Ratgeber
In der Steuer-, Mess- und Regel-Technik ist es oftmals unumgänglich Temperaturen exakt zu erfassen. Nur so ist gewährleistet, dass Maschinen, Anlagen und sonstige technischen Einrichtungen störungsfrei arbeiten. Aber auch bei der Herstellung und Verarbeitung von Lebensmitteln spielen Temperaturmessungen eine wichtige Rolle. Schließlich müssen in diesem Bereich umfangreiche Hygienevorschriften unbedingt eingehalten werden.
So vielfältig die Anforderungen für die Temperaturerfassung auch sind, genauso vielfältig sind auch die angebotenen Lösungen. Besonders bei den Temperaturfühlern bzw. Temperatursensoren gibt es wichtige Punkte zu beachten, die wir Ihnen gerne genauer erklären.
Bei der Temperatur handelt es sich um eine physikalische Größe. Um sie elektronisch erfassen zu können, muss die physikalische Größe in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Zu diesem Zweck kommen Temperaturfühler zur Anwendung.
Ein Temperaturfühler liefert ein elektrisches Signal, welches im direkten Zusammenhang zur gemessenen Temperatur steht.
Damit die Messtechnik zuverlässig funktioniert, muss der Temperaturfühler für den jeweiligen Temperaturbereich ausgelegt sein. Aber auch die Bauform des Fühlers ist wichtig. Die wiederum ist davon abhängig, ob in Gas, Flüssigkeiten, Schüttgütern oder dampfförmigen Medien gemessen wird. Die korrekte Erfassung von Oberflächen-, Körper- und Materialtemperaturen setzt ebenfalls besondere Bauformen der Temperatursensoren voraus.
Um alle erdenklichen Einsatzanforderungen optimal zu erfüllen, gibt es die unterschiedlichsten Temperatursensoren, die wir nachfolgend genauer betrachten.
Bei der Umwandlung von Temperaturwerten in elektrische Signale gibt es unterschiedliche technische Möglichkeiten:
Widerstands-Sensoren
Eine Möglichkeit die Temperatur zu erfassen ist ein Widerstand, der je nach Temperatur seinen Widerstandswert verändert. Diese Temperatursensoren werden auch als „Resistance Temperature Detector“ oder kurz als RTD bezeichnet. Bei den temperaturabhängigen Widerständen gibt es zwei unterschiedliche Varianten:
Heißleiter (NTC)
Bei steigender Temperatur verringert ein Heißleiter seinen elektrischen Widerstand. Heißleiter bestehen aus Metalloxiden oder Halbleitern. Falls sie zu Messzwecken eingesetzt werden, werden sie auch Thermistoren genannt.
Kaltleiter (PTC)
Ein Kaltleiter vergrößert seinen elektrischen Widerstand, wenn die Temperatur erhöht wird. Klassische Vertreter sind z.B. Platin-Messwiderstände vom Typ PT100 oder PT1000.
Diese Widerstände weisen bei 0°C einen Widerstandswert von 100 oder 1000 Ohm auf. Der angegebene Temperatur-Messbereich liegt bei ca. -200°C bis +850°C.
Allerdings werden in der Praxis keine so hohen Werte erreicht. Die genauen Grenzwerte laut DIN EN Norm sind auch von der Genauigkeit des Messwiderstands abhängig und den technischen Unterlagen des Sensors zu entnehmen.
Vor- und Nachteile von metallischen PTCs
| Vorteile | Nachteile |
|---|---|
| Stabilität | Preis |
| Genauigkeit | Ansprechzeit |
| Linearität | Stromquelle erforderlich (Eigenerwärmung) |
Alternativ zu den Platin-Messwiderständen gibt es noch Silizium-Messwiderstände mit der Typenbezeichnung KTY….
Diese werden im Bereich von -50 °C und 150 °C eingesetzt.
Sie bieten aufgrund ihrer geringen Masse ein schnelles Ansprechverhalten, eine geringe Toleranz sowie eine hohe Langzeitstabilität.
Thermoelektrische Sensoren
Diese Temperatursensoren werden auch als Thermoelemente bezeichnet. Bei einem Thermoelement werden zwei unterschiedliche Metalle bzw. Legierungen auf einer Seite miteinander verbunden. Wenn beide Metalle über ihre komplette Länge einem Temperaturunterschied ausgesetzt sind, kann an den offenen Enden der beiden Metalle eine geringe elektrische Spannung gemessen werden.
Die Höhe dieser Thermospannung liegt je nach gemessener Temperatur im Bereich von einigen mV (1/1000 V) und ist von der verwendeten Materialkombination abhängig.
Dieser thermoelektrische Effekt wird nach seinem Entdecker Thomas Johan Seebeck auch Seebeck-Effekt genannt.
Gut zu wissen
Im Gegensatz zu temperaturabhängigen Widerständen brauchen Thermoelemente keine Hilfsspannung, um ein Messergebnis zu erzeugen. Allerdings messen Thermoelemente nicht die absolute Temperatur, sondern lediglich den Temperaturunterschied zwischen der Messstelle (2) und der Vergleichsstelle (4).
Für die Berechnung der Temperatur an der Messstelle (rot) muss die Temperatur der Vergleichsstelle (blau) bekannt sein. Die Vergleichsstelle können z.B. die Anschlussklemmen der Auswerteelektronik sein. Bei Multimetern mit Temperaturmessfunktion ist oft ein temperaturabhängiger Widerstand in der Nähe der Anschlussklemmen verbaut. Dadurch kann die Temperatur an den Anschlussklemmen, die als Vergleichsstelle fungieren, genau erfasst werden.
Durch Verwendung von Thermoleitungen oder Ausgleichsleitungen kann die Vergleichsstelle von der Messstelle räumlich getrennt sein.
Thermoelement-Metalle (1 und 3), Verbindungspunkt und Messstelle (2), Vergleichsstelle (4), Spannungsmessung (5). Thermo-/Ausgleichsleichsleitungen (6).
Thermoleitungen
Thermoleitungen bestehen aus dem gleichen Metall-Material wie das Thermoelement. Deshalb wird eine Thermoleitung zum Thermoelement, wenn auf einer Seite die beiden Leiter elektrisch miteinander verbunden werden.
Ausgleichsleitungen
Ausgleichsleitungen sind Verbindungsleitungen vom Thermoelement zur Vergleichsstelle. Sie bestehen aus Ersatzwerkstoffen, wie z.B. Kupfer, die nicht mit der Metall-Paarung des Thermoelements identisch sind.
Thermoelement-Typen
Je nach Zusammensetzung und Kombination der beiden Metalle werden Thermoelemente in unterschiedlichen Typen eingeteilt. Die nachfolgende Tabelle zeigt die am häufigsten vorkommenden Material-Kombinationen.
| Thermoelement-Typ | Metall-Material | Max. Temperatur | Ader-Isolierung | Mantel-Isolierung |
|---|---|---|---|---|
| J | Eisen (Fe) / Konstantan (Cu-Ni) | 750 °C | Schwarz / Weiß | Schwarz |
| T | Kupfer (Cu) / Konstantan (Cu-Ni) | 370 °C | Braun / Weiß | Braun |
| K | Nickel-Chrom (Ni-Cr) / Alumel (Ni-Al) | 1260 °C | Grün / Weiß | Grün |
| E | Chrom-Nickel (Cr-Ni) / Konstantan (Cu-Ni) | 900 °C | Violett / Weiß | Violett |
| N | Nicrosil (Ni-Cr-Si) / NiSi (Ni-Si) | 1260 °C | Rosa / Weiß | Rosa |
| S | Platin-13%Rod / Platin (Pt) | 1600 °C | Orange / Weiß | Orange |
| B | Platin-30%Rod / Platin-6%Rod | 1700 °C | Grau / Weiß | Grau |
Hinweis:
Die Maximaltemperatur ist jeweils für das Thermoelement und unter optimalen Umgebungsbedingungen angegeben. Jedoch gibt es bei den Thermoelementen noch unterschiedliche Genauigkeitsklassen, die sich ebenfalls auf den Temperaturbereich auswirken. Zudem liegen die Einsatztemperaturen von eventuell eingesetzten Schutzrohren deutlich niedriger. Deshalb sind immer die Maximalwerte in den technischen Unterlagen der Temperaturfühler ausschlaggebend.
Vor- und Nachteile von Thermoelementen
| Vorteile | Nachteile |
|---|---|
| Keine Spannungsquelle erforderlich | Nicht linear |
| Schnelles Ansprechverhalten | Aufwändige Kompensation erforderlich |
| Einfache Herstellung und niedriger Preis | Ausgangsspannung gering |
| Viele Bauformen | Vergleichsstelle erforderlich |
| Einsatz bei hohen Temperaturen | Ausgleichsleitung erforderlich |
Der breite Bandsensor mit großer Auflagefläche ermöglicht eine gute Wärmeübertragung und ein exaktes Messergebnis.
Wie bereits angesprochen, gibt es bei den Temperatursensoren unterschiedliche Funktionsweisen zur Temperaturerfassung. Aber auch die Bauformen der Sensoren sind extrem unterschiedlich. Getreu dem Motto „Die Form folgt der Funktion“ haben die Hersteller das Design ihre Temperatursensoren so angepasst, dass sie ihre Messaufgaben perfekt erfüllen können. Dies trifft insbesondere auf folgende Sensoren zu:
Aber auch die Messbedingungen können Einfluss auf den mechanischen Aufbau eines Temperatur-Sensors haben. Lebensmittel-Temperaturfühler müssen den einzuhaltenden Hygiene-Vorschriften entsprechen und weisen deshalb Edelstahl-Schutzgehäuse auf.
Zudem ist auch der Messeinsatz entscheidend. Wenn lediglich zur Qualitätskontrolle stichprobenartige Temperaturmessungen durchgeführt werden, muss der Fühler mit einem geeigneten Griffstück versehen sein. Bei permanenten Messungen ist auf eine sichere Montage des Sensors sowie eine feste Verdrahtung mit der Auswerteeinheit zu achten.
Austausch eines defekten Fühlers
Wenn ein defekter Fühler ausgetauscht werden soll, muss genau feststehen, um welchen Fühlertyp es sich handelt. Die einzelnen Fühlertypen wie z.B. PT100, PT1000, KTY, NTC oder Thermoelementen sind untereinander nicht kompatibel. Deshalb muss in den technischen Daten des jeweiligen Systems nachgeschlagen werden, welcher Fühlertyp verbaut wurde. Im Zweifelsfall sollte der Hersteller der Maschine oder der Anlage kontaktiert werden.
Wenn der exakte Fühlertyp feststeht, muss die mechanische Adaption getestet werden. Nur wenn sich der Temperatursensor am Montageort vorschriftsmäßig anbringen lässt, kann auch die Temperatur richtig erfasst werden. Ansonsten kann es bei Maschinen und Anlage leicht zu Fehlfunktionen kommen.
Installation einer Temperaturmessung
Wenn eine Temperaturmessung oder auch eine Temperaturregelung realisiert werden soll, müssen der Temperatursensor und die Auswerteeinheit perfekt zusammen passen.
Aus diesem Grund wird z.B. bei Temperaturreglern immer genau angegeben, für welche Art von Temperaturfühler sie ausgelegt sind.
Wie prüfe ich einen Temperaturfühler auf Funktion?
Widerstands-Temperaturfühler besitzen einen definierten ohmschen Widerstand, der in den technischen Daten angegeben ist. Mit einem Multimeter können diese Angaben relativ leicht auf Plausibilität geprüft werden. Ähnliches gilt für Messumformer, die beispielsweise in der Regeltechnik genutzt werden. Auch hier bieten Multimeter die passenden Messbereiche zur prinzipiellen Funktionskontrolle.
Bei Thermoelementen hilft entweder ein Multimeter mit entsprechendem Messeingang (meist als Typ NiCr-Ni vom Typ K ausgeführt) oder ein probeweiser Austausch des Fühlers. Eine direkte Messung ist hier nicht möglich, sieht man vom Auffinden eines Kurzschlusses oder Drahtbruchs ab.
Wann wird ein Temperatur-Messumformer benötigt?
Messumformer werden dann eingesetzt, wenn die Temperaturen von weit entfernten Messstellen erfasst werden sollen. In diesem Fall wirkt sich die Leitungslänge nicht negativ auf das Messergebnis aus. Zudem sind Messumformer dann notwendig, wenn die Auswerteelektronik nur Normsignale (z.B. 0 - 10 V oder 0 - 20 mA) am Eingang zulässt.
Welches Verlängerungskabel kann man für Temperaturfühler verwenden?
Bei Widerstands-Temperaturfühlern ist der Widerstand eines Verlängerungskabels nicht ganz so kritisch. Wenn der Temperatur-Messwiderstand 100 Ohm (PT100) oder 1000 Ohm (PT1000) aufweist, fällt ein Leitungswiderstand von unter einem Ohm nicht ins Gewicht.
Bei Thermoelementen sind geeignete Thermoleitungen oder Ausgleichsleitungen zu verwenden.
Wie kann ich einen Temperaturfühler vor bestimmten Einflüssen schützen?
Im Idealfall wählt man Temperatursensoren aus, die bereits vom Hersteller für den Einsatz in Gas, Flüssigkeiten oder aggressiven Medien vorgesehen sind. Behelfsmäßige Bastellösungen mit zusätzlichen Schutzrohren aus Metall oder Kunststoff können zu erheblichen Fehlmessungen führen. Wenn präzise Temperatur-Daten nicht vorliegen, können elektrische Steuerungen unter Umständen komplett versagen.