temperaturmessung

• SI-Einheit der Temperatur


  Kelvin [K]

  
• Formelzeichen Temperatur


  Teta [oC]

  
• Flüssigkeitsausdehnung


  • Messprinzip basiert auf Änderung des Volumens bestimmter Flüssigkeitsmenge bei Temperaturänderung
  • Flüssigkeit befindet sich in kleinem Glas-/Vorratsgefäß (nach oben zu Kapillare verjüngt)
  • Erwärmt sich Flüssigkeit, dehnt sie sich aus und steigt in Kapillare nach oben

  
• Flüssigkeitsausdehnung


  • Quecksilber: -35oC…600oC
  • Ethanol: -70oC…70oC
• Rohrfederthermometer


  • In Messfühlerrohr ist Flüssigkeit(Quecksilber)/ Gas(Stickstoff) eingeschlossen und über Metallkapillare mit Rohrfeder im Anzeigegerät verbunden
  • Temperaturerhöhung bewirkt Druckerhöhung im Messfühler
  • Rohrfeder im Gehäuse verändert dadurch ihre Krümmung. Krümmungsänderung auf Zeiger übertragen

  
• Bimetall


  • Zwei aus unterschiedlichen Materialien (Bsp. Zink & Stahl oder Stahl & Messing-Legierung) bestehende Metallstreifen stoff-/formschlüssig miteinander verbunden
  • Beide Materialien unterschiedliche Längenausdehnungskoeffizienten (a), wodurch Streifen bei Temperaturänderung verbiegt

  
• aStahl = 13 * 10-6/K
• aZink = 36 * 10-6/K
• aMessing = 18,4 * 10-6/K
• Bimetall


  Einsatztemperatur: -50oC…500oC

  
• Anwendung Bimetall


  • Bügeleisen
  • Kaffeemaschinen
  • Toaster
  • Wasserkocher
  • Zeigerthermometer
  • Vergaser mit Startautomatik (Starterklappe nach Warmlaufphase wieder in Normalstellung gebracht)
• Bimetall


  • Vorteil: günstig, einfach
  • Nachteil: träge, ungenau
• Widerstandsthermometer


  • Funktion: Beruht auf Temperaturabhängigkeit Widerstände
  • Widerstandsänderung verhält proportional zu Temperaturänderung
  • Widerstandsmaterial meist Platin (Pt)/Nickel (Ni)
  • Gemessene Widerstandswert R in Messumformer elektronisch in Einheitsspannungs-/stromsignal umgeformt
  • Für Messung Versorgungsspannung nötig

  
• Widerstandsthermometer


  Messbereichsspanne: -200°C…850°C
• Anwendung Widerstandsthermometer


  • elektrische Öfen
  • Klimaanlage
  • Gefrierschränke
• Widerstandsthermometer


  • Vorteil: hohe Genauigkeit, günstig
• PTC (Positive Temperature Coefficient)


  Widerstand steigt mit zunehmender Temperatur

  
• PTC (Positive Temperature Coefficient)


  • Unter bestimmter (Curie) Temperatur freie Elektronen leicht bewegbar
  • Temperatur überschritten à Sperrschichten bilden sich an Korngrenzen Kristallgitters, welche Elektronenbewegung behindern, Widerstand steigt
  • Steigende Temperatur, mehr Ladungsträger freigesetzt & Leitwert steigt à Widerstand sinkt

  
• PTC (Positive Temperature Coefficient)


  • Bei Temperaturmessung Spannungsabfall an Widerstand gemessen (somit auf Temperatur geschlossen)
  • Arbeitsbereich zur Temperaturmessung benutzt
  • Bereich Übergangs verwendet, wo schlagartiger Wechsel in Temperaturanstieg verzeichnet werden soll (Schwellwertverhalten) zB Übertemperatursicherung von Elektromotoren
  • Verwendbar als verschließfreies Schaltelement

  
• PTC (Positive Temperature Coefficient)

  • Widerstandsbereich: 1W-10kW
  • Einsatz Messungen: -50°…170°C
  • Werkstoff: meist keramisch auf Basis Bariumtitanat (auch dotiertes Silizium)

  
• NTC (Negative Temperature Coefficient)


  Widerstand fällt mit zunehmender Temperatur

  
• NTC (Negative Temperature Coefficient)

  • Anwendung zu Temperaturmessung(genauer als PTC)/-überwachung/-kompensation (zB SMD Platten)
  • Steigender Temperatur – mehr Elektronen in Kristallgitter frei verfügbar
  • Auch zu Begrenzung Einschaltströmen zB Motor verwendet. Dh Stromfluss aufgrund hohem Widerstand anfänglich begrenzt. Bei Erwärmung sinkt Widerstand & mehr Strom fließt

  
• NTC (Negative Temperature Coefficient)


  • Widerstandsbereich: 1W-10kW
  • Einsatz Messungen: -60°…200°C
  • Werkstoff: Metalloxide (Legierung Mangan, Nickel, Kobalt, Eisen und Bindemittel)

  
• Einsatz Thermistoren


  • Brandmelder
  • Backöfen
  • Kühlschränke
  • digitalen Thermometern
  • Heißleiter zB Christbaumbeleuchtung eingesetzt, wo Lampen in Serie geschaltet (fällt eine aus fließt Strom über HL)
• Zweileiterschaltung


  • Bringt Messfehler mit sich
  • Wird einschließlich Versorgungsleitungen (Leiterwiderstand) gemessen
  • Versorgungsleitungen führen geringen Strom (dadurch kann Spannungsabfall in Leitungen entstehen)
  • Geringer Strom erforderlich, um Widerstand PTC nicht zu sehr erwärmen. Soll nur durch Umgebungstemperatur erwärmt
• Dreileiterschaltung


  • Lösung Messfehlerproblems
  • 2 Messkreise
  • Spannungsmessung U1 hochohmig (kein Strom fließt in dritter Leitung. Dadurch keinen Spannungsabfall)
  • Leiterwiderstand kann bei Auswertung kompensiert werden
• Vierleiterschaltung


  • Lösung Messfehlerproblems
  • Ähnlich Dreileiterschaltung
  • Für Hin-/Rückleitung eigene Kompensation
• Thermoelemente


  • Seebeck-Effekt
  • Verbindet man verschiedene, elektrisch leitende Materialien so, dass geschlossener Leiterkreis entsteht & erzeugt Temperaturunterschied zwischen Kontaktstellen, so fließt thermoelektrischer Strom
  • Umso mehr Temperatur an Messspitze, desto höher Spannung
  • Unterbricht man Stromkreis, entsteht Potentialdifferenz (Thermospannung U)

  
• Thermoelemente


  • Aktive Sensoren (Wärmeenergie in elektrische Energie umgewandelt. Keine Versorgungsspannung nötig)
  • Zwei miteinander verschweißte Drähte unterschiedlicher Metalle bilden Thermopaar (zB Eisen/Konstantan =Kupfer-Nickel-Legierung)
  • Bei Erwärmung: Thermospannung tritt (im mV-Bereich) auf
  • Steigt mit Temperaturdifferenz zwischen Verbindungsstelle & freien Enden und hängt von Zusammensetzung Thermopaares ab
  • Gemessene Spannung wird mit Spannung bekannter Temperatur an Vergleichsstelle verglichen
  • Sehr geringe Spannungen erzeugt, deshalb Messverstärker nötig

  
• Thermoelemente


  • Anwendung bei hohen Temperaturen zB Kesselanlagen/Härteöfen

  
• Messstellenproblematik Thermoelemente


  • Lösung 1: Spannungen sehr klein weil Kupferleitungen weit weg vom Prozess. Durch Leitungen großen Abstand erzeugen (Leitung teuer)
  • Lösung 2: Klemmstelle umkapseln & heizen/kühlen (um Temperatur konstant zu halten)
  • Lösung 3: Widerstandsthermometer kann Umgebungstemperatur kompensieren (Egal wieviel Temp/Entfernung)
• Infrarot-Thermometer (Pyrometer)


  • Körper strahlt mit zunehmender Temperatur infrarote Strahlung mit steigender Intensität aus
  • Von Messobjekt ausgehende Infrarotstrahlung fällt durch Sammellinse auf Fotodiode (=> elektrischer Stromfluss ausgelöst, Größe proportional Oberflächentemperatur Messobjekts)
  • Strom in Einheitsstromsignal umgeformt und als Temperaturwert angezeigt