Pt100 - Sensoren und andere Temperaturmessgeräte

Temperaturmessung

• 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

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 /Infrarotthermometer

    

    Ein Strahlungspyrometer / Infrarotthermometer ist ein Messgerät, das die Temperatur eines Objekts ermittelt, ohne es zu berühren. Diese berührungslose Messmethode ist besonders nützlich, wenn Oberflächen schwer zugänglich (Maschinen, Elektronik), sehr heiß (Hochofen), beweglich oder hygienisch sensibel (Lebensmittel, Medizin) sind.
    
    Es basiert auf dem physikalischen Prinzip, dass alle Körper mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunkts (–273,15 °C) elektromagnetische Strahlung aussenden. Ein großer Teil dieser Strahlung liegt im Infrarotbereich, der für das menschliche Auge unsichtbar ist. Die Intensität und Wellenlänge dieser Strahlung hängen eng mit der Temperatur der Oberfläche zusammen. Je wärmer ein Objekt ist, desto stärker und kurzwelliger ist seine ausgesandte Infrarotstrahlung.
    Ein Infrarotthermometer macht sich genau diese Eigenschaft zunutze: Es „fängt“ die Strahlung ein und berechnet daraus die Temperatur.
    Dazu befindet sich im Inneren eines Infrarotthermometers ein optisches System, häufig bestehend aus einer Linse, die die eintreffende Wärmestrahlung bündelt. Diese gebündelte Strahlung trifft auf einen Detektor, meist einen Thermopile-Sensor, der die Wärmestrahlung direkt in elektrische Spannung umwandelt und durch eine nachgeschaltetet Elektronik ausgewertet wird Je mehr Strahlung eintrifft, desto höher die Spannung – und je höher die Spannung, desto höher die gemessene Temperatur.
    Die Elektronik im Infrarotthermometer übernimmt eine komplexe Signalverarbeitung, bei der mehrere Parameter berücksichtigt werden.
    So zum Beispiel:

    • Emissionsgrad (Emissivität) des Materials
    Ein entscheidender Faktor für eine präzise Messung ist der sogenannte Emissionsgrad. Dieser beschreibt, wie gut eine Oberflächeein Infrarotstrahlung abgibt. Der Wert liegt immer zwischen 0 und 1:
    • 1,0 = perfekter Schwarzkörper (maximale Strahlungsabgabe)
    • 0,0 = keine Strahlungsabgabe (theoretisch, praktisch nicht vorkommend)
    Blankes Metall – also z. B. polierter Edelstahl, Aluminium, Kupfer oder Chrom – besitzt eine sehr glatte, spiegelnde Oberfläche. Diese reflektiert den Großteil der eingestrahlten IR-Energie, statt sie selbst abzugeben. Dadurch ist die eigene Infrarotabstrahlung minimal und damit ist der messbare Emissionsgrad sehr niedrig (z.B.: poliertes Aluminium: 0,04–0,10, polierter Stahl: 0,07–0,15 oder poliertes Kupfer: 0,02–0,06).
    Infrarotthermometer können blanke Metalle schlecht direkt messen, weil das Gerät statt der Eigenstrahlung häufig die Spiegelung der Umgebung misst. Für blanke Metalle benötigt man deshalb eine Oberflächenvorbereitung (z. B. Klebeband, Farbe, Ruß), oder spezielle Metall-Pyrometer.
    Matte, nicht reflektierende, organische Materialien sind nahezu ideale IR-Strahler (z.B.: Haut: 0,97–0,98, Kunststoff: 0,93–0,98, Matte Wandfarbe: ~0,95, Holz: 0,90–0,97) Viele Infrarotthermometer verfügen über eine einstellbare Emissivität. Dadurch kann der Nutzer das Gerät an das zu messende Material anpassen, um präzise Ergebnisse zu erhalten.
    Bei Geräten mit festem Emissionswert ist die Genauigkeit bei bestimmten Materialien geringer, jedoch bleibt die Bedienung besonders einfach.
    • Umgebungstemperatur (für die interne Temperaturkompensation)
    • Spektrale Empfindlichkeit des Sensors
    • Optische Eigenschaften der Messoptik
    • Umgebungstemperatur (für die interne Temperaturkompensation)
    • Kalibrierkurven des Geräts

    Infrarotthermometer werden als kompakte Handgeräte mit integrierter Auswerteelektronik und Anzeige oder für den stationären Einbau mit getrenntem Sensor und Auswerteelektronik produziert.
    

    Messfleck und Distanzverhältnis

    Bei Infrarotthermometern spielt das Verhältnis von Messentfernung zu Messfleckgröße (engl. Distance-to-Spot-Ratio) eine wesentliche Rolle. Es beschreibt, wie groß der Bereich ist, aus dem das Thermometer die Strahlung aufnimmt. Ein Verhältnis von 12:1 bedeutet beispielsweise, dass das Gerät aus 12 cm Entfernung einen Messfleck von 1 cm Durchmesser erfasst.
    Je größer das Verhältnis, desto genauer lässt sich aus größerer Entfernung messen. Für präzise Ergebnisse sollte stets darauf geachtet werden, dass der Messfleck vollständig auf dem Zielobjekt liegt.
    
    Vorteile von Infrarotthermometern

    • Berührungslos
      ideal für heiße, gefährliche oder bewegliche Objekte
    • Schnelle Messung
      Ergebnisse in Bruchteilen einer Sekunde (deshalb ideal für Lebensmittelanwendungen)
    • Hygienisch
      keine Kontamination, besonders relevant im Lebensmittel- oder Gesundheitsbereich
    • Vielseitig
      funktioniert bei Maschinen, Flüssigkeiten, Wänden oder elektrischen Komponenten

    Chemische Temperaturmessung (Thermofarben, Temperaturmessstreifen)

    

    Thermofarben sind spezielle Farbpigmente, die ihre Farbe in Abhängigkeit von der Temperatur verändern.
    Sie eignen sich ideal für Produkte, bei denen Temperaturverläufe sichtbar gemacht werden sollen – etwa in der Industrie, im Labor oder im Alltag.
    Man unterscheidet 2 Arten von Thermofarben:

    • Reversible Thermofarben
      Diese wechseln ihre Farbe und kehren bei Normaltemperatur wieder zurück.
      Reversible Thermofarben enthalten mikrokapselierte Farbstoffsysteme, die auf Temperaturänderungen reagieren. In den Kapseln arbeiten meist Leuco-Farbstoff, Entwickler und Lösungsmittel zusammen. Wird eine bestimmte Temperatur erreicht, verändert sich die chemische Struktur des Farbstoffs – die Farbe verschwindet oder erscheint.
      Kühlen sie wieder ab, nimmt der Farbstoff seine ursprüngliche Struktur und damit seine Ausgangsfarbe wieder an.
    • Irreversible Thermofarben
      Diese verfärben sich dauerhaft und zeigen zuverlässig kritische Temperaturüberschreitungen an.
      Irreversible Thermofarben basieren auf Pigmenten oder chemischen Reaktionen, die sich durch Hitze dauerhaft verändern. Überschreitet die Temperatur einen definierten Schwellenwert, wandeln sich die Farbstoffmoleküle so um, dass sich die Farbe permanent ändert. Diese Reaktion lässt sich nicht rückgängig machen, wodurch Temperaturspitzen zuverlässig sichtbar bleiben.

    
    
    Thermofarben werden entweder direkt auf den zu messenden Gegenstand aufgetragen oder als Thermostreifen aufgeklebt. Thermostreifen bestehen aus einer dünnen Folie, auf der eine oder mehrere temperaturempfindliche Farbfelder aufgebracht sind.
    Sind mehrere verschiedene Thermofarben aufgebracht, kann auch ein größerer Temperaturbereich überwacht werden.
    Je nach Modell reagieren die Felder reversibel oder irreversibel.