Elektrische Temperaturmessung Mit und Thermoelementen Widerstandsthermometern Dipl. -Phys. Matthias Nau ULB Darmstadt Illlllllllllllllllllllll 16324639
1 Elektrische Temperaturmessung 7 1.1 Berührende Temperaturmessung 7 1.2 Berührungslose Temperaturmessung 8 1.2.1 Gesamtstrahlungspyrometer 9 1.2.2 Spektralpyrometer 9 1.2.3 Bandstrahlpyrometer 9 1.2.4 Strahldichtepyrometer 9 1.2.5 Verteilungspyrometer 9 1.2.6 Verhältnispyrometer 9 2 Der Temperaturbegriff 11 2.1 Die historische Temperaturskala 11 2.2 Die Temperaturfixpunkte 15 2.3 Die Temperaturskala nach ITS-90 15 3 Thermoelemente 17 3.1 Der thermoelektrische Effekt 17 3.2 Thermoelemente 21 3.3 Polarität der Thermospannung 21 3.4 Verhalten bei Bruch und Kurzschluss 22 3.5 Genormte Thermoelemente 23 3.5.1 Spannungsreihen 25 3.5.2 Grenzabweichungen 26 3.5.3 Linearität 28 3.5.4 Langzeitverhalten 28 3.6 Auswahlkriterien 30 3.6.1 Typ T" (Cu-CuNi) 31 3.6.2 Typ J" (Fe-CuNi) 31 3.6.3 Typ E" (NiCr-CuNi) 31 3.6.4 Typ K" (NiCr-Ni) 31 3.6.5 Typ N" (NiCrSi-NiSi) 32 3.6.6 Typ R", S" und B" 32 3.7 Genormte Ausgleichsleitungen 33 3.7.1 Farbkennzeichnung von Ausgleichsleitungen 34 3.8 Anschluss von Thermoelementen 35 3.9 Ausführung von Thermoelementen 38 3.10 Mantelthermoelemente 38 3.11 Fehlersuche 40
3.11.1 Mögliche Anschlussfehler und ihre Auswirkungen: 41 4 Widerstandsthermometer 43 4.1 Der temperaturabhängige Widerstand 43 4.2 Platinwiderstände 43 4.2.1 Berechnung der Temperatur aus dem Widerstand 45 4.2.2 Grenzabweichungen 47 4.2.3 Erweiterte Toleranzklassen 48 4.3 Nickelwiderstände 49 4.3.1 Grenzabweichungen 49 4.4 Anschluss von Widerstandsthermometern 50 4.4.1 Zweileiter-Technik 50 4.4.2 Dreileiter-Technik 51 4.4.3 Vierleiter-Technik 51 4.4.4 Zweileiter-Messumformer 52 4.5 Bauformen 53 4.5.1 Keramikwiderstände 53 4.5.2 Glaswiderstände 53 4.5.3 Folienfühler 55 4.5.4 Dünnschichtsensoren 55 4.6 Langzeitverhalten von Widerstandsthermometern 57 4.7 Fehler bei Widerstandsthermometern 58 4.7.1 Einfluss der Messleitung 58 4.7.2 Mangelnder Isolationswiderstand 58 4.7.3 Eigenerwärmung 59 4.7.4 Parasitäre Thermospannungen 60 5 Die Übergangsfunktion 61 6 Wärmeableitfehler 65 6.1 Maßnahmen zur Verringerung des Wärmeableitfehlers 67 7 Kalibrierung und Eichung 69 7.1 Kalibrierung 69 7.2 Der Deutsche Kalibrierdienst (DKD) 70 7.3 Eichung 71 8 Armaturen und Schutzrohre 73 8.1 Aufbau elektrischer Thermometer 73
8.1.1 Anschlussköpfe nach DIN 43 729 74 8.2 Standardisierte Thermometer und Schutzrohre 75 8.3 Anwendungsbezogene Thermometer 78 8.3.1 Widerstandsthermometer für starke Schwingungen 78 8.3.2 Widerstandsthermometer für die Lebensmittelindustrie 79 8.3.3 Widerstandthermometer für Wärmezähler 80 8.4 Anforderungen an das Schutzrohr 81 8.4.1 Metallische Schutzrohre 82 8.4.2 Schutzrohre für Schmelzen 83 8.4.3 Organische Beschichtungen 84 8.4.4 Keramische Schutzrohre 85 8.4.5 Keramische Isolationswerkstoffe 86 8.4.6 Sonderwerkstoffe 86 8.5 Einsatzbedingungen der Schutzrohre 87 8.5.1 Schutzrohr-Materialien bei Schmelzen 88 8.5.2 Beständigkeit gegen Gase 89 9 Explosionsgeschützte Betriebsmittel 91 9.1 Zündschutzarten 93 9.1.1 Zündschutzart Eigensicherheit i" nach DIN EN 50 020 93 9.1.2 Temperaturfühler und Explosionsschutz 93 9.2 Der eigensichere Stromkreis 94 9.3 Zusammenschalten von elektrischen Betriebsmitteln 94 10 Die Messunsicherheit 99 10.1 Der Messprozess 100 10.2 Die naive Sicht: Unsicherheitsintervall 100 10.3 Die GUM-Sicht: Standardmessunsicherheit 101 10.3.1 Die Rechteckverteilung 103 10.3.2 Die Dreiecksverteilung 103 10.3.3 Die Normalverteilung 104 10.4 Die Bestimmung der Messunsicherheit nach dem GUM 104 10.5 Die industriell-ökonomische Sicht: Erweiterte Messunsicherheit... 104 10.6 Messunsicherheitsanteile einer Temperaturmesskette 105 11 Anhang 113 11.1 Übersicht Stahlsorten und ihre verschiedenen Bezeichnungen 113 11.2 Formeln zur Temperaturumrechnung 114
11.3 Spannungsreihe der Thermoelemente 116 11.3.1 Eisen-Konstantan (Fe-CuNi) J" 117 11.3.2 Kupfer-Konstantan (Cu-CuNi) U" 120 11.3.3 Kupfer-Konstantan (Cu-CuNi) T" 121 11.3.4 Eisen-Konstantan (Fe-CuNi) L" 122 11.3.5 Nickel-Chrom-Nickel (NiCr-Ni) K" 123 11.3.6 Nickel-Chrom-Konstantan (NiCr-CuNi) E" 128 11.3.7 Nicrosil-Nisil (NiCrSi-NiSi) N" 130 11.3.8 PlatinRhodium-Platin (Pt10Rh-Pt) S" 134 11.3.9 PlatinRhodium-Platin (Pt13Rh-Pt) R" 139 11.3.10 PlatinRhodium-Platin (Pt30Rh-Pt6Rh) B" 144 11.4 Grundwerte für den Pt 100 149 11.5 Grundwerte für den Ni 100 152 12 Normen und Literatur 153 12.1 Normen 153 12.2 Literatur 154 Index 155