In der chemischen Prozessindustrie sind die am häufigsten verwendeten Temperaturfühler Thermoelemente, Widerstandselemente und Infrarotgeräte. Es gibt weit verbreitete Missverständnisse darüber, wie diese Geräte funktionieren und wie sie verwendet werden sollten.
Thermoelemente: Betrachten wir zunächst das Thermoelement, das wahrscheinlich 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 EMK am offenen Ende ist nicht nur eine Funktion der Temperatur am geschlossenen Ende (d. h. der Temperatur am Messpunkt), sondern auch der Temperatur am offenen Ende (T2 in Abbildung 1a). Nur wenn T2 auf einer Standardtemperatur gehalten wird, kann die gemessene EMK als direkte Funktion der Änderung von 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.
(a) 
(b) 
(c) 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 Funktion des Thermoelements, solange die Temperatur T1 über die gesamte Verbindungsstelle hinweg konstant gehalten wird und die Materialien der Verbindungsstelle elektrisch leitfähig sind (Abbildung 1b). Ebenso wird der Messwert 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 fremden 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 funktionierende Thermoelementschalter aus vergoldeten oder versilberten Kupferlegierungselementen mit geeigneten Stahlfedern bestehen, um einen guten Kontakt zu gewährleisten. Solange die Temperatur an den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen des Schalters gleich ist, hat diese Änderung der Zusammensetzung keinen Einfluss.
Es ist wichtig, sich der sogenannten Gesetzmäßigkeit aufeinanderfolgender Thermoelemente bewusst zu sein. 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. Der EMK-Wert für das Thermoelement, das T1 misst, ist V1, der für das andere Thermoelement ist V2. Die Summe der beiden EMK-Werte, 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 bestimmte Referenztemperatur am offenen Ende ausgelegt ist, mit einer anderen Temperatur am offenen 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.
(d) Die am häufigsten verwendete Standardsteigung für Platin einer bestimmten Reinheit und Zusammensetzung 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, sich dies zu vergewissern, 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.
Thermistoren: 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 Panel-Messgeräte und Regler an, die die mangelnde Linearität von Thermistoren intern kompensieren.
(Temperatur) 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-Typ 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 die 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 zwischen 0 und 1 oder 0 % und 100 %. Die meisten organischen Materialien, einschließlich der Haut, sind sehr effizient und weisen häufig Emissionsgrade 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 den Emissionsgrad der zu messenden Oberfläche berücksichtigen. Dieser 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 Emissionsgrad nicht bekannt ist, besteht darin, den Emissionsgrad auf einen bekannten Wert zu „zwingen”, indem die Oberfläche mit Klebeband (Emissionsgrad von 95 %) oder einer hoch emittierenden Farbe abgedeckt wird.
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 ausgestrahlte Energie, während die Reflexion sich auf die von einer anderen Quelle reflektierte Energie bezieht. Die Emissivität eines undurchsichtigen Materials ist ein umgekehrter Indikator für seine 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 kann es sein, dass bei der Messung einer Zieloberfläche mit beispielsweise nur 20 % Emissivität ein Großteil der Energie, die den Sensor erreicht, auf Reflexionen zurückzuführen ist, z. B. von einem nahe gelegenen Ofen mit einer anderen Temperatur. 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 (d. h. passen Sie die Messung entsprechend an), wenn Sie das Gerät ablesen.
Auswahlhilfen
RTDs sind stabiler als Thermoelemente. Andererseits ist ihr Temperaturbereich als Klasse nicht so groß: RTDs sind im Betrieb im Messbereich von etwa -250 bis 850 °C im Einsatz, während Thermoelemente einen Messbereich von etwa -270 bis 2.300 °C abdecken. Thermistoren haben einen engeren Messbereich, da sie üblicherweise zwischen -40 und 150 °C eingesetzt werden, bieten aber in diesem Bereich eine hohe Genauigkeit.
Thermistoren und RTDs haben eine sehr wichtige Einschränkung gemeinsam. Es handelt sich um Widerstandselemente, die entsprechend durch den Durchfluss von Strom durch einen Sensor funktionieren. 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 (d. h. weder fließenden noch bewegten) 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 3.000 °C (5.400 °F) erhältlich und übertreffen damit bei weitem den Messbereich von Thermoelementen oder anderen Kontaktgeräten. 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 z. B. 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 z. B. Wänden, für deren Messung eine große Anzahl von Thermoelementen oder RTDs erforderlich wäre.
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