Ein wenig Omega-Know-how

In industriellen Verarbeitungsanwendungen ist die Temperaturmessung oft von größter Bedeutung – und das aus einer Vielzahl von Gründen. Sie dient beispielsweise als grundlegender Kontrollparameter, der die Qualität und Konsistenz der hergestellten Produkte, die Prozesseffizienz und vor allem die Sicherheit beeinflusst. Durch eine genaue Überwachung wird sichergestellt, dass die Materialien innerhalb der vorgegebenen Temperaturbereiche verarbeitet werden, wodurch Fehler vermieden und die Produktintegrität gewährleistet wird.

Die Temperatur kann mit einer Vielzahl von Sensoren gemessen werden, die alle die Temperatur durch Erfassen einer Veränderung einer physikalischen Eigenschaft ableiten. Die sechs Typen, mit denen ein Ingenieur am ehesten in Berührung kommt, sind:

• Thermoelemente
• Widerstandsthermometer
• Infrarotstrahler
• Bimetall-Thermometer
• Flüssigkeitsausdehnungs-Thermometer
• Zustandsänderungs-Thermometer

Die Arbeitstiere

In der chemischen Prozessindustrie sind Thermoelemente, Widerstandsthermometer und Infrarot-Sensoren die am häufigsten verwendeten Temperatursensoren. Es gibt weit verbreitete Missverständnisse darüber, wie diese Geräte funktionieren und wie sie verwendet werden sollten.

Thermoelemente

Betrachten wir zunächst das Thermoelement – wahrscheinlich das am häufigsten verwendete und am wenigsten verstandene der drei Geräte. Im Wesentlichen besteht ein Thermoelement aus zwei Legierungen, die an einem Ende miteinander verbunden und am anderen Ende offen sind. Die EMK am Ausgangsende (dem offenen Ende; V1 in Abbildung 1a) ist eine Funktion der Temperatur T1 am geschlossenen Ende. Mit steigender Temperatur steigt auch die EMK.

Häufig befindet sich das Thermoelement in einer Metall- oder Keramikummantelung, die es vor verschiedenen Umgebungen schützt. Metallummantelte Thermoelemente sind auch mit vielen Arten von Außenbeschichtungen erhältlich, beispielsweise aus Polytetrafluorethylen, für den problemlosen Einsatz in korrosiven Lösungen.

Die offene EMK ist nicht nur eine Funktion der geschlossenen Temperatur (d. h. der Temperatur am Messpunkt), sondern auch der Temperatur am offenen Ende (T2 in Abbildung 1a). Nur wenn T2 auf Standardtemperatur gehalten wird, kann die gemessene EMK als direkte Funktion der Ladung in T1 betrachtet werden. Der industriell anerkannte Standard für T2 ist 0 °C; daher gehen die meisten Tabellen und Diagramme davon aus, dass T2 auf diesem Niveau liegt. In der industriellen Messtechnik wird die Differenz zwischen der tatsächlichen Temperatur bei T2 und 0 °C in der Regel elektronisch innerhalb der Messtechnik korrigiert. Diese EMK-Anpassung wird als Kaltstellenkorrektur oder CJ-Korrektur bezeichnet.

Temperaturänderungen in der Verkabelung zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangsende haben keinen Einfluss auf die Ausgangsspannung, vorausgesetzt, die Verkabelung besteht aus einer Thermoelementlegierung oder einem thermoelektrischen Äquivalent (Abbildung 1a). Wenn beispielsweise ein Thermoelement die Temperatur in einem Ofen misst und das Gerät, das den Messwert anzeigt, sich in einiger Entfernung befindet, könnte die Verkabelung zwischen den beiden Geräten in der Nähe eines anderen Ofens verlaufen, ohne dass sie von dessen Temperatur beeinflusst wird, es sei denn, sie wird so heiß, dass der Draht schmilzt oder sein elektrothermisches Verhalten dauerhaft verändert wird.

Die Zusammensetzung der Verbindungsstelle selbst hat keinerlei Einfluss auf die Thermoelementwirkung, solange die Temperatur T1 über die gesamte Verbindungsstelle hinweg konstant gehalten wird und die Materialien elektrisch leitfähig sind (Abbildung 1b). Ebenso wird die Messung nicht durch das Einfügen von Nicht-Thermoelementlegierungen in eine oder beide Leitungen beeinflusst, vorausgesetzt, dass die Temperatur an den Enden der „fremden” Materialien gleich ist (Abbildung 1c).

Diese Fähigkeit des Thermoelements, mit einem falschen Metall im Übertragungsweg zu arbeiten, ermöglicht den Einsatz einer Reihe von Spezialgeräten, wie z. B. Thermoelementschaltern. Während die Übertragungsverkabelung selbst normalerweise das thermoelektrische Äquivalent der Thermoelementlegierung ist, müssen ordnungsgemäß im Betrieb befindliche Thermoelementschalter aus vergoldeten oder versilberten Kupferlegierungselementen mit geeigneten Stahlfedern bestehen, um einen guten Kontakt zu gewährleisten. Solange die Temperaturen an den Eingangs- und Ausgängen des Schalters gleich sind, hat diese Änderung in der Zusammensetzung keine Auswirkungen.

Es ist wichtig, sich dessen bewusst zu sein, was man als Gesetz der aufeinanderfolgenden Thermoelemente bezeichnen könnte. Von den beiden Elementen, die im oberen Teil von Abbildung 1d dargestellt sind, hat ein Thermoelement T1 am heißen Ende und T2 am offenen Ende. Das zweite Thermoelement hat sein heißes Ende bei T2 und sein offenes Ende bei T3. Die EMK für das Thermoelement, das T1 misst, beträgt V1, die für das andere Thermoelement beträgt V2. Die Summe der beiden EMK, V1 plus V2, entspricht der EMK V3, die von dem kombinierten Thermoelement erzeugt würde, das zwischen T1 und T3 arbeitet. Aufgrund dieses Gesetzes kann ein Thermoelement, das für eine Referenztemperatur mit offenem Ende ausgelegt ist, mit einer anderen Temperatur mit offenem Ende verwendet werden.

RTDs

Ein typisches RTD besteht aus einem feinen Platindraht, der um einen Dorn gewickelt und mit einer Schutzbeschichtung überzogen ist. In der Regel bestehen der Dorn und die Beschichtung aus Glas oder Keramik. Die mittlere Steigung der Widerstand-Temperatur-Kurve für den RTD wird oft als Alpha-Wert bezeichnet (Abbildung 2), wobei Alpha für den Temperaturkoeffizienten steht. Die Steigung der Kurve für einen bestimmten Sensor hängt in gewissem Maße von der Reinheit des darin enthaltenen Platins ab.

Die am häufigsten verwendete Standardsteigung, die sich auf Platin einer bestimmten Reinheit und Zusammensetzung bezieht. Hat einen Wert von 0,00385 (unter der Annahme, dass der Widerstand in Ohm und die Temperatur in Grad Celsius gemessen wird). Eine mit dieser Steigung gezeichnete Widerstand-Temperatur-Kurve ist eine sogenannte europäische Kurve, da RTDs dieser Zusammensetzung zuerst auf diesem Kontinent in großem Umfang verwendet wurden. Erschwerend kommt hinzu, dass es noch eine weitere Standardsteigung gibt, die sich auf eine etwas andere Platinzusammensetzung bezieht. Mit einem etwas höheren Alpha-Wert von 0,00392 folgt sie der sogenannten amerikanischen Kurve.

Wenn der Alpha-Wert für einen bestimmten RTD nicht angegeben ist, beträgt er in der Regel 0,00385. Es ist jedoch ratsam, dies zu überprüfen, insbesondere wenn die zu messenden Temperaturen hoch sind. Dieser Punkt wird in Abbildung 2 verdeutlicht, die sowohl die europäische als auch die amerikanische Kurve für den am häufigsten verwendeten RTD zeigt, nämlich einen mit einem Widerstand von 100 Ohm bei 0 °C.

Das Verhältnis zwischen Widerstand und Temperatur eines Thermistors ist negativ und stark nichtlinear. Dies stellt Ingenieure, die ihre eigenen Schaltungen entwerfen müssen, vor ein ernstes Problem. Die Schwierigkeit lässt sich jedoch verringern, indem Thermistoren in abgestimmten Paaren verwendet werden, sodass sich die Nichtlinearitäten gegenseitig ausgleichen. Darüber hinaus bieten Hersteller Messgeräte und Regler an, die die mangelnde Linearität von Thermistoren intern kompensieren.

Thermistors

The resistance-temperature relationship of a thermistor is negative and highly non-linear. This poses a serious problem for engineers who must design their own circuitry. However, the difficulty can be eased by using thermistors in matched pairs, in such a way that the nonlinearities offset each other. Furthermore, vendors offer panel meters and controllers that compensate internally for thermistors’ lack of linearity.

Thermistoren werden in der Regel entsprechend ihrem Widerstand bei 25 °C bezeichnet. Die gängigste dieser Nennwerte ist 2252 Ohm; weitere sind 5.000 und 10.000 Ohm. Sofern nicht anders angegeben, akzeptieren die meisten Instrumente den Thermistor 2252.

Infrarotsensoren

Diese messen die von einer Oberfläche abgegebene Strahlungsmenge. Elektromagnetische Energie wird von allen Stoffen unabhängig von ihrer Temperatur abgestrahlt. In vielen Prozesssituationen liegt diese Energie im Infrarotbereich. Mit steigender Temperatur nehmen die Menge der Infrarotstrahlung und ihre durchschnittliche Frequenz zu.

Verschiedene Materialien strahlen mit unterschiedlicher Effizienz. Diese Effizienz wird als Emissionsgrad quantifiziert, eine Dezimalzahl oder ein Prozentsatz im Messbereich von 0 bis 1 oder 0 % und 100 %. Die meisten organischen Materialien, einschließlich der Haut, sind sehr effizient und weisen häufig einen Emissionsgrad von 0,95 auf. Die meisten polierten Metalle hingegen sind bei Raumtemperatur eher ineffiziente Strahler mit einem Emissionsgrad oder einer Effizienz von oft 20 % oder weniger.

Um ordnungsgemäß zu funktionieren, muss ein Infrarot-Messgerät die Emissivität der zu messenden Oberfläche berücksichtigen. Diese kann oft in einer Referenztabelle nachgeschlagen werden. Beachten Sie jedoch, dass Tabellen lokale Bedingungen wie Oxidation und Oberflächenrauheit nicht berücksichtigen können. Eine manchmal praktische Methode zur Temperaturmessung mit Infrarot, wenn der Emissivitätsgrad nicht bekannt ist, besteht darin, die Emissivität auf einen bekannten Wert zu „zwingen“, indem die Oberfläche mit Klebeband (Emissionsgrad von 95 %) oder einer hoch emittierenden Farbe abzudecken.

Ein Teil der Sensoreingabe kann durchaus aus Energie bestehen, die nicht von dem Gerät oder Material ausgestrahlt wird, dessen Oberfläche gemessen wird, sondern von dieser Oberfläche von anderen Geräten oder Materialien reflektiert wird. Der Emissionsgrad bezieht sich auf die von einer Oberfläche abgestrahlte Energie, während sich die „Reflexion” auf die von einer anderen Quelle reflektierte Energie bezieht. Der Emissionsgrad eines undurchsichtigen Materials ist ein umgekehrter Indikator für dessen Reflektivität – Substanzen, die gute Emitter sind, reflektieren nicht viel einfallende Energie und stellen daher für den Sensor bei der Bestimmung der Oberflächentemperaturen kein großes Problem dar. Umgekehrt wird bei der Messung einer Zieloberfläche mit beispielsweise nur 20 % Emissivität ein Großteil der Energie von etwas wie einem nahe gelegenen Ofen mit einer anderen Temperatur erreicht. Kurz gesagt: Seien Sie vorsichtig bei heißen, falschen reflektierten Zielen.

Ein Infrarotgerät ist wie eine Kamera und deckt daher ein bestimmtes Sichtfeld ab. Es kann beispielsweise einen Sichtkegel von 1 Grad oder einen Kegel von 100 Grad „sehen”. Achten Sie bei der Messung einer Oberfläche darauf, dass diese das Sichtfeld vollständig ausfüllt. Wenn die Zielfläche das Sichtfeld zunächst nicht ausfüllt, gehen Sie näher heran oder verwenden Sie ein Gerät mit einem engeren Sichtfeld. Oder berücksichtigen Sie einfach die Hintergrundtemperatur, wenn Sie das Gerät ablesen.

Auswahlhilfen

RTDs sind stabiler als Thermoelemente. Andererseits ist ihr Temperaturbereich als Klasse nicht so groß: RTDs arbeiten im Messbereich von etwa -250 bis 850 °C (-418 bis 1562 °F), während Thermoelemente einen Messbereich von etwa -270 bis 2300 °C (-457 bis 4172 °F) abdecken. Thermistoren haben einen noch begrenzteren Messbereich und werden in der Regel zwischen -40 und 150 °C (-40 und 302 °F) eingesetzt, bieten jedoch in diesem Messbereich eine hohe Genauigkeit.

Thermistoren und RTDs haben eine sehr wichtige Einschränkung gemeinsam: Sie sind Widerstandselemente und funktionieren daher, indem sie einen Strom durch einen Sensor leiten. Auch wenn in der Regel nur ein sehr geringer Strom verwendet wird, erzeugt dieser eine gewisse Wärme und kann somit die Temperaturmessung verfälschen. Diese Eigenerwärmung in Widerstandssensoren kann bei ruhenden Flüssigkeiten erheblich sein, da die erzeugte Wärme weniger abgeführt wird. Dieses Problem tritt bei Thermoelementen, die im Wesentlichen stromlose Geräte sind, nicht auf.

Infrarotsensoren sind zwar relativ teuer, eignen sich jedoch für extrem hohe Temperaturen. Sie sind für Temperaturen bis zu 3000 °C (5400 °F) erhältlich und übertreffen damit den Messbereich von Thermoelementen oder anderen Kontaktgeräten bei weitem.

Der Infrarotansatz ist auch dann attraktiv, wenn man keinen Kontakt mit der zu messenden Oberfläche herstellen möchte. Auf diese Weise können empfindliche oder nasse Oberflächen, wie beispielsweise lackierte Oberflächen, die aus einem Trockenofen kommen, überwacht werden. Chemisch reaktive oder elektrisch störende Substanzen sind ideale Kandidaten für die Infrarotmessung. Der Ansatz ist ebenfalls vorteilhaft bei der Messung der Temperatur sehr großer Oberflächen – wie beispielsweise Wänden –, für deren Messung eine große Anzahl von Thermoelementen oder RTDs erforderlich wäre.

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