Messtechnik 2 Übersicht

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1 Messtechnik 2 Übersicht Grundlagen Geometrische und mechanische Größen Optische Größen Messen aus Bildern Schwerpunktthema Temperatur Druck Durchfluss, Viskosität, Dichte, Füllstand Akustische Größen Ionisierende Strahlung 1

2 Elektrisches Messen nichtelektrischer Größen Messgröße Definition, Einheit Physikalische Effekte Sensoren, Bauarten, Randbedingungen Vor- und Nachteile 2

3 Temperatur Kelvin [K] Energetische Zusammenhänge im idealen Gas E kin = 3 2 k BT pv = Nk B T k B Boltzmann Konstante, N Teilchenanzahl, p Druck Die häufigste Messgröße in der Verfahrenstechnik Wirtschaftlich bedeutend Normung der wichtigsten Messverfahren Berührungsthermometer Strahlungsthermometer 3

4 Berührungstermometer Zeigt eigene Temperatur an! Einbau so, dass Temperatur des Mediums angenommen werden kann geringe Störung des Temperaturfeldes repräsentative Stelle bei großen Volumen geringe Temperaturabfuhr durch den Sensor Richtlinien für Einbau: VDI/VDE 3511 Technische Temperaturmessung 4

5 Berührungstermometer Bauarten/T-Bereich [Hoffmann, TB der MT] 5

6 Seebeck-Effekt (Thermoelektrischer Effekt) Physikalischer Effekt, für ein Material! Zwischen den Enden eines stromlosen Leiters, der einen Temperaturgradienten aufweist, baut sich eine Potentialdifferenz die Thermospannung U TH auf. [Tränkler, Obermeier, Sensortechnik] Für ein homogenes Material: T U TH = α 1 S T0 dt S Seebeck-Koeffizient 6

7 Thermoelement / Thermopaar Nutzt den Seebeck-Effekt Punktförmige Verbindung zweier unterschiedlicher Leiter U TH T 0, T 2 = α A α B T 2 T 0 = k AB T Materialien A, B; Seebeck-Koeffizienten A, B Empfindlichkeit k AB [mv/k] auch: relativer Seebeck-Koeffizient d. Materialpaares A,B [Hoffmann, TB der MT] 7

8 Thermoelemente Kennlinie Abhängig vom Materialpaar A, B; Nichtlinear Zur vollständigen Beschreibung sind neben k AB auch noch Koeffizienten höherer Ordnung nötig [Hoffmann, TB der MT] 8

9 Einbau von Thermoelementen Messeinsätze ohne/mit Schutzrohr: [Hoffmann, TB der MT] 9

10 Mantelthermoelemente Bauarten Flink vs. träge Korrosionsgefahr Mantel Elektrisch leitende/isolierte Verbindung [Hoffmann, TB der MT] 10

11 Thermoelemente Diskussion Empfindlichkeit, Kennlinie Genauigkeit zb (1,5ºC oder 0,004 ) Vergleichsstelle: T 0 muss bekannt sein! Thermostat: T 0 bekannt und konstant halten Kompensation: von T 0 abhängige Spannung addieren Ausgleichsleitung Ausführung Messeinsatz Mantelthermoelement Signalverarbeitung: mv Messverstärker Punktförmige, Messung möglich Trägheit abhängig von Bauart Größter Temperaturbereich aller besprochenen T-Sensoren: (1800) C 11

12 T Abhängigkeit d. Elektr. Widerstandes Mehrere physikalische Effekte können genutzt werden: Metall-Widerstandsthermometer Ohm scher Widerstand: T R R T = R α T T 0 + β(t T 0 ) 2 Heißleiter Eigenleitfähigkeit im Halbleiter: T R R T = R 0 e b 1 T 1 T 0 = K 0 e b/t Kaltleiter Halbleiter + ferroelektrisches Material: Ab Curie-Temperatur (Auflösung der Ausrichtung der Kristallite): T R exponentiell 12

13 Metall-Widerstandsthermometer (1) Wenn in C, und << : R θ = R 0 (1 + αθ) R 0 : Nennwiderstand bei 0 C Material: Z.B. Pt-100: 100 bei 0 C Kennlinien: [Hoffmann, TB der MT] 13

14 Metall-Widerstandsthermometer (2) Bauarten: [Hoffmann, TB der MT] 14

15 Metall-Widerstandsthermometer (3) Diskussion, Vergleich mit Thermoelement: Genauer Träger Keine punktförmige Messung möglich Max. bis 850 C Keine Referenztemperatur nötig Billiger 15

16 Heißleiter negative temperature coefficient (NTC) resistor (auch: Thermistor) Stark nichtlineare KL Hohe Empfindlichkeit Hoher Nennwiderstand Punktförmige Messung Große Stücktzahlen Billig [Hoffmann, TB der MT] 16

17 Kaltleiter positive temperature coefficient (PTC) resistor Sehr hoher T-Koeffizient Sehr empfindlich Schmaler Messbereich Punktförmige Messung Ungenau, große Streuung Einfache Überwachungsaufgaben [Hoffmann, TB der MT] 17

18 Temperaturmessung im Silizium Physikalische Effekte: Ausbreitungswiderstand bei Störstellenerschöpfung Beweglichkeit der Ladungsträgerpaare sinkt: T R T-abhängigkeit des pn-übergangs in einer Diode I S k e 0 Sättigungsstrom I = I S e e 0U/kT U = k e 0 ln I I S Boltzmannkonstante Elementarladung T 18

19 Si Widerstands-Temperatursensor Störstellenerschöpfung wird erreicht durch d D R = ρ 2d n-dotiertes Si, dotierungsabhängiger T-Koeffizient dρ Hohe Genauigkeit Symmetrische Ausführung: Polaritätsunabhängig, Kontaktierung nur von oben Nicht exakt lineare KL: R T = R α T T 0 + β(t T 0 ) 2 dt [Hoffmann, TB der MT] 19

20 Si Sperrschicht-Temperatursensor Transistor, Basis-Emitter Diode: U = k T e 0 I S Konstantstromquelle I einprägen streng lineare KL U/T ln I Sensor und Verstärker in einem Bauelement Problem der starken Streuung von I S 2 eng benachbarte Transistoren mit I 1 und I 2 betreiben, I S1 I S2 annehmen: 20

21 Quarztemperatursensor Unterschiedliche Schnittwinkel kein (für Frequenzgeber) oder hoher Temperaturkoeffizient (für Temp-Sensor) Frequenz sehr genau messbar gute Auflösung! Signalverarbeitung: Frequenzmessung f T = f α T T 0 + β(t T 0 ) 2 +γ(t T 0 ) 3 [Hoffmann, TB der MT] 21

22 Faseroptisches Lumineszenzthermometer Glasfaser, Lichtimpuls, lumineszierende Substanz wird angeregt Messung von entweder T-abh. Wellenlänge des Lumineszenzlichtes, oder T-abh. Abklingzeit Einsatz bis 300 C potentialfreie Übertragung Messen bei hohen elektrischen Potentialen möglich keine Störung durch elektromagnetische Felder Einsatz im explosionsgefährdeten Bereich 22

23 Strahlungsthermometer 23

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