elektrische Temperaturmessung

Elektrische Temperaturmessung
1 Elektrische Temperaturmessung
Die Erfassung der Temperatur ist in zahlreichen Prozessen von überragender Bedeutung. Ca. 45%
aller benötigter Messstellen fallen dabei auf die Temperatur. Man denke an Schmelzen, chemische
Reaktionen, Lebensmittelverarbeitung, Energiemessung und Klimatisierung. So unterschiedlich die
genannten Bereiche sind, so verschieden sind auch die Aufgabenstellungen an die Temperatursensoren,
ihre physikalischen Wirkungsprinzipien und technische Ausführung.
In Industrieprozessen ist der Messort vielfach weit vom Ort der Anzeige entfernt, da beispielsweise
bei Schmelz- und Glühöfen die Prozessbedingungen dies erfordern oder eine zentrale Messwerterfassung
gewünscht ist. Oft ist auch eine weitere Verarbeitung des Messwertes in Reglern oder Registriergeräten
gefordert. Hier eignen sich keine direkt anzeigenden Thermometer, wie man sie aus
dem Alltag kennt, sondern nur solche, welche die Temperatur in ein anderes, ein elektrisches Signal
umformen. Übrigens spricht man auch bei diesen elektrischen Messwertaufnehmern weiterhin
von Thermometern, wobei streng genommen immer der Messwertgeber, bestehend aus Sensorelement
und die ihn umgebende Schutzarmatur, gemeint ist.
In der industriellen elektrischen Temperaturmessung sind Pyrometer, Widerstandsthermometer
und Thermoelemente üblich. Daneben existieren noch Erfassungssysteme wie Schwingquarz-Sensoren
und faseroptische Systeme, denen bislang der Einzug in die Industrie jedoch noch nicht gelungen
ist.
1.1 Berührende Temperaturmessung
Für Messobjekte, die eine Berührung gestatten, eignen sich neben anderen Messmethoden besonders
Thermoelemente und Widerstandsthermometer. Sie werden in sehr großer Stückzahl eingesetzt
und beispielsweise für die Messung in Gasen, Flüssigkeiten, Schmelzen, Festkörpern an ihrer
Oberfläche und im Innern benutzt. Genauigkeit, Ansprechverhalten, Temperaturbereich und chemische
Eigenschaften bestimmen die verwendeten Sensoren und Schutzarmaturen.
Widerstandsthermometer nutzen die Tatsache, dass der elektrische Widerstand eines elektrischen
Leiters mit der Temperatur variiert. Es wird zwischen Kalt- und Heißleitern unterschieden. Während
bei den erstgenannten der Widerstand mit wachsender Temperatur ansteigt, nimmt er bei den
Heißleitern ab.
Zu den Kaltleitern zählen die metallischen Leiter. Als Metalle kommen dabei vorwiegend Platin,
Nickel, Iridium, Kupfer und nicht dotiertes Silizium (Spreading Resistance) zum Einsatz. Die weite
Verbreitung hat dabei das Platin-Widerstandsthermometer gefunden. Die Vorteile liegen unter anderem
in der chemischen Unempfindlichkeit dieses Metalles, was die Gefahr von Verunreinigungen
durch Oxidation und andere chemische Einflüsse vermindert.
Platin-Widerstandsthermometer sind die genauesten Sensoren für industrielle Anwendungen und
haben auch die beste Langzeitstabilität. Als Richtwert kann für die Genauigkeit beim Platin-Widerstand
±0,5% von der Messtemperatur angegeben werden. Nach einem Jahr kann auf Grund von
Alterungen eine Verschiebung um ±0,05K auftreten. Ihr Einsatzgebiet sind Temperaturbereiche bis
ca. 800°C, wobei das Spektrum der Einsatzmöglichkeiten von der Klimatechnik bis zur chemischen
Verfahrenstechnik reicht.
Heißleiter sind Sensoren aus bestimmten Metalloxiden, deren Widerstand mit wachsender Temperatur
abnimmt. Man spricht von Heißleitern, da sie erst bei höheren Temperaturen eine gute elektrische
Leitfähigkeit besitzen. Da die Temperatur/Widerstandskennlinie fällt, spricht man auch von einem
NTC-(Negative Temperature Coefficient-) Widerstand.
Wegen der Natur der zu Grunde liegenden Prozesse nimmt die Zahl der Leitungselektronen mit
wachsender Temperatur exponenziell zu, sodass die Kennlinie durch einen stark ansteigenden Verlauf
charakterisiert ist.
JUMO, FAS 146, Ausgabe 2007-01
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