Regelungstechnik
Temperaturmesstechnik (5)
luk3/2010, 2 Seiten
Auswahlkriterien Merkmale. Nachdem in [2] das physikalische Prinzip von Thermoelementen erläutert und die Problematik der thermoelektrischen Spannungsreihe gezeigt wurde, werden für die weiteren Betrachtungen auch die einführenden Betrachtungen zu den Thermoelementen an sich vorausgesetzt. Darauf aufbauend zeigt Tafel die charakteristischen Merkmale verschiedener Thermoelemente. Grenzabweichung. Für Thermoelemente nach IEC 584 sind 3 Toleranzabweichungen definiert, z. B. Thermoelement Typ T (Cu-CuNi): Klasse 1 -40 °C bis 125 °C +/-0,5 K 125 °C bis 350 °C +/-0,4 % Klasse 2 -40 °C bis 133 °C +/-1,0 K 133 °C bis 350 °C +/-0,75 % Klasse 3 -200 °C bis -67 °C +/-1,5 % -67 °C bis 40 °C +/-1,0 K Bauformen. Thermoelemente sind in unterschiedlichen Bauformen erhältlich (Bild ): · Mantelthermoelement, · Thermoelement im Schutzrohr, · Thermopaar ohne Schutzrohr, · Folienthermoelement. Anschlusstechnik von Thermoelementfühlern Das Thermoelement oder Thermopaar endet zumeist im Anschlusskopf (Bild ). Die Vergleichsstelle wird aus konstruktiven, wirtschaftlichen oder sicherheitstechnischen Gründen in großem Abstand zur Messstelle angebracht. In diesem Fall werden Ausgleichsleitungen benötigt, die die gleichen thermoelektrischen Eigenschaften aufweisen müssen wie das Thermoelement selbst. Sie verbinden das Thermoelement mit der entfernten Vergleichsstelle. Thermokreis ohne Ausgleichsleitungen Ohne Ausgleichsleitungen treten an den Verbindungsstellen Thermopaar-Zuleitung zusätzliche Thermospannungen auf, die das Messergebnis verfälschen (Bild ). Für Messungen, die eine größere Messunsicherheit erlauben (z. B. Zündflammenüberwachung bei Gasheizungen) ist der Einsatz dieser einfachen Schaltung möglich. Das Material der Ausgleichsleitungen kann aus dem gleichen Werkstoff wie das Thermopaar sein, oder aber aus einem Ersatzwerkstoff mit vergleichbaren Eigenschaften. Für die Thermopaare NiCr-Ni und PtRh-Pt werden diese Ersatzwerkstoffe häufig genutzt, da sie preiswerter sind als die Thermopaar-Werkstoffe. Thermospannungsfreie Stecker Die Verlängerung einer Zuleitung mit gleichem Material über eine Klemme hat dann keinen Einfluss auf das Messergebnis, wenn die beiden Seiten der Klemme gleiche Temperaturen aufweisen (Bild ). Da bei Gehäuseeinführungen oftmals unterschiedliche Temperaturen außerhalb und Zu der Gruppe elektrischer Berührungsthermometer [1] zählen Thermistoren, Silizium-Temperatursensoren, Widerstandsthermometer sowie Thermoelemente. Letztere bildeten in [2] den Schwerpunkt der Betrachtungen. Abschließend werden die Auswahlkriterien genannt, Toleranzabweichungen definiert, unterschiedliche Bauformen gezeigt und Anschlusstechniken dargestellt. Regelungstechnik Temperaturmesstechnik (5) 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 3/10 Element Grenztemperatur Eigenschaft Cu-CuNi 350 °C geringe Verbreitung Fe-CuNi 700 °C stark verbreitet, preiswert, korrosionsgefährdet NiCr-CuNi 700 °C geringe Verbreitung, hohe Thermospannung Ni-CrNi 1000 °C 800 °C ... 1000 °C häufig eingesetzt, auch für den unteren Temperaturbereich geeignet NiCrSi-NiSi 1300 °C (noch) wenig verbreitet, kann teilweise edle Elemente ersetzen Pt10Rh-Pt 1500 °C hohe Kosten, sehr gute Langzeitkonstanz, eng toleriert Pt30Rh-Pt6Rh 1700 °C hohe Kosten, geringste Thermospannung, hohe Maximaltemperatur Tafel Charakteristische Merkmale verschiedener Thermoelemente Bauformen für Thermoelemente CuNi Kupfer Thermopaar Zuleitung Anschlusskopf U1 U2 CuNi Verlängerung über eine Klemme Thermokreis ohne Ausgleichsleitungen im Innern des Gehäuses herrschen, gibt es thermospannungsfreie Stecker, die dieses Problem beseitigen (Bild ). Konstante Vergleichsstellentemperatur Ist eine größere Leitungslänge erforderlich, so sollte die Zuleitung abgeschirmt und der Schirm einseitig aufgelegt oder am Gerät geerdet werden. Sind Thermoelemente leitend mit einem Schutzrohr verbunden, so ist erhöhte Vorsicht geboten. Hier können Einkopplungen von Spannungen auf die angeschlossenen Geräte leicht zu Störungen oder Fremdspannungen führen. Bei galvanischer Trennung der Thermoelemente werden diese Schwierigkeiten umgangen. Eine Möglichkeit, die Messfehler durch zusätzliche Thermospannungen zu vermeiden besteht, wenn die Vergleichsstellentemperatur konstant gehalten (meist bei 50 °C oder 60 °C) und deren Einfluss berücksichtigt wird (Bild ). Hier regelt ein Thermostat die Vergleichstellentemperatur und ermöglicht eine fehlerfreie Temperaturmessung. Kompensationsmessdose Eine dritte Variante bei der Temperaturmessung mit Thermoelementen stellt die Kompensationsmessdose dar. Hier ist die Vergleichsstelle nicht temperiert und es ergeben sich veränderliche Thermospannungen, deren Einfluss jedoch in einer Brückenschaltung mit NTC-Widerstand kompensiert wird (Bild ). Verschiedene Messumformer können die gemessene Temperatur direkt in ein Standardsignal (z. B. 4...20 mA) wandeln. Befindet sich der Messumformer direkt im Anschlusskopf, wird eine störsichere Signalübertragung möglich. Bei Messschaltungen für Thermoelemente als aktive Geber ist besonders auf eine geringe Strombelastung zu achten, die hochohmige Schreiber oder Messverstärker erforderlich machen. So geht der Messleitungswiderstand und dessen Änderung nicht als systematischer Fehler in die Messung ein. Literatur [1] Uphaus, J.: Regelungstechnik - Projekte für den Lernfeldunterricht; Aufgaben, Anwendungen, Simulationen Arbeitsheft. 2. Auflage. Troisdorf: Bildungsverlag EINS 2008. [2] Uphaus, J.: Temperaturmesstechnik (4). Elektropraktiker Berlin, 64(2010)2, Lernen und Können S. 6-7. J. Uphaus F a c h w i s s e n L e r n f e l d e r 6 - 1 3 8 LERNEN KÖNNEN 3/10 Thermostecker CuNi = konst. Thermokreis mit Ausgleichsleitungen und temperierter Vergleichsstelle 4...20 mA Thermokreis mit Kompensation Antennentechnik
Autor
- J. Uphaus
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