Regelungstechnik
Temperaturmesstechnik (4)
luk2/2010, 2 Seiten
Physikalisches Prinzip Der Temperaturmessung mit Thermoelementen liegt folgendes physikalisches Prinzip zugrunde. Eine Verbindung zweier unterschiedlicher Metalle durch Schweißen, Löten oder Berühren liefert bei Erwärmung oder Abkühlung der Verbindungsstelle eine geringe elektrische Spannung. Diese wird üblicherweise Thermospannung genannt und ist proportional der Temperaturänderung. Die Thermospannung hängt stark von der Materialpaarung ab. Dieser Effekt wird als Seebeck-Effekt oder thermoelektrischer Effekt bezeichnet (Bild ). Um das resultierende elektrische Signal zu messen, müssen auch die Enden des Thermopaares z. B. über einen Strommessers miteinander verbunden werden. Herrscht an beiden Verbindungsstellen die gleiche Temperatur, fließt kein Strom, denn die an beiden Punkten entstehenden Teilspannungen heben sich auf. Sind die Temperaturen an den Verbindungsstellen jedoch unterschiedlich, so entstehen verschiedene Spannungen, die sich nicht mehr aufheben. Ein Thermoelement (TC - thermo couple) kann daher immer nur eine Temperaturdifferenz messen (Bild ). Die durch den thermoelektrischen Effekt verursachte Spannung ist sehr gering und beträgt nur wenige V bzw. mV je Kelvin. Daher werden Thermoelemente im Allgemeinen nicht zur Messung von Temperaturen im Bereich -30 ... +50 °C verwendet. Für die Kontaktspannung gilt: U = kA-B · T1 kA-B Thermoempfindlichkeit Thermoelektrische Spannungsreihe Die Thermoempfindlichkeit wird nicht für jedes Element, sondern bezogen auf Platin angegeben und als thermoelektrische Spannungsreihe dargestellt. Beispiele für thermoelektrische Spannungen verschiedener Metalle bezogen auf Platin zeigt Tafel . Die Spannungswerte gelten für eine Temperaturdifferenz von 100 K. Geringe Abweichungen der Tafelwerte können durch die Reinheit der Metalle verursacht sein. Beispiel. Thermopaar Kupfer und Konstantan (Cu - CuNi) im Bereich 0 ... 100 °C: kCu-Pt = 0,75 mV/100 K kCuNi-Pt = -3,2 mV/100 K kCu-CuNi = 3,95 mV/100 K Soll nun mit einem Messinstrument die Thermospannung an dem kalten Ende des Thermoelements gemessen werden, so entstehen bei der Verbindung der Messleitungen (z. B. aus Kupfer) mit den Thermoschenkeln wiederum Thermoelemente (Bild ). Die hierbei ebenfalls auftretenden Thermospannungen müssen bei der Messung berücksichtigt werden. Bei der in Bild dargestellten Schaltung treten drei Thermospannungen auf: Fe - CuNi Fe - Cu CuNi - Cu Für die im Bild gemessene Spannung gilt: U = UCu-Fe + UFe-CuNi + UCuNi-Cu Mit UCu-Fe = kCu-Fe · 2 UFe-CuNi = kFe-CuNi · 1 UCuNi-Cu = kCuNi-Cu · 3 und mit kCu-Fe = kCu-Pt - kFe-Pt kFe-Cu = kFe-Pt - kCuNi-Pt kCuNi-Cu = kCuNi-Pt - kCu-Pt ergibt sich durch Umformung für die gemessene Spannung: U = kCu-Pt - 3 ) + kCuNi-Pt - 1 ) + kFe-Pt - 2 Werden die beiden Verbindungsstellen Cu - Fe und Cu - CuNi auf konstanter und gleicher Temperatur (2 = 3 ) gehalten, so gilt für die Messtemperatur : U = kCuNi-Pt - 1 ) + kFe-Pt - 2 U = (kFe-CuNi ) · (1 - 2 Bisher wurden aus dem Bereich der elektrischen Berührungsthermometer [1] die drei Gruppen der Thermistoren, Silizium-Temperatursensoren und Widerstandsthermometer besprochen. Schwerpunkt in diesem Beitrag bildet die vierte und letzte Gruppe - die Thermoelemente. Regelungstechnik Temperaturmesstechnik (4) F a c h w i s s e n L e r n f e l d e r 6 - 1 3 6 LERNEN KÖNNEN 2/10 Messstelle - Verbindungsstelle, die der Messtemperatur ausgesetzt ist. Vergleichsstelle - Verbindungsstelle, an der eine bekannte Temperatur herrscht. Thermoelement - Kennzeichnung der gesamten Anordnung, die zur Erzeugung der Thermospannung erforderlich ist. Thermopaar - zwei verbundene, unterschiedliche Leiter. Thermoschenkel - die einzelnen Leiter (Plus- oder Minusschenkel). BEGRIFFE PtRh-Pt6Rh B Pt10Rh-Pt S Ni-CrNi K Fe-CuNi J NiCr-CuNi E Cu-CuNi T 0 400 800 1200 1600 Thermoelektrischer Effekt - - - Messpunkt Metall B Metall A Thermokreis mit Anschlussleitung CuNi Thermokreis 1 2 200 °C 0 °C Eisen (Fe) Konstantan (CuNi) Kennlinien von Thermoelementen Normen von Thermo- und Ausgleichsleitungen Quelle: Fischer-Rosemount Stoff thermoelektrische Spannung Silizium + 44,8 mV Nickelchrom + 2,2 mV Eisen + 1,88 mV Kupfer + 0,75 mV Silber + 0,73 mV Platin +/- 0 mV Nickel - 1,5 mV Kobalt - 1,7 mV Konstantan - 3,2 mV Tafel Thermoelektrische Spannungen ausgewählter Stoffe bezogen auf Platin bei einer Temperaturdifferenz von 100 K Element Typ max definiert + Schenkel - Schenkel in °C bis in °C Fe-CuNi J 750 1200 schwarz weiß Cu-CuNi T 350 400 braun weiß NiCr-Ni K 1200 1370 grün weiß NiCr-CuNi E 900 1000 violett weiß NiCrSi-NiSi N 1200 1300 rot orange Pt10Rh-Pt S 1600 1540 orange weiß Pt13Rh-Pt R 1600 1760 orange weiß Pt30Rh-Pt6Rh B 1700 1820 - - Fe-CuNi L 600 900 rot blau Cu-CuNi U 900 600 rot braun Tafel Material und Typen unterschiedlicher Thermoelemente Eine weitere wichtige Voraussetzung für die korrekte Temperaturmessung ist die Konstanthaltung der Vergleichsstellentemperatur (2 ). Da diese Problematik bei jeder Temperaturerfassung über Thermoelemente vorliegt, wurden verschiedene Anschlusstechniken für Thermoelemente entwickelt, die im folgenden Beitrag besprochen werden. Thermoelemente Der Temperaturbereich bei Thermoelementen reicht von -250 bis +1750 °C (Bild ). Es gelten folgende Anforderungen: · hoher Temperaturspannungskoeffizient, · linearer Temperatur-/Spannungsverlauf, · zeitliche Konstanz der thermoelektrischen Eigenschaften, Regelungstechnik F a c h w i s s e n L e r n f e l d e r 6 - 1 3 LERNEN KÖNNEN 2/10 Anschlusstechnik von Thermoelementfühlern Fortsetzung LERNEN & KÖNNEN · mechanische und chemische Beständigkeit bei hohen und tiefen Temperaturen, · Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion, · günstiges dynamisches Verhalten. Langzeitverhalten. Die maximale Einsatz-Temperatur der Materialien wird im Wesentlichen von ihrer Oxidierbarkeit und Alterung bei höheren Temperaturen bestimmt. Die Beständigkeit gegenüber oxidierenden und reduzierenden Atmosphären spielt dann kaum eine Bedeutung, wenn die Thermoelemente in gasdichten Schutzrohren eingebaut und dort hermetisch dicht eingebettet sind. Kennzeichnung. Für Thermoelemente wird nach DIN 19227 das nebenstehende Schaltzeichen verwendet. Thermopaare, Normwerte und Farbkennzeichnung sind im Bild zusammengefasst. Die Thermoelemente werden nach DIN und DIN IEC wie in Tafel gezeigt eingeteilt. Die angegebene Maximaltemperatur ist die Temperatur, bis zu der eine Grenzabweichung festgelegt ist. Sollten Thermodrähte nicht gekennzeichnet sein, so können folgende Unterscheidungsmerkmale hilfreich sein: Fe-CuNi Plusschenkel ist magnetisch Cu-CuNi Plusschenkel ist kupferfarben NiCr-Ni Minusschenkel ist magnetisch PtRh-Pt Minusschenkel ist weicher Literatur [1] Uphaus, J.: Regelungstechnik - Projekte für den Lernfeldunterricht; Aufgaben, Anwendungen, Simulationen Arbeitsheft. 2. Auflage. Troisdorf: Bildungsverlag EINS 2008. J. Uphaus
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- J. Uphaus
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