Pt100-Sensor Widerstandsthermometer zur Temperaturmessung

Temperaturmessung

Die Temperatur ist eine physikalische Größe, die die durchschnittliche kinetische Energie der Teilchen in einem System misst.
Im allgemeinen Sprachgebrauch, wie warm oder kalt ein Stoff oder ein Ort ist.
Sie ist eine der sieben Basiseinheiten des SI-Systems.
Ein Anstieg der Temperatur bedeutet, dass die Teilchen sich in einem System schneller und chaotischer bewegen, während eine Abnahme der Temperatur bedeutet, dass sich die Teilchen langsamer und geordneter bewegen.
Um vergleichbare und reproduzierbare Werte für die Temperatur zu erhalten, wurde im internationalen SI-Einheitensystem die Einheit „Kelvin (K)“ festgelegt. Diese wird aber meist nur in der Wissenschaft oder in Rechenformeln verwendet. In der Praxis werden die historisch entstandenen Einheiten „Grad“ verwendet, die auf bestimmten Fixpunkten von Stoffen festgelegt wurden (z.B. bei „Grad Celsius“: Schmelzpunkt/Siedepunkt Wasser).

Die Temperatur ist einer der wichtigsten Messgrößen unseres täglichen Lebens und eine der häufigsten gemessenen physikalischen Größen.
Nachfolgend einige Beispiele:

Messung der Körpertemperatur bei Lebewesen
Hinweis auf Krankheiten usw.
Klima/Wetter
Mit Auswirkung auf das Wachstum und Fortpflanzung von Mensch, Tier und Pflanzen oder auch die Auswahl unserer Kleidung und Beheizung der Wohnungen.
Maschinen und Geräte
Dürfen nicht überhitzt werden oder arbeiten nur bei bestimmten Temperaturen optimal
Chemische Prozesse und Produktion
Die nur bei bestimmten Temperaturen stattfinden
Lebensmittel
Optimale Lagerung und Haltbarkeit von Lebensmitteln oder Zubereitung von Speisen

Der Mensch hat die Fähigkeit verschiedene Temperaturen auf Grund seiner Erfahrungen grob zu bestimmen. Zum Beispiel: Körpertemperatur/Fieber, Eiswasser/kochendes Wasser, Farbe einer Flamme usw.
In den meisten Fällen ist jedoch eine exakte Bestimmung der Temperatur notwendig. Diese erfolgt durch verschiedenste Messgeräte, die im allgemeinen Sprachgebrauch auch Thermometer genannt werden.

Elektronische Temperaturmessgeräte

Widerstands-Thermometer

Widerstands-Thermometer sind Temperatursensoren, die auf der Änderung des elektrischen Widerstands von Metallen oder Metalloxiden bei Temperaturänderung basieren. Das eigentliche Sensorelement wird dabei in ein sogenanntes Schutzrohr eingebaut und ist damit gegen Umgebungseinflüsse geschützt.
Man unterscheidet:
- Kaltleiter Bei Temperaturänderungen haben einige Metalle bereits bei niedrigen Temperaturen eine ausreichende Widerstandsänderung und werden daher "Kaltleiter" genannt. Ihr Widerstand steigt bei Erhöhung der Temperatur (PTC = Positive Temperature Coefficient)
  Marktübliche Widerstandssensoren sind aus Nickel (Ni100), Kupfer (Cu10), Platin (Pt100, Pt1000) oder Silizium.
  Wegen der entscheidenden Vorteile der Sensoren aus Platin, werden diese Sensoren überwiegend in der Praxis eingesetzt.
  Pt100 - Sensoren haben bei 0°C einem Nennwiderstand von 100 Ohm (Pt100) oder 1000 Ohm (Pt1000).
- Heißleiter Neben den Temperatursensoren aus Metall, werden im Masseneinsatz auch Sensoren aus verschiedensten Metalloxiden eingesetzt. Diese liefern oft erst bei höheren Temperaturen eine verwertbare Widerstandsänderung und werden deshalb auch als Heißleiter bezeichnet.
  Der Widerstand sinkt bei Erhöhung der Temperatur (NTC = Negative Temperature Coefficient).
  Der Vorteil dieser Sensoren ist die preiswerte Herstellung und die kleine Bauweise mit hoher Ansprechempfindlichkeit.
  
  Weitere Informationen finden sie auf den anderen Seiten dieser Domain (www.pt100.de)
Thermoelemente

Pt100-Widerstandsthermometer sind bis zu einer maximalen Temperatur von 850 °C einsetzbar.
Sollen höhere Temperaturen elektrisch gemessen werden, können Thermoelemente eingesetzt werden. Thermoelemente arbeiten nach dem „Seebeck-Effekt“, der nach dem Entdecker, dem deutschen Physiker Thomas Johann Seebeck, benannt wurde. Er entdeckte, dass wenn man 2 unterschiedliche Metalle miteinander verschweißt und die verschweißte Stelle und die offenen Enden der Drähte unterschiedliche Temperatur haben, eine Spannung entsteht.
Diese Spannung ist proportional zur Temperatur.
Da man eine Temperaturdifferenz zwischen verschweißten Enden der Drähte und den offenen Schenkeln der Drähte misst, muss die Temperatur an der Vergleichsstelle (offene Schenkel der Drähte) bekannt und möglichst konstant sein. Früher benutze man dazu Eiswasser, heute wird an der Vergleichsstelle die Temperatur gemessen und die Temperatur in der nachgeschalteten Auswerteelektronik berechnet.
Thermoelemente haben den Vorteil, dass sie sehr schnell reagieren, hohe Temperaturen messen können und eine hohe Genauigkeit aufweisen.
Zum Schutz vor mechanischer Beschädigung oder chemischem Angriff, werden sie üblicherweise, wie auch der Pt100-Sensor, in Schutzrohren eingebaut.

Bewährte Metalldrahtpaare sind genormt und sind als sogenannte Thermopaare im Handel.

Handelsübliche Thermopaare:

Thermopaar

Typ

max.Temperatur

Pt30Rh-Pt16Rh

B

1820 °C

NiCr-CuNi

E

1000 °C

Fe-CuNi

J

1200 °C

Ni-CrNi

K

1370 °C

Fe-CuNi

L

900 °C

NiCrSi-NiSi

N

1300 °C

Pt13Rh-Pt

R

1760 °C

Pt10Rh-Pt

S

1600 °C

Cu-CuNi

T

400 °C

Cu-CuNi

U

600 °C

Bitte beachten: Die Thermopaare Fe-CuNi und Cu-CuNi gab es in 2 verschiedenen Legierungen. Diese sind nicht kompatibel !
Die nach alter DIN gefertigten Typen „L“ bzw „U“ sollten nicht mehr verwendet und durch die neuen Typen „T“ und „J“ ersetzt werden.

Mechanische Temperatur-Messgeräte (Thermometer)

Flüssigkeitsthermometer
Flüssigkeitsthermometer sind die älteste Thermometerart, die zur Temperaturmessung eingesetzt werden. Das Messprinzip basiert auf der Ausdehnung von Flüssigkeiten bei Temperaturänderung. Es sind 2 prinzipielle Bauformen zu unterscheiden:
- Glasthermometer
  
  Glasthermometer bestehen aus einer dünnen Kapillarröhre aus Glas an die unten ein größeres Vorratsgefäß angeschmolzen ist. Das Vorratsgefäß ist mit einer Flüssigkeit gefüllt, die sich bei Erwärmung ausdehnt und in der Kapillarröhre ansteigt. Bei Abkühlung zieht sich die Flüssigkeit zusammen und die Flüssigkeitssäule in der Kapillarröhre fällt.
  Diese Ausdehnung ist ein Maß für die Temperatur.
  Auf einer auf die Kapillaröhre aufgedruckten Skala, kann die gemessene Temperatur abgelesen werden.
  Zur besseren Ablesbarkeit sind moderne Kapillarröhren so geformt, dass ein „Lupeneffekt“ entsteht und die dünne Kapillarleitung optisch vergrößert wird. Der Hintergrund ist weiß bedruckt und verwendete farblose Flüssigkeiten (Thermometrische Flüssigkeit) eingefärbt.
  Als Flüssigkeit, können fast alle Flüssigkeiten innerhalb eines bestimmten Temperaturbereiches eingesetzt werden. Sie sollten eine möglichst lineare Ausdehnung haben.
  In der Praxis kommen hauptsächlich Quecksilber, Galinstan, Ethanol, Isopropanol, Tuluol, Petroleum oder Pentan zum Einsatz. Die ideale Flüssigkeit für eine weite Messbereichsspanne von -30 bis 350 °C ist Quecksilber. Der Nachteil von Quecksilber ist, dass bereits bei Raumtemperatur giftige Dämpfe entstehen, die bei eventuellem Glasbruch zu Gesundheitsgefährdungen führen können. Deshalb darf Quecksilber in der EU seit 2009 (außer bei Spezialanwendungen) nicht mehr eingesetzt werden. Als Ersatzstoff kann Galinstan, eine ungiftige, über weiten Temperaturbereich flüssige Legierung aus Galium, Indium und Zinn eingesetzt werden. Galinstan hat ähnlichen Eigenschaften wie Quecksilber eingesetzt werden. Galistan hat sich jedoch wegen der starken Haftung an Glas und den inzwischen vorhanden alternativen Messmethoden, in der Masse nicht durchgesetzt. Auch bei den anderen o.g. Thermometrische Flüssigkeiten ist bei Glasbruch zu beachten, dass die verwendeten Flüssigkeiten teils giftig oder brennbar sind.
  Glasthermometer haben keine mechanisch beweglichen Teile wie z.B. Zeigerthermometer und es wird keine elektrische Energie wie z.B. bei Pt100 -Widerstandsthermometern benötigt. Sie haben dadurch keinen Verschleiß.
  Eingesetzt werden Glasthermometer als Fieberthermometer, im Laborbereich oder mit mechanischem Schutzgehäuse als sogenannte Maschinenthermometer im Marine-Bereich, HKL-Bereich und Anlagenbau.
  Als modernere Variante gibt es Maschinenthermometer auch als KOMBITEMP®, in denen zur Fernübertragung der Messwerte ein zusätzlicher Pt100 -Sensor eingebaut wurde.
  Üblicher Temperaturbereich: -40°C bis +600 °C
- Zeigerthermometer mit Flüssigkeitsfülling
  
  Das Messwerk eines Zeigerthermometer bestehen aus einem Vorratsgefäß und einer Kapillarleitung aus Metall, die mit einem im Anzeigegehäuse montierten Bourdonrohr fest verschweißt sind. Dieses Messwerk ist mit einer Thermometrischen Flüssigkeit gefüllt.
  Durch Temperaturänderungen entsteht eine Volumenänderung der Thermometrischen Flüssigkeit, die wegen des geschlossenen Messwerkes zu einer Druckänderung führt. Diese Druckänderung wird mit dem aus der Druckmesstechnik bekannten Bourdonrohr erfasst und über ein Zahnradsystem auf einen Zeiger übertragen.
  Die Temperatur kann dann auf einer kalibrierten Skala abgelesen werden.
  Vorratsgefäß und Kapillarleitung sind in einer Schutzhülse montiert, die fest mit dem Anzeigegehäuse verbunden ist. Durch eine verlängerte Kapillarleitung können Schutzhülse (Messstelle) und Anzeigegehäuse getrennt werden und über weitere Distanzen übertragen werden.
  Dabei ist zu beachten, dass das Volumen der sich in der Kapillarleitung befindlichen Thermometrischen Flüssigkeit, mit in die Messung eingeht und besonders bei langen Leitungen, zu Messfehlern führt.
  Abhilfe schafft eine werkseitige Kompensation der Kapillarleitung.
  Zeigerthermometer mit Flüssigkeitsfüllung wurden inzwischen vielfach durch Zeigerthermometer mit Gasfüllung ersetzt. Diese haben einige entscheidende Vorteile.
  Auch die zunehmende Temperaturmessung mit elektrischen Temperatursensoren (z.B. Pt100 -Widerstandsthermometern) verdrängen dieses Messprinzip vom Markt.
- Bimetall-Thermometer
  
  Bimetall-Thermometer sind mechanische Temperaturmessgeräte mit Zeigeranzeige.
  Das Messprinzip basiert auf der unterschiedlichen Ausdehnung von Festkörpern bei Temperaturänderung.
  Als Messelement wird Bimetall verwendet, das sich bei Erhitzung durchbiegt. Diese Verbiegung ist ein Maß für die Temperatur.
  Bimetall besteht aus 2 unterschiedlichen, kaltverschweißten Metallblechen (z.B. Stahl und Messing) mit stark unterschiedlichem Ausdehnungskoeffizienten. Dazu werden die einzelnen Bleche übereinander gelegt und bei hohem Druck gewalzt. Durch nachträgliches Erhitzen werden die beiden Bleche formschlüssig verbunden (kaltverschweißt).
  Bei Erhöhung der Temperatur, dehnen sich die beiden Metalle unterschiedlich aus und das Bimetall verbiegt sich.
  Um eine möglichst große, verwertbare Auslenkung des Bimetallstreifens zu erhalten, wird ein möglichst langer Streifen benötigt. Damit dieser platzsparend eingesetzt werden kann, wird der Streifen entweder zu einer Spirale oder schraubenförmig aufgewickelt. Man erhält eine „Bimetall-Spiralfeder“ oder eine „Bimetall-Schraubenfeder“, mit denen unterschiedliche Bimetall-Thermometertypen gebaut werden können.
  Bimetallthermometer mit Spiralfeder für niedrige Temperaturen (unter 100°C) können preisgünstig hergestellt werden und werden deshalb oft im Heizungs-Klima-Lüftungsbereich oder als Raumthermometer eingesetzt.
  Temperaturbereich: -70 bis +600°C
- Gasgefüllte Zeigerthermometer
  
  Das Messprinzip basiert auf der Druckänderung eines Gases in einem abgeschlossenen Volumen bei Temperaturänderung. Grundlage ist die Zustandsformel für Gase, nach der das Verhältnis von Druck, Volumen und Temperatur eines idealen Gases konstant ist.
  p₁ x V₁ / T₁ = p₂ * V₂ / T₂ = konstant.
  p = Druck, V= Volumen im Messwerk (V₁ = V₂), T= Temperatur
  
  Das Messwerk eines gasgefüllten Zeigerthermometer bestehen aus einem Vorratsgefäß und einer Kapillarleitung aus Metall, die mit einer im Anzeigegehäuse montierten Rohrfeder fest verschweißt sind. Dieses Messwerk ist mit unter Druck stehendem, ungiftigem Stickstoff-Gas gefüllt.
  Da das Messwerk komplett geschlossen ist, das Volumen also konstant ist, führt eine Änderung der Temperatur zu einer Änderung des Druckes des Füllgases im Messwerk. Diese Druckänderung erzeugt eine Auslenkung der Rohrfeder, die über ein Zahnradsystem auf einen Zeiger übertragen wird.
  Die Temperatur kann dann auf einer kalibrierten Skala abgelesen werden.
  Vorratsgefäß und Kapillarleitung sind in einer Schutzhülse montiert, die fest mit dem Anzeigegehäuse verbunden ist. Durch eine verlängerte Kapillarleitung können Schutzhülse (Messstelle) und Anzeigegehäuse getrennt werden und über weite Distanzen übertragen werden.
  Der Vorteil gegenüber flüssigkeitsgefüllten Zeigerthermometern ist, dass die Kapillarleitung nur ein sehr kleines Volumen hat und die Volumenänderung des Gases darin vernachlässigt werden kann. Bis zu 100 m ist keine Kompensationsleitung, zur Korrektur der Temperaturänderungen an der Kapillarleitung, erforderlich.
  Messbereiche: -250 bis + 800 °C
  
  Vorteile von gasgefüllten Zeigerthermometern
  - Kleines Gasvolumen im Messwerk, damit schnelle Ansprechzeit
  - Ungiftiges Stickstoffgas, statt giftigem Quecksilber oder brennbarem Alkohol
    (deshalb ideal für Lebensmittelanwendungen)
  - Keine Kompensation der Fernleitung bis 100 m notwendig
  - Es wird keine Hilfsenergie, wie z.B. bei Pt100- Widerstandsthermometer, benötigt
Berührungslose Temperaturmessgeräte / Strahlungspyrometer