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Temperatur präzise erfassen: Mögliche Sensortechnologien und Anforderungen an Messverstärker

Temperatur ist die am häufigsten erfasste Größe in der Welt der Mess­technik. Dafür stehen verschiedene Sensoren und Methoden zur Verfügung. Eines der meist genutzten Verfahren ist die Temperaturermittlung mittels Thermoelement. In diesem Artikel geben wir Ihnen einen Überblick in die Thematik. 

Die Temperatur ist die am häufigsten erfasste Messgröße weltweit. Die genaue Erfassung von Temperaturveränderungen kann sowohl im statischen als auch im dyna­mischen Betrieb unterschiedlichster Systeme entscheidend sein.

Thermische Veränderungen können durch sehr viele Faktoren auftreten. Hier genannt seien z.B. Umwelteinflüsse (Hitze, Kälte), Eigenerwärmung des Sensors, Verbrennungs- oder Explosionsvorgänge, Durchfluss, mechanisch bewegte Systemteile und damit Reibung oder elektrischer Strom.

Temperaturänderungen wirken sich zumeist auch auf andere physikalische Größen aus, wie zum Beispiel auf die Höhe des elektrischen Stroms, die Dehnung, den Durchfluss oder den Druck. Im besten Fall werden diese thermischen Abhängigkeiten gleich zur Laufzeit berücksichtigt und kompensiert. Um die Messunsicher­heit aufgrund von Temperaturveränderungen zu verringern, spielt somit die präzise Erfassung von Temperatur­en eine wesentliche Rolle.

Die gewonnenen Temperaturprofile im Rahmen eines Versuchs oder Testaufbaus können z.B. zur Analyse und Optimierung des Systems herangezogen werden (Kühl- oder Heizkreisläufe, Auslegung von Material oder Leitungsquerschnitte beim Stromtransport).


Möglichkeiten der digitalen Temperaturerfassung

Gehen wir davon aus, dass wir die Temperaturen zeitsynchron zu vielen anderen Größen digital vergleichen möchten, ergeben sich die folgenden Möglichkeiten der Temperaturerfassung:

  • Sensoren, die ihren Widerstand verändern - wie z.B. Heißleiter (NTC), die ihren Widerstand bei Temperaturerhöhung verringern, bzw. Kaltleiter (PTC), die ihren Widerstand bei Temperaturerhöhung erhöhen (z.B. Platin- oder Silizium-Messwiderstände, aber auch Keramik-Kaltleiter).
  • Sensoren, die direkt ein elektrisches Signal liefern, wie z.B. integrierte Halbleiter-Temperatursensoren, welche analog zur Temperaturveränderung den Strom oder die Spannung ändern.
  • Temperaturfühler mit Schwingquarz als Messelement, dessen Resonanzfrequenz sich abhängig von der Temperatur verändert.
  • Pyrometer und Wärmebildkameras arbeiten berührungslos und messen die Wärmestrahlung
  • Faseroptische Temperatursensoren messen das Temperaturprofil entlang einer Glasfaser. Hierbei trägt der Raman-Effekt bei oder der temperaturabhängigen Änderung des Brechungsindex in Faser-Bragg-Gittern (FBG).
  • Und nicht zuletzt ist nach wie vor eine der gängisten Methoden zur Temperaturerfassung der Einsatz von Thermoelementen, welche eine Temperaturdifferenz durch den Seebeck-Effekt in eine elektrische Spannung umwandeln. Ein Thermoelement besteht aus zwei unterschiedlichen Metallen, die an einem Ende zusammengelötet oder geschweißt sind. Wird dieser Verbindungspunkt erwärmt, wird eine nichtlineare Spannung entsprechend der Temperatur erzeugt.
Isoliertes Thermoelement vom Typ K für das Messverstärkermodul QuantumX MX809B.
Isoliertes Thermoelement vom Typ K für das Messverstärkermodul QuantumX MX809B.
Faseroptische Temperatursensoren
Faseroptische Temperatursensoren, wie z.B. die Serie FS63 von HBM
Thomas Johann Seebeck (1770-1831)
Thomas Johann Seebeck (1770-1831), deutscher Physiker. Bildquelle: Wikipedia

Seebeck-Effekt zur Temperaturbestimmung

Thermoelemente machen sich den Seebeck-Effekt zunutze, um Temperatur zu messen. Der Physiker Thomas Johann Seebeck entdeckte den Zusammenhang von Wärme und Elektrizität – die Thermoelektrizität: Wird die Verbindungsstelle zweier verschiedener Metalle erwärmt, entsteht eine messbare und temperaturabhängige Spannung.

Thermoelemente sind an der Spitze verlötete Drähte, die mit einer Messelektronik verbunden sind. Unterscheidet sich die Temperatur an verschiedenen Punkten dieser Drähte, kommt es zu einer Ladungs­verschiebung. Das jeweilige Material der Drähte und ihre Leitfähigkeit bestimmen dabei die Beweglichkeit der Elektronen und somit die Größe der Ladungs­verschiebung. Wird die verlötete Ver­bindungsstelle der beiden unterschiedlichen Metalle erwärmt, treten die Elektronen in das jeweils andere Material über. Dabei entsteht aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen den verbundenen und den nicht-verbundenen Enden der Drähte eine thermoelektrische Spannung. Sie ist an den losen Drahtenden messbar. Ist die Tem­peratur am losen Drahtende bekannt, lässt sich zusammen mit der gemessenen Spannung auf die Temperatur an der Verbindungsstelle der beiden Drähte schließen. Die gemessene Spannung ist dabei sehr gering, sie hat nur wenige Dutzend Mikrovolt je Grad Celsius Temperaturdifferenz – das reicht jedoch aus, um die Temperatur sehr präzise zu bestimmen.

Typen von Thermoelementen

Es gibt verschiedene Typen von Thermoelementen. Sie unter­schei­den sich in den genutzten Materialien und deren Eigenschaften und bieten verschiedene Temperaturbereiche. Die einzelnen Typen sowie die entsprechenden Spannungsreihen und zulässigen Temperatur-Grenzabweichungen sind in der DIN EN 60584 festge­legt.

Das Thermoelement Typ K ist hierbei sehr verbreitet. Typ K steht für die Verbindung der Legierungen Nickel-Chrom und Nickel-Aluminium und ist ein Allzweck-Thermoelement. Es hat eine Empfind­lichkeit von rund 41 μV/°C (Mikrovolt pro Grad Celsius), ist günstig im Preis, hat einen sehr weiten Temperaturbereich von typischerweise -200 bis +1100 °C.

Weitere verbreitete Typen sind E, T, J, N (Nachfolger von K), C und S.

Stecker für Thermoelement Typ K (grün)
Stecker für Thermoelement Typ K (grün)
Stecker für Thermoelement Typ K (gelb)
Stecker für Thermoelement Typ K (gelb)
Stecker für Thermoelement Typ T (blau)
Stecker für Thermoelement Typ T (blau)
Stecker für Thermoelement Typ J (schwarz)
Stecker für Thermoelement Typ J (schwarz)

Anwendung von Thermoelementen

Thermoelemente kommen in einer Vielzahl unterschiedlichster Anwen­dungen in Forschung und Entwicklung zum Einsatz. So lassen sich mit Thermo­elementen komplexe Klimamodelle von Fahrzeuginnenräumen verifizieren und verbessern, Energiespeicher in den thermisch optimalen Zustand gefahren oder die Entmagnetisierung von Elektromotoren verhindert werden.

Vorteile von Thermoelementen

  • Robuste Bauweise
  • Hauchdünn herstellbar und damit schnelle Ansprechzeit (bis 0.1 Sekunde / 10 Hz) und nahezu überall integrierbar
  • Günstiger Preis
  • Weiter Temperaturbereich

Nachteile von Thermoelementen

  • Ausgleichsleitungen im gleichen Material nötig (Thermoleitungen)
  • Kontaktübergänge ergeben zusätzliche Thermoelemente, z.B. von Nickel-Chrom (NiCr) beim Thermoelement Typ K auf Kupfer im Messgerät, und damit Thermospannungen, die kompensiert werden müssen (Kaltstellenkompensation)
  • Genauigkeitsklasse
  • Nicht-lineare Kennlinie
  • Faktoren der Messunsicherheit
  • Häufig müssen Temperaturmessungen in Umgebungen mit hohen elektromagnetischen Störeinflüssen durchgeführt werden.

Systeme unter Test wie z.B. Verbrennungsmotoren, Kompressoren oder elektrischen Antrieben erzeugen ihr eigenes elektrisches Rauschen. Hochspannungsentladungsobjekte wie Zündkerzen, hohe Ströme und Spannungen nahe der Messstelle tragen zur verrauschten Umgebung bei.

Das optimale Messdatenerfassungssystem für die Temperaturmessung mit Thermoelementen

Das optimale Messdatenerfassungssystem erfasst kleinste Signale, meistert alle Herausforderungen bei sich verändernden Umweltbedingungen und unterdrückt auch andere Störgrößen wie Signalrauschen.

HBM bietet mit QuantumX ein Messdaten­erfassungssystem an, das sich allen üblichen physikalischen Messgrößen bestmöglich widmet und mit der Software catman die Datenanalyse einfach abbildet.

Speziell für die Anbindung von Thermoelementen stehen derzeit folgende Gerätetypen zur Verfügung:

  • MX1609KB: 16-kanaliger Messverstärker, Typ K
  • MX1609TB: 16-kanaliger Messverstärker, Typ T
  • MX1609KB-R: Robuster Messverstärker mit 16 individuell konfigurierbaren Kanälen für Thermoelemente Typ K (Serie SomatXR)
  • MX809B: 8-kanaliger Messverstärker, jeder Typ (Kupferbuchse)
  • MX840B/MX440B: 8/4-kanaler Universal-Messverstärker, jeder Typ

Mit QuantumX Temperatur und viele weitere Messsignale erfassen

Um Temperaturen mittels Widerstandthermometern oder  Thermoelementen präzise zu erfassen, bie­tet HBM das Messdatenerfassungssystem (DAQ) QuantumX an. Die QuantumX-Familie ist modular aufgebaut und beliebig skalierbar. Es lassen sich beliebige Signale, Sensoren und Aufnehmer anschließen und physikalische Größen wie Temperatur, Dehnung, Druck, Kraft, Drehmoment, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Position, Durch­fluss, Spannung oder Strom zeitgleich digitalisieren.

QuantumX – das DAQ-System für exakte Temperatur-Messergebnisse

Das modulare Messdatenerfassungssystem QuantumX verarbeitet Messgrößen wie Temperatur enorm präzise:

  • Vielfältig einsetzbar für Forschung und Entwicklung in Branchen wie der Maschinenbau-, Automotive-, Medizintechnik- und Aerospaceindustrie
  • Erfasst Temperatur sehr präzise bis 0,1 K genau
  • Robust gegen Störeinflüsse
  • Sichere Messungen auf hohem Spannungspotential (VDE-Zertifiziert)
  • Automatische Kanalparametrierung mittels Funk-TEDS (RFID)
  • Ideal für statische und hochdynamische Messungen frei wählbaren Messraten von 0,1 bis 40,000 S/s.
  • Optimale Datenübertragung per Ethernet und integrierbar in jede beliebige Software
Thermoelement-Messverstärker QuantumX MX1609B
Thermoelement-Messverstärker QuantumX MX1609B
Ultra-robuster Temperatur-Messverstärker SomatXR MX1609KBR
Ultra-robuster Temperatur-Messverstärker SomatXR MX1609KBR
Messverstärker MX809B für das Messen von Temperaturen und Spannungen auf hohem Potenzial
Messverstärker MX809B für das Messen von Temperaturen und Spannungen auf hohem Potenzial
Universal-Messverstärker QuantumX MX840B
Universal-Messverstärker QuantumX MX840B

QuantumX bietet die optimale Technologie für nahezu jeden Einsatzfall:

  • Universelle oder spezielle Eingänge – alle oder bestimmte Typen.
  • Kanal-individuelle Kaltstellenkompensation nahe am Übergang auf Kupfer mit hoher Genauigkeit (PT1000).
  • Galvanische Trennung der Kanäle untereinander, zur Spannungsversorgung und Netzwerk und damit Unterdrückung von Störgrößen.
  • Sichere Messkette durch doppel-isolierte Leitung, Stecker mit Berührschutz, hohe elektrische Isolation (siehe Messkategorien), verifiziert durch den VDE.
  • Integrierte Linearisierungskennlinien gemäß IEC-Polynom.
  • Zweite anwendungs-spezifische Linearisierung durch thermische Kalibrierung mehrerer Punkte (z.B. Eiswasser und 200 °C) zur Korrektur des Polynoms.
  • Robust und klein mit erweitertem Temperaturbereich.
  • Automatische Kanalparametrierung, Anzeige der Messstelle und individuelle Linearisierung mittels TEDS (RFID-Technologie)
  • Individuelle Messraten pro Kanal + Tiefpassfilter.
  • Erweiterbares, frei skalierbares Systemkonzept.
  • Zeit-synchrone Messung.
  • Einfach in jede beliebige Software integrierbar – mit catman von HBM eine einfache und umfassende Lösung für Datenerfassung und Analyse.
  • In Echtzeit integrierbar (EtherCAT, CAN-Bus).
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