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Dipl.-Wirtsch.-Ing.
Ralf D. Scholz

Stand 7/17

  

Temperatur

Anwendungstechnik Temperatur + Temperieren.

Eine Serviceleistung von INELEKTRO für unsere Kunden.
Die Temperatur ist eine der am häufigsten gemessenen physikalischen Größen. Trotzdem gehört die exakte Temperaturmessung zu einer der schwierigsten Aufgaben in der Automations- und Prozeßtechnik. Auf dieser Seite wollen wir Ihnen einige Tipps für die genaue, zuverlässige und wiederholbare Temperaturmessung geben. Falls Sie diesbezüglich Fragen haben, sprechen Sie uns an- wir helfen gern. Weitere Infos zur Temperatur-Sensorik + Meßtechnik finden Sie am Ende dieser Seite.

Auswahl des richtigen Temperaturfühlers
zur Wahl des geeigneten Temperaturfühlers müssen die Anforderungen an den Temperaturbereich, die Antwortzeit, Genauigkeit, Zuverlässigkeit, Robustheit und die Lebensdauer des Temperaturfühlers festgelegt werden.
Ebenso die Umgebungsbedingungen mit den chemischen und phsikalischen Eigenschaften des zu  messenden Mediums, die Plazierung sowie die verwendete Meßmethode. Die kurze Übersicht in der nachfolgenden Tabelle soll Sie bei der Auswahl zwischen Thermoelementen und Widerstandsthermometern unterstützen. Spezielle Anwendungsfälle müssen gesondert betrachtet werden, auf jeden Fall sollten ausreichende Schutz- und Montagevorrichtungen vorgesehen werden.

 

Widerstandthermometer

Thermoelemente

Abmessungen

vergleichsweise große Sensorfläche

sehr kleine möglich

Anschlußleitungen

Instrumenten-
Kupferleitung

Thermomaterial oder
Sonderwerkstoffe

Antwortzeiten

lang

kurz

Genauigkeit

sehr gut

gut

Oberflächen-
Temperatur-Messung

im allg. nicht geeignet

geeignet

Langzeitstabilität

ausgezeichnet

befriedigend

Mess-Stelle

über die Länge des Meßwiderstandes

punktförmig

Robustheit

gut

sehr gut

Preis

relativ teuer

preiswert

Selbsterwärmung

muß berücksichtigt werden

tritt nicht auf

Temperaturbereich

kleiner möglich

großer möglich

Vergleichsstelle

nicht erforderlich

erforderlich

Versorgung mit Meßstrom

erforderlich

nicht erforderlich

Vibrations-
beständigkeit

relativ empfindlich

sehr robust













































Dieser Vergleich bezieht sich auf durchschnittliche Erfahrungswerte und durch spezielle Fühlerkonstruktionen können diese Eigenschaften etwas modifiziert werden.
Thermoelemente sind die bei weitem am häufigsten verwendeten Temperaturfühler der industriellen Meßtechnik. Sie sind preiswert, einfach in Aufbau und Funktion, vielseitig einsetzbar, robust und kompakt. Je nach Bauform können Thermoelemente sehr empfindlich sein und ein schnelles Ansprechverhalten zeigen. Sie decken einen sehr großen Temperaturbereich ab und erscheinen daher für alle Arten von Temperaturmessungen ideal.
Allerdings sind sie weniger genau als Widerstandsthermometer und benötigen zur Bestimmung der absoluten Temperatur eine Vergleichsstelle. Das Ausgangssignal liegt im µV-Bereich und folgt der zu messenden Temperaturdifferenz nicht linear. Daher erfordern Thermoelemente im industriellen Einsatz also Lineariserung und Verstärkung. Es ist schwierig die Lebensdauer für unedle Thermoelemente vorherzusagen: Diese hängt in erster Linie von der Anwendungstemperatur, dem Drahtdurchmesser und der Qualität der Messstelle ab. Vor allem ist die Oxidation das Hauptproblem. Als Faustregeln kann man aber festhalten, dass sich die Lebensdauer oberhalb von 500°C bei Zunahme von je 50K halbiert. Und dass sich die Standzeit um das zwei- bis dreifache verlängert, wenn der Drahtdurchmesser verdoppelt wird. Schwankungen zwischen Umgebungstemperatur und 500°C halbieren die Lebensdauer gegenüber dem Betrieb bei konstanter Temperatur. Darüber hinaus ist die Wahl des Isolationsmaterials, des Schutzhüllenmaterials und der Materialkombination ein wesentlicher Faktor für die Standzeit.
Thermoelemente haben neben diesen in der Praxis sehr beliebsten Vorteilen einige wesentliche Nachteile: Ganz oben stehen die leider unvermeidbaren metallurgischen Inhomogenitäten in den Thermodrähten, und das hat Einfluß auf die Genauigkeit und Langzeitstabilität. Hinzu kommt ein nichtlineares Temperatur/Spannungs-Verhältnis und Thermopaare zeigen Hysterese-Erscheinungen. Weiter zu berücksichtigen sind die zusätzlichen Kosten für Thermo- und Ausgleichs-Leitungen, die Notwendigkeit einer Vergleichsstelle und das relativ schwache Ausgangssignal.

Im Vergleich zu Thermoelementen sind
Widerstandsthermometer sehr viel genauer und stabiler und erlauben außerdem eine sehr viel bessere Auflösung. Widerstandsthermometer bieten derzeit die beste erreichbare Meßgenauigkeit mit elektrischen Temperaturfühlern. Allerdings können Sie nur in einem recht engen Temperaturbereich (üblicherweise -200°C bis 350°C) eingesetzt werden. Mit speziellen Konstruktionsmaßnahmen und Sonderlegierungen können bis zu 800°C erreicht werden, während Thermoelemente durchaus bis zu 2500°C messen können. Der Temperaturgang von Meßwiderständen ist wesentlich unkomplizierter als die thermoelektrischen Eigenschaften von Thermopaaren, was Linearisierung und Signalverstärkung wesentlich vereinfacht. Beispielsweise liefert ein typischer Meßwiderstand vom Typ Pt100 bei einer Temperaturänderung von 10K mit einem Meßstrom von 1mA ein Ausgangssignal von 3 bis 4 mV.
Aber auch Widerstandsthermometer haben ihre Schwachstellen: Gegenüber der punktförmigen Meßspitze von Thermoelementen mißt ein Widerstandsthermometer über das gesamte Volumen des Meßwiederstandes mit einem in Folge langsameren Antwortverhalten als Thermoelemente. Widerstandsthermometer sind weniger robust und benötigen eine Stromquelle, auch ist bei der Konstruktion und Installation der Selbsterwärmungseffekt zu berücksichtigen. Widerstandsthermometer sind etwa zwei- bis dreimal so teuer als vergleichbare Thermoelemente. Hier wird dieses Verhältnis mehr und mehr durch moderne Dünnschichtsensoren verändert.
Starke Vibrationen oder Erschütterungen müssen in speziellen Fühler-Konstruktionen berücksichtigt werden.
In den meisten Fällen bietet sich Platin als Widerstandsmaterial an, alternativ können im eingeschränkten Temperaturbereich Kupfer, Nickel oder Nickel-Legierungen verwendet werden.
In nachstehender Tabelle sind die empfohlenen Temperaturbereiche aufgelistet. Allerdings sind Messungen oberhalb der max. Betriebstemperatur nur möglich, wenn für kontrollierte Einsatzbedingungen spezielle konstruktive Maßnahmen beim Bau der Temperaturfühler ergriffen werden. Meßwiderstände aus Kupfer können zur Temperaturmessung bis -200°C eingesetzt werden. Ab -200°C empfiehlt es sich, die jeweiligen Meßwiderstände individuell zu kalbrieren.
Außer den oben erwähnten Metallen werden bei tiefen Temperaturen vereinzelt Rhodium-Eisen-Legierungen oder Germanium eingesetzt.
Bei mittleren Temperaturen greift man unter anderem auch auf Metalloxyde oder Halbleitermaterialien zurück.

 

Betriebstemperaturen

 

min.

max.

erweitert

Metall-Meßwiderstände

   

Kupfer (Cu)

-100°C

+100°C

+150°C

Nickel (Ni)

-60°C

+180°C

+350°C

Platin (Pt)

-200°C

+600°C

+850°C

Halbleiter-Meßwiderstände

   

Metalloxide

-100°C

+200°C

+600°C

Silizium

-160°C

+160°C

+200°C
















Die diversen
Methoden zur Messung und Auswertung der von Thermopaaren oder Widerstandsthermomtern erzeugten Signale sollen hier nur in einer Übersicht aufgelistet werden, so z.B. für die

         
von Thermopaaren erzeugten Thermospannungen
                       direkte Anzeige der Thermospannung
                       Kompensationsverfahren
                       Nullpunktverschiebung bei thermospannungen
                       Verstärker für Thermopaare
                       digitale Voltmeter
                       digitale Temperaturanzeigen für Thermopaare
         
von Widerstandsthermometern erzeugten Signalen
                        Meßbrücke für Widerstandsthermometer
                        Meßbrücke in
2-Leitertechnik
                        Meßbrücke in 3-Leitertechnik
                        Meßbrücke in 4-Leitertechnik
                        Messung von Temperaturdifferenzen
                        Konstantstromquellen mit 2-Leiterschaltung
                        Konstantstromquellen mit 4-Leiterschaltung
                        Verstärker für Widerstandsthermometer
                        Digitale Meßgeräte für Widerstandsthermometer
                       
Datenlogger zur Registrierung von Temperaturverläufen

Ein kompetentes, humorvolles
Handbuch zur Temperiertechnik mit viel Know-how und zahlreichen Anwendungs-Tipps finden Sie mit Klick hier.

Falls Sie zu diesen Ausführungen
oder zur
berührungslosen Infrarot-Temperaturmessung,
zur Temperatur-Regelung
oder zur elektronischen Speicherung und Auswertung von Temperaturdatenverläufen weitere Fragen haben,
sprechen Sie uns an oder mailen Sie.

Wir freuen uns über Ihr Interesse und helfen gern.

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