluß ausüben. Bei der Anwendung der Dreileiterschaltung wird der Zuleitungswiderstand eliminiert (Wheatstone Messbrücke). Bei der Zweileiterschaltung wird der Zuleitungswiderstand komplett durch den Messkreis der Brückenschaltung erfaßt. Bei modernen Regeleinrichtungen, in Zweileitertechnik, kann der Einfluss des Leitungswiderstandes durch einen Abgleichwiderstand kompensiert werden (vgl. Abb. 4). Abbildung 4: Darstellung der verschiedenen Anschlussarten 7

8 Rosemount Montage- und Einbauhinweise Widerstandsthermometer und Thermoelemente EINSATZBEREICHE Widerstandsthermometer können im Temperaturbereich von -220 C bis +600 C eingesetzt werden. Die Vorteile liegen bei: hohen Temperaturbereichen Vibrationsfestigkeit Langzeitstabilität hoher Robustheit hoher Genauigkeit Widerstandsthermometer finden unter anderem Anwendung in folgenden Branchen: Chemische Industrie Petrochemische Industrie Pharmazeutische Industrie Energiewirtschaft Maschinenbau Nahrungs- und Genußmittelindustrie Bergbau 8

9 Kapitel 2 Temperaturmessung mit Thermoelementen Beschreibung und Messprinzip... Seite 9 Einbau der Schutzfassungen... Seite 10 Leitungen und Anschlüsse... Seite 10 Einsatzbereiche... Seite 11 BESCHREIBUNG UND MESSPRINZIP Ein Thermoelement besteht aus zwei elektrischen Leitern unterschiedlicher Werkstoffe, die an einem Ende (Messstelle) miteinander verbunden sind. Die beiden offenen Enden bilden die Vergleichs- bzw. Messstelle. Mittels Thermo- bzw. Ausgleichsleitungen kann das Thermoelement verlängert werden. Die Thermo- bzw. Ausgleichsleitungen können mit einem Anzeigegerät, z.b. einem Galvanometer oder einem elektronischen Messgerät, verbunden werden (vgl. Abb. 5). Abbildung 5 Die an der Vergleichsstelle auftretende Thermospannung hängt vom Werkstoff der Thermodrähte und von der Temperaturdifferenz zwischen Messstelle und Vergleichsstelle ab. Für Temperaturmessungen muß die Temperatur der Vergleichsstelle konstant gehalten werden (z.b. 0 C) oder sehr genau bekannt sein, um eine entsprechende Korrektur in mv durchzuführen (vgl. Abb. 6). Abbildung 6 9

10 Rosemount Montage- und Einbauhinweise Widerstandsthermometer und Thermoelemente Bei Thermoleitungen besteht das Leitermaterial aus den Thermoelementlegierungen (z.b. Cu-CuNi, Fe-CuNi), bei Ausgleichsleitungen dagegen aus Ersatzwerkstoffen. Ausgleichsleitungen liefern bis 200 C die gleiche Thermospannung wie die zugehörigen Thermoelemente. Die Thermospannungen der Thermoelemente sind in sogenannten Grundwertreihen festgelegt. z.b. PtRh30%-PtRh6% Typ B Fe-CuNi Typ J NiCr-NiAl Typ K PtRh87/13%-Pt Typ R PtRh90/10%-Pt Typ S und andere in DIN EN sowie Fe-CuNi Typ L Cu-CuNi Typ U Diese Thermopaare und Ausgleichsleitungen sind für Neuanlagen nicht mehr einzusetzen (Thermospannung nach DIN 43710). Tabellen der Thermospannungen liegen bei den Herstellern vor. Die zu den jeweiligen Thermoelementen gehörenden Ausgleichsleitungen sind durch besondere Kennfarben gekennzeichnet, da zu jedem Thermoelement jeweils nur die aus passendem Material bestehende Ausgleichsleitung verwendet werden darf. Für die genormten Ausgleichsleitungen gilt DIN EN Es sind jedoch die vom Hersteller angegebenen maximalen Temperaturen zu beachten. Thermoelemente werden vorwiegend betriebsfertig geliefert, d.h. in Schutzfassungen, die die Zerstörung der Thermopaare durch mechanische Kräfte oder chemischen Angriff verhindern. EINBAU DER SCHUTZFASSUNGEN Die Schutzfassungen der Thermoelemente müssen den jeweiligen Betriebsbedingungen angepaßt sein. Edelmetall-Thermodrähte erhalten zum Schutz gegen Verunreinigungen immer ein keramisches Schutzrohr, auch wenn eine metallene Schutzfassung verwendet wird. Bei hohen Temperaturen sollen die Schutzfassungen möglichst senkrecht, also hängend, in das zu messende Objekt eingebaut werden, um ein Durchbiegen mit seinen für Schutzrohr und Thermoelement schädlichen Folgen zu vermeiden. Läßt sich aus besonderen Gründen ein waagerechter Einbau nicht umgehen, so müssen längere Schutzrohre ausreichend abgestützt werden. LEITUNGEN UND ANSCHLÜSSE Beim Verlegen und Anschließen von Thermo- bzw. Ausgleichsleitungen ist darauf zu achten, daß der Pluspol des Thermoelementes mit der Plusklemme des Anzeigeinstrumentes verbunden und dass bei Zwischenschalten von Thermo- und/oder Ausgleichsleitungen Plus- und Minusleiter nicht gegeneinander vertauscht werden. Um diese Möglichkeit auszuschließen, sind Plus- und Minusleiter gekennzeichnet. 10

11 Alle Klemmverbindungen müssen absolut sauber sein und fest angezogen werden. Die zusammengehörenden Plus- und Minuspole sollten das gleiche Temperaturpotenzial besitzen. Die Ausgleichsleitungen zwischen Thermoelement und Anzeigeinstrument sollen den Vorschriften für isolierte Leitungen in Starkstromanlagen (VDE 0250) entsprechen. In Ausnahmen sind auch Leitungen nach den Vorschriften für isolierte Leitungen in Fernmeldeanlagen (VDE 0810) zulässig. EINSATZBEREICHE Im negativen Temperaturbereich sind Thermoelemente bis -200 C einsetzbar. Für Temperaturen oberhalb von 1000 C verwendet man Thermoelemente aus Platin und einer Legierung aus Platin und Rhodium. Die Vorteile von Thermoelementen liegen bei: sehr hohen Temperaturbereichen schnellen Ansprechzeiten kleinen Bauformen extremer Erschütterungsfestigkeit Langzeitstabilität hoher Robustheit Thermoelemente finden unter anderem Anwendung in folgenden Branchen: Chemische Industrie Petrochemische Industrie Pharmazeutische Industrie Energiewirtschaft Maschinenbau Nahrungsmittel- und Genußmittelindustrie Bergbau Metall- und Eisenindustrie Keramik- und Glasindustrie 11

12 Rosemount Montage- und Einbauhinweise Widerstandsthermometer und Thermoelemente 12

13 Kapitel 3 Montage von Schutzarmaturen Vorschriften und Regelwerke... Seite 13, 14 VORSCHRIFTEN UND REGELWERKE Für die Montage von Schutzarmaturen sind folgende Richtlinien zu beachten: VDE/VDI 3511 Technische Temperaturmessung/Richtlinie VDE/VDI 3512 Messanordnung für Temperaturmessungen AD Merkblätter (1) Arbeitsgemeinschaft Druckbehälter TRB Technische Regel Behälterbau (1) Vd TÜV Vorschriften (1) Betriebsbeanspruchung Für die gelieferten Schutzarmaturen gelten die in der Zeichnung angegebenen mechanischen Beanspruchungen. Für Schutzarmaturen nach DIN und DIN haben die in den Normen für den jeweiligen Typ angegebenen Belastungsdaten Gültigkeit. Anzugsmomente für Einschraubgewinde Für Einschraubgewinde von Schutzarmaturen nach DIN und DIN sowie vergleichbaren Schutzarmaturen nach Kundenspezifikation. G 3 8, G ½ 50 Nm G ¾ 100 Nm Für Überwurfmutter mit artgleichen Gewinden sind obige Anzugsmomente in gleichem Maß anzuwenden. (1) Zu beachten bei Einschweiß-Schutzrohren, Werkstoff, Schweißnaht und Druckprobe gemäß den Betriebsbedingungen. 13

14 Rosemount Montage- und Einbauhinweise Widerstandsthermometer und Thermoelemente Montage von Schutzarmaturen mit Flanschbefestigung Die Dichtung ist gemäß den Anforderungen auszuwählen. Beim Einbau der Dichtungen ist auf gute Auflage zu achten. Die Befestigungsschrauben sind gleichmäßig über Kreuz anzuziehen. Einbau von Keramik-Schutzarmaturen in Anlagen unter Betriebstemperatur Anlagentemperatur: 1600 C Einschubgeschwindigkeit 1 2 cm/min 1200 C Einschubgeschwindigkeit cm/min Anschluss von Messumformern Beim Anschluss von Messumformern sind die Einbau-, Anschlussund Prüfvorschriften der Hersteller zu beachten. 14

15 Anhang A Anhang I und Anhang II ANHANG I Grenzabweichungen von den Grundwerten nach DIN EN und DIN C Grundwerte nach nach DIN EN DIN Platinmess- Nickelmesswiderstände widerstände Ohm Ohm/K Ohm Ohm/K nach DIN EN Pt-Messwiderstände Grenzabweichungen Klasse A Klasse B Ohm entspr. C Ohm entspr. C nach DIN Ni-Messwiderstände ,49 0,44 ±0,24 ±0,55 ±0,56 ±1, ,25 0,41 ±0,14 ±0,35 ±0,32 ±0, ,5 0,47 - ±1,0 ±2, ,00 0,39 100,0 0,55 ±0,06 ±0,15 ±0,12 ±0,3 ±0,2 ±0, ,50 0,38 161,8 0,69 ±0,13 ±0,35 ±0,30 ±0,8 ±0,8 ±1, ,84 0,37 240,7 0,90 ±0,20 ±0,55 ±0,48 ±1,3 ±1,6 ±1, ,2 1,04 ±2,3 ±2, ,02 0,35 ±0,27 ±0,75 ±0,64 ±1, ,04 0,34 ±0,33 ±0,95 ±0,79 ±2, ,90 0,33 ±0,38 ±1,15 ±0,93 ±2, ,59 0,33 ±0,43 ±1,35 ±1,06 ±3, ,13 0,31 ±1,17 ±3, ,71 0,30 ±1,28 ±4, ,26 0,29 ±1,34 ±4,6 Ohm entspr. C ANHANG II Grenzabweichungen für Thermoelemente nach DIN EN Klasse (2) Grenzabweichungen (1) 0,5 C oder 0,004 x t 1 C oder 0,0075 x t 1 C oder 0,015 x t (±) Die Grenzabweichungen gelten im Temperaturbereich Typ T -40 C bis 350 C -40 C bis 350 C -200 C bis 40 C Grenzabweichungen (1) 1,5 C oder 0,004 x t 2,5 C oder 0,0075 x t 2,5 C oder 0,015 x t (±) Die Grenzabweichungen gelten im Temperaturbereich Typ E -40 C bis 800 C -40 C bis 900 C -200 C bis 40 C Typ J -40 C bis 750 C -40 C bis 750 C --- Typ K -40 C bis 1000 C -40 C bis 1200 C -200 C bis 40 C Grenzabweichungen (1) 1,0 C oder 1,5 C oder 0,0025 x t 4 C oder 0,005 x t [1+(t-1100) x 003] C (±) Die Grenzabweichungen gelten im Temperaturbereich Typ R und S 0 C bis 1600 C 0 C bis 1600 C --- Typ B C bis 1700 C 600 C bis 1700 C (1) Als Grenzabweichung für Thermoelemente gelten die festgelegten Werte in Grad Celsius oder die auf die tatsächlichen Temperaturen in Grad Celsius bezogenen Prozentsätze. Es gilt der jeweils höhere Wert. (2) Thermopaare und Thermodrähte werden üblicherweise so geliefert, dass die Grenzabweichungen nach obenstehender Tabelle für den Temperaturbereich oberhalb -40 C eingehalten werden. Die Abweichungen für Thermopaare des gleichen Materials können bei Temperaturen unterhalb von -40 C größer sein als die in Klasse 3 festgelegten Grenzabweichungen. Wenn Thermopaare benötigt werden, die die Grenzabweichungen nach den Klassen 1,2 und/oder 3 einhalten sollen, muß dies vom Besteller angegeben werden, wobei üblicherweise eine spezielle Selektion des Materials notwendig ist. t = Betrag der Temperatur in Grad Celsius 15

16 Diese Betriebsanleitung ist auch unter erhältlich. Fisher-Rosemount Geräte erfüllen alle Anforderungen hinsichtlich der in Europa gültigen Normen und gesetzlichen Festlegungen, die der CE-Kennzeichnungspflicht unterliegen. Rosemount Temperature GmbH Frankenstraße Karlstein Deutschland Tel. +49 (6188) Fax +49 (6188) Internet Fisher-Rosemount GmbH & Co. Argelsrieder Feld Weßling Deutschland Tel. +49 (8153) Fax +49 (8153) Internet Fisher-Rosemount AG Industriezentrum NÖ Süd Straße 2a, Obj. M Wr. Neudorf Österreich Tel. +43 (2236) Fax +43 (2236) /-55 Fisher-Rosemount AG Blegistraße Baar Schweiz Tel. +41 (41) Fax +41 (41) MFM A Rev. AA VD/Kroeber Printed in Germany Technische Änderungen vorbehalten