Neufassung der Richtlinie VDI/VDE 3522 Zeitverhalten von Berührungsthermometern

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1 Neufassung der Richtlinie VDI/VDE 3522 Zeitverhalten von Berührungsthermometern S. Augustin, T. Fröhlich, TU Ilmenau, Institut für Prozessmess- und Sensortechnik PF , Ilmenau Kurzfassung Die Erweiterung der Temperatureinsatzgrenzen von Temperaturfühlern infolge von Wirkungsgrad- und Prozessoptimierungen erforderte eine Neufassung der Richtlinie VDI/VDE 3522 aus dem Jahr 1987 [1], um auch das dynamische Verhalten von Temperaturfühlern bei hohen Temperaturen und Strömungsgeschwindigkeiten sowie bei Temperatursprüngen mit großen Temperaturdifferenzen zu berücksichtigen. Die dynamischen Kennwerte hängen auch von der Temperaturabhängigkeit der Materialdaten ab, diesem Umstand wurde in der Richtlinie ebenso Rechnung getragen wie der Temperaturabhängigkeit der Medienparameter. In diesem Sinne wurden auch die Prüfvorschriften und Vorrichtungen zur Bestimmung der dynamischen Kennwerte erweitert. Die Richtlinie wurde von den Mitgliedern des Richtlinienausschusses VDI/VDE-GMA FA 2.52 Berührungsthermometrie erarbeitet. Abstract The extension of the temperature application limits as a result of efficiency and process optimization required a recast of the guideline VDI/VDE 3522 from 1987 [1], also to taking account the dynamic behaviours of temperature sensors by high temperatures and velocities and by steps with large temperature differences. The dynamic behaviours also depend from the temperature dependence of material and medium parameters. In this sense the guidelines and the test equipment to determinate the dynamic behaviours was extended. The guideline was created by members of committee VDI/VDE-GMA FA 2.52 Berührungsthermometrie. 1 Einleitung Die im Jahr 1987 verabschiedete Richtlinie VDI/VDE 3522 Zeitverhalten von Berührungsthermometern berücksichtigt die Bestimmung der dynamischen Kennwerte von Berührungsthermometern bei Temperatursprüngen von 20 K im Bereich fluidischer Medien. Für Messungen in Luft wird dabei eine Strömungsgeschwindigkeit von v=1m/s sowie in Wasser von v=0,4m/s empfohlen. In diesen Bereichen kann davon ausgegangen werden, dass die Materialdaten der verwendeten Temperaturfühler konstant bleiben und die dynamischen Kennwerte nur von der Anfangshöhe des Temperatursprungs abhängen.

2 Die Prüfvorschriften der alten Richtlinie reichen jedoch für die Einsatzmöglichkeiten der Fühler z.b. in Kraftwerksanlagen, Abgassystemen von Verbrennungsmaschinen, in der chemischen Industrie usw. nicht aus. Beim Einsatz schneller Thermometer in diesen Anlagen kann es zu großen Temperaturdifferenzen bis zu einigen Hundert Kelvin kommen. In diesem Fall können die Temperaturabhängigkeit der kalorischen Kennwerte der verwendeten Materialien des Thermometers und die der Einbauarmatur sowie eventuell durch große Temperaturänderungen auftretende Geometrieänderungen innerhalb der Thermometer die Kenngrößen des dynamischen Verhaltens entscheidend beeinflussen. Es ist außerdem anzunehmen, dass sich das dynamische Verhalten durch die Temperaturabhängigkeit der Materialdaten darin unterscheidet, ob die Temperaturfühler erwärmt oder abgekühlt werden [2]. Die in den folgenden Bildern dargestellten Sprungantworten zeigen die Ergebnisse numerischer Berechnungen für ein Mantel- Thermoelement mit einem Durchmesser von d = 3,2 mm. Die Berechnungen wurden für einen Wärmeübergangskoeffizienten von α = W/m²K durchgeführt, Wärmeableitung zur Umgebung wurde nicht berücksichtigt. Bild 1: Vergleich der normierten Aufheiz- und Abkühlkurve eines Mantel-Thermoelements bei verschiedenen Temperatursprüngen (Ergebnis numerischer Berechnungen) Gleichzeitig musste bei der Überarbeitung der Richtlinie berücksichtigt werden, dass sich das dynamische Verhalten von Berührungsthermometern beim Einsatz in fluidischen Medien von dem dynamischen Verhalten bei der Messung mit Tast-Temperaturfühlern an Oberflächen stark unterscheidet und mit anderen Testeinrichtungen bestimmt werden muss. 2 Dynamisches Verhalten von Berührungsthermometern Ändert sich die Temperatur eines Mediums bzw. wird ein Thermometer in bzw. an ein Medium mit einer bestimmten Temperatur T M T S gebracht, folgt die Sensortemperatur T S (t) dem zeitlichen Verlauf der Mediumstemperatur T M (t) mit einer Verzögerung, deren Größe und Verlauf von verschiedenen Parametern und Einflussfaktoren bestimmt werden [3].

3 Zu unterscheiden ist, ob das Berührungsthermometer zur Messung in ruhenden bzw. strömenden Fluiden oder zur Messung in bzw. an Oberflächen eingesetzt wird. In der überarbeiteten Richtlinie (Blatt 1: Grundlagen und Kennwerte ) sind sowohl analytische Modelle zur Beschreibung des dynamischen Verhaltens von Berührungsthermometern (RC-Modelle) als auch numerische Modelle auf Basis der Lösung der Fourierschen Differentialgleichung der Wärmelehre mit Hilfe der Finiten Elemente Methode ausführlich beschrieben. 2.1 Temperaturmessung in Fluiden Bei einer Messung in strömenden Medien kann praktisch von einer Rückwirkungsfreiheit des Thermometers auf das Messmedium ausgegangen werden, d.h. der zeitliche Verlauf der Mediumstemperatur T M (t) ist unabhängig von der Sensortemperatur T S (t) und ihrem zeitlichen Verlauf sowie den Wärmetransportvorgängen zwischen Medium und Sensor bzw. innerhalb des Thermometers. 2.2 Temperaturmessung an Festkörpern Bei Temperaturmessungen an Oberflächen von Festkörpern liegt im Gegensatz zur Messung in bewegten Fluiden keine Rückwirkungsfreiheit vor, denn der zeitliche Verlauf der Temperatur T M (t) im Messobjekt wird vom Sensortemperaturverlauf T S (t) beeinflusst (Bild 2). Bei der Bestimmung der dynamischen Kennwerte von Oberflächen-Tast-Temperaturfühlern ist zu beachten, dass nach Aufsetzen des Tasters mit einer Temperatur T S0 zum Zeitpunkt t=0 auf einen Körper mit konstanter Oberflächentemperatur T O an der Berührungsstelle und in ihrer Nähe die Temperatur- und Wärmestromverteilung im Körper geändert wird. Es findet ein Einstellvorgang sowohl der Sensortemperatur T S (t) als auch der gestörten Oberflächentemperatur T OS (t) an der Kontaktstelle in ein neues thermisches Gleichgewicht statt. Durch die Überlagerung der Wärmetransportvorgänge und Temperaturverläufe im Messobjekt und im Temperaturfühler kann der Einstellvorgang einen starken Vorhaltecharakter bekommen (Bild 3). Der schnelle Anstieg der Sprungantwort im Anfangsbereich basiert auf dem Wärmeaustausch zwischen Temperatursensor und Messobjekt im direkten Umfeld des Tasters. Danach wird der Übergangsverlauf von den meist langsameren Wärmetransportvorgängen innerhalb des gesamten Messobjektes und des kompletten Temperaturfühlers bestimmt (langsames Kriechen an den Endwert).

4 Bild 2: Temperaturmessung am Festkörper [3] Bild 3: Typischer Temperaturverlauf bei der Temperaturmessung am Festkörper 3 Experimentelle Bestimmung von Zeitprozentkennwerten Die hier vorgestellten Messeinrichtungen (Richtlinie Blatt2: Experimentelle Bestimmung von Zeitprozentkennwerten ) erweitern die bisherige Richtlinie sowohl bezüglich des Temperaturbereiches als auch der auftretenden Strömungsgeschwindigkeiten. In den folgenden Ausführungen werden nur die neu aufgenommenen Prüfeinrichtungen vorgestellt. Bei allen Messungen ist die Höhe und Richtung der Temperatursprünge wegen möglicher Temperaturabhängigkeit der Kennlinien (besonders Nichtlinearität der Kennlinie von Thermoelementen) und der Temperaturabhängigkeit der Zeitkonstanten (besonders hervorgerufen durch Temperaturabhängigkeit der Materialdaten) zu berücksichtigen. 3.1 Messeinrichtung zur sprungartigen Beflammung eines Temperaturfühlers im Zweikanalverfahren Bild 4 zeigt eine Messeinrichtung, in der das dynamische Verhalten von Temperaturfühlern bei Beflammung untersucht werden kann (Anwendungsgebiet z.b. im Havariefall bei Flammendurchschlagssicherungen). Der Temperatursprung wird durch das Schwenken des Temperaturfühlers von Kanal 1 in Kanal 2 erzeugt. Mit dieser Einrichtung sind Temperatursprünge zwischen Raumtemperatur und bis zu 900 C möglich. Da die Strömungsgeschwindigkeit nicht aus einer reproduzierbar eingestellt werden kann, dient die Einrichtung zum Test der mechanisch-thermischen Stabilität der Fühler jedoch nicht zur Bestimmung der dynamischen Kennwerte aus einer reproduzierbaren sprungförmigen Temperaturänderung.

5 3.2 Messeinrichtung für Oberflächen-Tast-Temperaturfühler Für die Bestimmung der dynamischen Kennwerte von Oberflächen-Tast-Temperaturfühlern ist es wichtig, dass die Angabe der Kennwerte auf das Material des zu messenden Prüfkörpers und den Kontaktwiderstand zwischen Fühler und Oberfläche bezogen erfolgt. Die Kennwerte von Oberflächen-Tasttemperaturfühlern werden hier an passiven Prüfkörpern aus verschiedenen Materialien bestimmt. Empfohlen werden als Material für die passiven Prüfkörper Edelstahl, Aluminium und Kupfer [4]. Die maximal erreichbare Höhe des Temperatursprungs hängt vom verwendeten Material des Prüfkörpers ab (Bild 5). Bild 4: Messeinrichtung mit sprungartiger Beflammung Bild 5: Messeinrichtung für Oberflächen-Tast- Temperaturfühler 3.3 Messeinrichtung im Heißgaskanal Die Temperatur und die Strömungsgeschwindigkeit der in Bild 6 dargestellten Abgasmesseinrichtung können über die entsprechende Zufuhr von Kühlluft zum Abgas des Brenners eingestellt werden. Die zu untersuchenden Temperaturfühler werden in den Kanal eingebracht und dort auf die Mediumstemperatur erwärmt. Möglich sind in der hier dargestellten Anlage Strömungsgeschwindigkeiten bis zu 20 m/s und Temperaturen bis zu 700 C. Ein auf dieser Basis weiter entwickelter Prüfkanal erlaubt Strömungsgeschwindigkeiten bis zu 100 m/s und Mediumstemperaturen bis zu C [5].

6 Bild 6: Abgasmesseinrichtung (Quelle: AB Elektronik Sachsen GmbH) 4 Danksagung Die Autoren bedanken sich bei den Mitgliedern des Richtlinienausschusses VDI/VDE-GMA FA 2.52 Berührungsthermometrie für die konstruktive Zusammenarbeit und Unterstützung. Die vorliegenden Ergebnisse entstanden im Forschungsprojekt High Speed Multisensorik. Es wurde im Rahmen des Programms Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) des Bundesministeriums für Wirtschaft unter dem Förderkennzeichen KF JT0 gefördert. Die Autoren bedanken sich für diese finanzielle Förderung und bei der AiF- Geschäftsstelle für die organisatorische Unterstützung. 5 Literatur [1] VDI/VDE-Richtlinie 3522: Zeitverhalten von Berührungsthermometern ; VDI-Verlag GmbH, 1987 [2] S. Augustin, T. Fröhlich, H. Mammen, K. Irrgang, U. Meiselbach: Determination of the dynamic behaviour of high-speed temperature sensors, Measurement Science and Technology 23, IOP Publishing , online at stacks.iop.org/mst/23/074024, Juni 2012 [3] F. Bernhard (Herausgeber): Technische Temperaturmessung. Springer-Verlag, 2004 [4] Bernhard, Augustin, Mammen, Sommer, Tegeler, Wagner, Demisch, Trageser: DKD- Kalibrierung von Tastfühlern für Oberflächen-Temperaturmessungen, VDI-Berichte 1379, TEMPERATUR 98 [5] L. Lippmann, T. Fröhlich, S. Augustin, K. Irrgang, U. Meiselbach: Konzeption und Installation einer Versuchsanlage zur Prüfung und Untersuchung von Temperaturfühlern in Heißgasumgebung, Temperatur 2013, Juni 2013, PTB Berlin Kontakt: Dipl.-Ing. Augustin, Silke, Silke.augustin@tu-ilmenau.de, Tel.: / , Fax: /