MESSEN VON STOFF- UND ENERGIESTRÖMEN TEMPERATURMESSUNG

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1 MESSEN VON STOFF- UND ENERGIESTRÖMEN TEMPERATURMESSUNG Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach Wintersemester 2015/ Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 1

2 Inhalte der Vorlesung Temperatur Grundlagen der Temperaturmessung Widerstandsthermometer Thermoelemente Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 2 2

3 TEMPERATUR Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 3

4 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: Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 4 4

5 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. Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 5 5

6 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. Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 6 6

7 Temperaturen von Objekten > C Sonnenkorona C Chromosphäre der Sonne C Erdkern C Oberfläche der Sonne C Flamme eines Schweißbrenners (Acetylen und Sauerstoff) C Glühdrähte der Lampen 950 C Flamme eines Gasherdes 800 C Streichholzflamme ca. 230 C Bügeleisen (Einstellung: Leinen) C Körpertemperatur eines gesunden Menschen 78,5 C Trockeneis (gefrorenes CO 2 ) 273,15 C absoluter Nullpunkt Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 7 7

8 GRUNDLAGEN DER TEMPERATURMESSUNG Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 8

9 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 Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 9 9

10 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 Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 10 10

11 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. Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 11 11

12 Messbereich in der Praxis Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 12 12

13 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. Abb.: Flüssigkeitsthermometer Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 13 13

14 Volumen- und Längenänderung (II) Bei Bimetallthermometern sind zwei Metalle mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten miteinander verschweißt; Temperaturänderungen bewirken so eine messbare Durchbiegung. Abb.: Bimetallthermometer Quelle: Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 14 14

15 Volumen- und Längenänderung (III) Dabei gilt näherungsweise für das Volumen V bzw. die Länge x: und V( T) V( T0 )*[1 ( T T0 )...] x( T) x( T0 )*[1 ( T T0 )...] T 0 : Bezugstemperatur in K, für die das gemessene Volumen V(T 0 ) α : bzw. die Länge x(t 0 ) des Sensormaterials bekannt ist : thermischer Volumenausdehnungskoeffizient in thermischer Längen- Ausdehnungskoeffizient in m 3 K m K Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 15 15

16 WIDERSTANDSTHERMOMETER Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 16

17 Widerstandsthermometer Bei Widerstandsthermometern wird die Abhängigkeit des elektr. Widerstands eines Leiters oder Halbleiters von der Temperatur genutzt. Abb.: Widerstand/Temperatur-Diagramm Daten aus: xls 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. Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 17 17

18 Temperaturabhängigkeit Die Abhängigkeit des Widerstandes von der Temperatur kann man beschreiben durch: 2 R( T) R0 *[1 T T...] α und β sind der lineare bzw. quadratische thermische Widerstandskoeffizient. R 0 ist der Widerstand bei einer Bezugstemperatur, z.b. bei T 0 = 0 C. In der Regel genügt es, in der Nähe der Bezugstemperatur von einer linearen Näherung auszugehen: R( T) R0 *(1 ' T) Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 18 18

19 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 Widerstandskoeffizient R: Widerstand in T: Temperatur in K 1 K 1 K Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 19 1 K 2 19

20 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 Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 20 20

21 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. Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 21 21

22 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. Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 22 22

23 Messschaltung Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 23 23

24 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-Ohm- Widerstandsthermometern der Messstrom 10 ma nicht überschreiten. Die Wärmekapazität des Messobjektes und eine ggfs. schlechte thermische Ankopplung sind bei der Dimensionierung des Messstromes zu berücksichtigen! Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 24 24

25 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. Abb.: Gewickelter Messwiderstand in Glasrohr Quelle: Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 25 25

26 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: widerstandsthermometer/4-messwiderstaende-auf-keramiktraeger Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 26 26

27 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. Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 27 27

28 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). Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 28 28

29 Bauform Abb.: Industrielle Bauform eines Widerstandsthermometers Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 29 29

30 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. Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 30 30

31 Zweileiterschaltung Bei der Inbetriebnahme wird der Leitungswiderstand dem Messumformer mitgeteilt und dieser korrigiert das Ausgangssignal dementsprechend. Abb.: Zweileiterschaltung Abb. nach: widerstandsthermometer/13-anschlussarten-von-messwiderstaenden R Ltg : Leitungswiderstand R t : Messwiderstand (z.b. PT100) Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 31 31

32 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. Abb.: Dreileiterschaltung Abb. nach: widerstandsthermometer/13-anschlussarten-von-messwiderstaenden Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 32 32

33 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. Abb.: Vierleiterschaltung Abb. nach: widerstandsthermometer/13-anschlussarten-vonmesswiderstaenden Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 33 33

34 Vorteile Widerstandthermometer Einsatzfähigkeit in hohen Temperaturbereichen Vibrationsfestigkeit Langzeitstabilität Hohe Robustheit Hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit von Messungen Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 34 34

35 THERMOELEMENTE Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 35

36 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 Abb.: Ladungsverschiebung zwischen zwei Metallen Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 36 36

37 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 T 0. Abb.: Aufbau eines Thermoelements Abb. nach: Parthier 2004, S. 60 Das Temperaturniveau T 0 ist bekannt. Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 38 38

38 Messung der Thermospannung Die Spannung U, die sich z.b. mit einem Multimeter messen lässt, ergibt sich unter Anwendung der Maschenregel zu: U U ACu( 2 T2 ) UAB( T1 ) UAB( T0 ) UACu( T ) 0 Man erkennt, dass die Thermospannungen, die beim Übergang zu den Kupferleitungen entstehen, sich kompensieren, sofern diese Klemmstellen dieselbe Temperatur T 2 aufweisen. Für die zu messende Spannung gilt schließlich: U U AB ( T0 ) UAB( T1 ) Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 39 39

39 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. Tabelle: Spannungsreihe bezogen auf Cu Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 40 40

40 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 (T Mess -T Vergl ) die gesuchte Temperatur T Mess leicht errechnet werden kann. Häufig verwendet: 0 C (Eispunkt) Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 41 41

41 Kalibrierkurve Bei der Kalibrierung wird der Zusammenhang zwischen den Messwerten und dem vereinbarten richtigen Wert der Messgröße ermittelt. (DIN ) 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 Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 42 42

42 Kalibrierkurve Tabellen für die Beziehung zwischen Thermospannung und der Temperatur gibt es z.b. in der DIN EN Liegt die erwünschte Messgenauigkeit innerhalb der Norm- Toleranzen, so ist die Norm verwendbar Wenn eine höhere Messgenauigkeit notwendig ist, muss eine entsprechende Kalibrierkurve erstellt werden Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 43 43

43 Grenzabweichung Die Einteilung der standardisierten Thermoelemente bezüglich der zulässigen Grenzabweichungen erfolgt in drei Klassen (Toleranzen) nach DIN EN , 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 Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 44 44

44 Grenzabweichung Zulässige Grenzabweichungen der Toleranzklasse 2 für verschiedene Thermoelementpaare: Tabelle: Auszug aus der DIN EN Quelle: DIN EN Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 45 45

45 Bewährte Metallkombinationen für TE Nickelchrom-Nickel-Aluminium (NiCr-NiAl) Platin-Platinrhodium (Pt-PtRh) Kupfer-Konstantan (Cu-CuNi) Eisen-Konstantan (Fe-CuNi) Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 46 46

46 Übersicht der verschiedenen TE Tabelle: Übersicht über verschiedene Thermoelementpaare Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 47 47

47 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. Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 48 48

48 Vorteile Thermoelemente sehr hohe Temperaturbereiche von -200 C bis über 1000 C schnelle Ansprechzeiten kleine Bauformen extreme Erschütterungsfestigkeit Langzeitstabilität hohe Robustheit Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 49 49

49 Bauarten von Thermoelementen Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 50 50

50 Quellen (Auszug) Tränkler, H.-R.: Taschenbuch der Meßtechnik mit Schwerpunkt Sensortechnik. Oldenbourg Verlag, München, Wien, 4. Auflage, Parthier, R.: Messtechnik. Grundlagen für alle technischen Fachrichtungen und Wirtschaftsingenieure. Vieweg Verlag, Wiesbaden, 2. Auflage, Hesse, S., Schnell, G.: Sensoren für die Prozess- und Fabrikautomation. Vieweg Verlag, Wiesbaden, Auflage, Irrgang, K.; Michalowsky, L. (Hrsg.): Temperaturmesstechnik. Vulkan- Verlag, Essen, 1. Auflage, Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 51 51

51 VIELEN DANK FÜR DIE AUFMERKSAMKEIT Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach 52