Temperaturmesstechnik: Grundlagen

Warum ist die Temperaturmesstechnik wichtig?

Die Temperaturmesstechnik ist deshalb so wichtig, weil sie eine entscheidende Rolle für die Qualität der Endprodukte und die Sicherheit der Anlage spielt. Dies erklärt sich dadurch, dass die Temperatur beispielsweise einen erheblichen Einfluss auf verschiedene Aspekte wie Geschmack, Viskosität, Dichte, Löslichkeit und den Aggregatzustand eines Produkts haben kann.

In diesem Zusammenhang stellt sich die Frage, wie die Temperatur überhaupt definiert ist. Kurz gesagt kann die Temperatur als physikalische Größe der Wärmeenergie definiert werden, die den Grad der kinetischen Energie der Teilchen misst. Je höher die kinetische Energie eines Teilchens ist, desto höher ist die Temperatur und umgekehrt.

Wie misst man die Temperatur bei industriellen Anwendungen?

Es gibt verschiedene Temperaturmessgeräte zur Messung der Temperatur in industriellen Bereichen. Die am häufigsten verwendeten Sensoren sind Bimetall-Thermometer, Industrielle Thermometer mit Thermoelementen oder Widerstandstemperaturfühlern, auch RTDs genannt, und Temperaturtransmitter.

Bimetall-Thermometer

Bimetallische Thermometer, auch Bimetall-Thermometer oder Temperaturmessgeräte genannt, bestehen aus zwei verschiedenen Metallen mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten. Bei Erwärmung dehnt sich das eine Metall stärker aus als das andere, wodurch eine Verformung entsteht. Die Verformung wird mechanisch übertragen, um einen Zeiger in einer Skala zu bewegen, an dem die Temperatur gemessen und abgelesen werden kann. Bimetall-Thermometer sind eine ausgezeichnete und kostengünstige Lösung für die lokale Messung und Anzeige der Temperatur.

Zu den Bimetall-Thermometern

Abbildung 1 - Aufbau von Bimetall-Thermometern

Abbildung 1 - Aufbau von Bimetall-Thermometern


Bimetall-Thermometer – Vorteile:

  • Kostengünstig und zuverlässig
  • Benötigen keine Spannungsversorgung
  • Gute Option für lokale Anzeige

Bimetall-Thermometer – Einschränkungen:

  • Interne bewegliche Teile müssen möglicherweise im Laufe der Zeit gewartet werden
  • Eine Neukalibrierung und Korrektur kann im Laufe der Zeit erforderlich sein
  • Kein Ausgangssignal verfügbar

Thermoelemente

Abbildung 2 - Funktionsweise von Thermoelementen

Abbildung 2 - Funktionsweise von Thermoelementen

Thermoelemente funktionieren auf der Grundlage des Seebeck-Effekts, bei dem ein Drahtpaar aus zwei elektrischen Leitern aus unterschiedlichen Materialien in einem Punkt, der so genannten Messstelle, zusammengeführt wird. Eine Spannung kann zwischen den beiden Drähten, der sogenannten Vergleichsstelle, je nach gemessener Temperatur gemessen werden. Thermoelemente gibt es in verschiedenen Materialien, die unterschiedliche Typenbezeichnungen haben und für unterschiedliche Temperaturbereiche geeignet sein.

Typ K (Chromel-Alumel) ist das gebräuchlichste Thermoelement: ein preiswerter und zuverlässiger Sensor für einen Temperaturbereich von -200 bis 1300 °C. Für anspruchsvollere Anwendungen, mit höheren Temperaturen, können Thermoelemente aus Edellegierungen mit Platin und Rhodium, wie die Thermoelemente Typ B, R und S, Temperaturen über 1600 °C messen.

Für Thermoelemente sind spezielle Kabel erforderlich. Wenn die Verbindung mit einem Kabel aus einem anderen Material als das Thermoelement hergestellt wird, entsteht durch die Verbindung zwischen dem Thermoelement und dem Kabel ein weiteres Thermoelement, das ebenfalls eine Spannung erzeugt, was zu Fehlern im Messwert führt. Aus diesem Grund müssen die Verlängerungs- und Ausgleichsleitungen für Thermoelemente speziell für diesen Zweck ausgelegt sein. Bei großen Entfernungen kann die Spezialverkabelung teuer werden, und das System ist anfällig für Störungen. Aus diesem Grund empfiehlt es sich, einen Temperaturtransmitter in der Nähe des Sensors zu verwenden, der die gemessene Temperatur über ein standardisiertes und robustes Analogsignal, wie 4-20 mA, 0-10 V oder digitale Kommunikationsprotokolle, überträgt.


Thermoelemente – Vorteile:

  • Kostengünstig und zuverlässig
  • Verschiedene Versionen für unterschiedliche Temperaturbereiche
  • Unterstützen höhere Temperaturen im Vergleich zu RTDs
  • Schnellere Reaktionszeit im Vergleich zu RTDs
  • Kann an einen Temperaturtransmitter angeschlossen werden

Thermoelemente – Einschränkungen:

  • Kein lineares Signal
  • Niederspannungssignal, anfällig für elektrisches Rauschen
  • Erfordert spezielle Verkabelung
  • Die Genauigkeit kann im Laufe der Zeit abweichen, was eine Neukalibrierung erforderlich macht

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Widerstandsthermometer (RTDs)

Widerstandsthermometer, auch bekannt als "resistance temperature detectors" (RTD), sind Temperatursensoren aus metallenem Material, bei denen sich der elektrische Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur ändert. Die Beziehung zwischen Temperatur und elektrischem Widerstand ermöglicht es schließlich, die Temperatur zu messen. Das gebräuchlichste Material für Widerstandsthermometer ist Platin, das bei Pt100- und Pt1000-Widerstandsthermometern verwendet wird und einen gut definierten, stabilen und linearen Widerstandswert liefert. Es können jedoch auch preiswertere Materialien wie Kupfer und Nickel für RTDs verwendet werden.

RTDs können je nach Hersteller und Modell unterschiedlich aufgebaut sein. Die beiden gebräuchlichsten Bauformen sind der drahtgewickelte RTD und der Dünnschicht-RTD. Drahtgewickelte RTDs sind genauer und können in einem größeren Temperaturbereich arbeiten. Sie sind jedoch teurer und weniger widerstandsfähig gegen mechanische Beanspruchung als Dünnschicht-RTDs. Dünnschicht-RTDs sind außerdem kompakter und haben ein besseres Ansprechverhalten an der Sensorspitze.

Abbildung 3 - Drahtgewickelter RTD (oben); Dünnschicht-RTD (unten)

Abbildung 3 - Drahtgewickelter RTD (oben); Dünnschicht-RTD (unten)

RTDs gibt es in einer 2-, 3- oder 4-Leiter-Technik. Bei RTDs wird der Sensorwiderstand gemessen. Allerdings summiert sich der Kabelwiderstand mit dem Sensorwiderstand und kann je nach Kabellänge einen erheblichen Einfluss auf die Genauigkeit haben. 3- und 4-Leiter-Widerstandsthermometer wurden für den Anschluss an einen kompensierenden Stromkreis konzipiert, der den Leitungswiderstand kompensieren kann. Dadurch wird sein Einfluss auf die Messung verringert, wobei eine 4-Leiter-Version die genaueste von allen ist. In jedem Fall ist es empfehlenswert, für den Anschluss von Sensoren über große Entfernungen einen Temperaturtransmitter in der Nähe des Sensors zu verwenden. Auf diese Weise wird der elektrische Widerstand der Verkabelung den Messwert nicht beeinflussen.

Lernen Sie die Widerstandsthermometer kennen


Widerstandsthermometer (RTDs) – Vorteile:

  • Genauere Messung im Vergleich zu Thermoelementen
  • Linearer und stabiler im Vergleich zu Thermoelementen
  • Kann an einen Temperaturtransmitter angeschlossen werden
  • Erfordert keine spezielle Verkabelung

Widerstandsthermometer – Einschränkungen:

  • Teurer im Vergleich zu Thermoelementen
  • Normalerweise für Temperaturen unter 600 °C ausgelegt
  • Kabelwiderstand kann den Messwert beeinflussen

Tauchhülsen

Tauchhülsen werden eingesetzt, um den Temperaturfühler vor Abrieb, Korrosion, Vibrationen und mechanischen Einwirkungen zu schützen. Die Tauchhülse ist im Prinzip ein Rohr mit einem geschlossenen Ende, das als Mantel für den Temperaturfühler dient. Sie schützt nicht nur den Temperatursensor, sondern ermöglicht auch das Entfernen oder Ersetzen eines Sensors, ohne den Prozess unterbrechen zu müssen.

Bei der Auswahl einer Tauchhülse ist es wichtig, einige Aspekte wie Innen- und Außendurchmesser, Länge, Material, Prozessanschluss und Design zu berücksichtigen, die mit dem einzusetzenden Sensor kompatibel sein sollten.

Entdecken Sie die Tauchhülsen

Abbildung 4 - Temperaturfühler und Tauchhülse

Abbildung 4 - Temperaturfühler und Tauchhülse


Tauchhülsen – Vorteile:

  • Bietet mechanische Festigkeit für den Sensor
  • Sensoren können entfernt oder ausgetauscht werden, ohne dass der Prozess unterbrochen werden muss

Tauchhülsen – Einschränkungen:

  • Erhöht die Ansprechzeit des Sensors
  • Erhöht den Druckverlust aufgrund des größeren Platzbedarfs

Temperaturtransmitter

Abbildung 5 - Kopftransmitter (links), Hutschienentransmitter (rechts)

Abbildung 5 - Kopftransmitter (links), Hutschienentransmitter (rechts)

Temperaturtransmitter werden für die Übertragung des Messsignals über große Entfernungen verwendet. Sie verwenden ein standardisiertes Analogsignal wie z. B. 4-20 mA oder digitale Kommunikationsprotokolle, die sehr robust und unempfindlich gegen elektrisches Rauschen sind. Kompakte Thermometer können über einen integrierten Temperaturtransmitter verfügen, aber auch ein eigenständiger Sensor kann an Hutschienen- und Kopftransmitter angeschlossen werden, die mit den meisten Thermoelement- und RTD-Typen kompatibel sind.

Einige Modelle von Temperaturtransmittern bieten auch die Möglichkeit der Parametrierung, Kalibrierung, integrierten Diagnose und anderer Funktionalitäten.

Entdecken Sie die Hutschienen- und Kopftransmitter


Temperaturtransmitter – Vorteile:

  • Robustes industrielles Analogsignal für große Entfernungen
  • Bietet je nach Modell Parametrierung, Kalibrierung und Diagnose
  • Kompatibel mit einer Vielzahl von Temperatursensoren

Temperaturtransmitter – Einschränkungen

  • Zusätzliche Kosten

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Wie wählt man ein industrielles Temperaturmessgerät aus?

Viele Faktoren können die Auswahl eines Temperatursensors beeinflussen. Aufgrund der vielen technischen Aspekte, die berücksichtigt werden müssen, kann die richtige Auswahl eine Herausforderung sein und viel Zeit in Anspruch nehmen. Durch die Beantwortung einiger Leitfragen ist es jedoch möglich, eine bessere Orientierung für die Auswahl zu erhalten.

1) Was ist die Anwendung?

Es ist wichtig die Anwendung zu kennen, z.B. ob es darum geht, die Temperaturen von Flüssigkeiten und Gasen in einem Rohr oder Tank, die Umgebungstemperatur in einem Raum oder sogar die Temperatur einer Oberfläche zu messen. Jeder Sensor ist für eine bestimmte Aufgabe konzipiert und kann bei zweckentfremdeter Verwendung schlecht funktionieren. Daher ist es wichtig zu prüfen, ob der Sensor für die Anwendung geeignet ist.

2) Welcher Temperaturbereich ist erforderlich?

Jeder Temperatursensor ist für einen bestimmten Temperaturbereich ausgelegt. Bei Anwendung außerhalb der Bereichsgrenzen können Ungenauigkeiten, Fehlfunktionen und sogar Schäden am Messelement verursacht werden.

3) Wie hoch ist die erforderliche Genauigkeit und Reaktionszeit?

Bei Temperatursensoren gibt es unterschiedliche Klassen von Genauigkeit und Reaktionszeit. Daher ist es wichtig zu prüfen, ob der ausgewählte Sensor die Prozessanforderungen erfüllt.

4) Was sind die Installationsbedingungen?

Temperaturfühler können unterschiedliche Einbaulängen, Fühlerdurchmesser und Prozessanschlüsse haben. Aus diesem Grund lohnt es sich zu prüfen, ob die Abmessungen und Anschlüsse des ausgewählten Sensors mit dem Installationsort kompatibel sind.

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