elektrische Temperaturmessung

1 Elektrische Temperaturmessung
Diese starke Nichtlinearität ist ein großes Manko der NTC-Widerstände und schränkt die zu erfassenden
Temperaturbereiche auf ca. 50Kelvin ein. Zwar ist eine Linearisierung durch eine Reihenschaltung
mit einem rein ohmschen Widerstand von etwa zehnfachem Widerstandswert möglich,
Genauigkeit und Linearität genügen jedoch über größere Messspannen meist nicht den Anforderungen.
Auch die Drift bei Temperaturwechselbelastungen ist höher als bei den anderen aufgezeigten
Verfahren [7]. Wegen des Kennlinienverlaufes sind sie empfindlich gegenüber Eigenerwärmung
durch zu hohe Messströme. Ihr Aufgabengebiet liegt in einfachen Überwachungs- und Anzeigeapplikationen,
wo Temperaturen bis 200°C auftreten und Genauigkeiten von einigen Kelvin hinreichend
sind. In derartig einfachen Anwendungsfällen sind sie allerdings wegen ihres niedrigen Preises
und durch die vergleichsweise einfache Folgeelektronik den teureren Thermoelementen und
(Metall-)Widerstandsthermometern überlegen. Auch lassen sich sehr kleine Ausführungsformen
mit kurzen Ansprechzeiten und geringen thermischen Massen realisieren. Sie werden an dieser
Stelle nicht näher behandelt.
Thermoelementen liegt der Effekt zu Grunde, dass sich in einem Draht entlang eines Temperaturgefälles
in Abhängigkeit von der elektrischen Leitfähigkeit des Werkstoffes eine Ladungsverschiebung
einstellt. Werden zwei Leiter mit verschiedener Leitfähigkeit an einer Stelle in Kontakt gebracht,
so kann in Abhängigkeit von der Grösse des Temperaturgefälles durch die unterschiedliche
Ladungsverschiebung eine so genannte Thermospannung gemessen werden.
Thermoelemente haben gegenüber Widerstandsthermometern den eindeutigen Vorteil einer höheren
Temperatur-Obergrenze von bis zu mehreren tausend Grad Celsius. Ihre Langzeitstabilität ist
demgegenüber schlechter, die Messgenauigkeit etwas geringer.
Ein häufiges Einsatzgebiet sind Öfen, Messungen in Schmelzen, Kunststoffmaschinen und anderen
Einsatzgebieten oberhalb 250°C.
1.2 Berührungslose Temperaturmessung
In diese Kategorie fallen Objekte, die sich bewegen oder einer Messung nicht zugänglich sind.
Hierzu zählen beispielsweise Drehöfen, Papier- oder Folienmaschinen, Walzstraßen, fließende
Schmelzen usw. Weiterhin Objekte mit geringer Wärmekapazität und -leitung. Aber auch die Messung
eines Objektes in einem Ofen oder über eine größere Entfernung. Dann schließen sich berührende
Messungen aus, und man benutzt die vom Messobjekt ausgehende Wärmestrahlung als
Messgröße.
Derartige berührungslose Temperaturmessgeräte, die Pyrometer, entsprechen dem prinzipiellen
Aufbau nach einem Thermoelement, das über eine Optik die von einem heißen Körper emittierte
Wärmestrahlung erfasst. Ist sichergestellt, dass immer das gleiche (gesamte) Bildfeld des Pyrometers
vom Messobjekt ausgefüllt wird, kann dieses einfache Messprinzip zur Temperaturerfassung
herangezogen werden.
Andere Bauformen arbeiten etwas anders: Sie filtern eine bestimmte Wellenlänge aus der aufgenommenen
Strahlung heraus und bestimmen den Anteil dieses Strahlenanteiles an der Gesamtstrahlung.
Je höher die Temperatur eines Körpers ist, desto größer wird der Anteil kürzerer Wellenlängen;
das von ihm abgestrahlte Licht erscheint immer bläulicher. So ändert sich ja bekanntlich
die Farbe eines glühenden Körpers vom anfänglichen Rot immer mehr zur Weißglut, was sich in
dem höheren Blauanteil begründet. Pyrometer arbeiten allgemein nicht im sichtbaren Bereich, sondern
sind für infrarote Strahlung empfindlich, da die der gemessenen Strahlung entsprechenden
Objekttemperaturen zu niedrig sind, um in messbarem Maße sichtbare Wellenlängen auszustrahlen.
Die Strahlung erreicht nach dem Passieren des Spektralfilters eine Thermosäule, das sind mehrere
auf einem Halbleiterchip untergebrachte Thermoelemente, die in Reihe geschaltet sind, und führt
dort zur Bildung einer Thermospannung, die verstärkt wird und dann als Ausgangssignal zur Verfügung
steht. Sie umfasst beispielsweise einen Bereich von 0 ... 20mA für Temperaturen innerhalb
8 JUMO, FAS 146, Ausgabe 2007-01