Themperatursensoren
Allgemeines
Ein wichtiger Prozessparameter in der Industrie ist die Temperatur. Instrumente zur Temperaturmessung kann man in Strahlungspyrometer, Ausdehnungsthermometer (Bimetallthermometer), Widerstandsthermometer und Thermoelemente einteilen. Die Vielseitigkeit dieser Sensoren lässt sie natürlich auch in vielerlei Hinsicht Verwendung finden z.B. Reaktoren, chemischen Industrie, Gießereien, Medizin, Raumfahrt, Haushalt, und auch, nicht zu vergessen, als Temperaturwächter von JÜbertaktetenprozessorenJ,u.v.m.
Strahlungsthermometer (Pyrometer)
Neben dem Wärmeaustausch durch Wärmeleitung und Konvektion tauschen Körper mit ihrer Umgebung auch Wärme durch Strahlung aus (IR-Strahlen). Die Wärmestrahlung eines Messobjektes wird optisch gefiltert und auf einen Strahlungsempfänger gebündelt. Dessen elektrische Reaktion besteht in einer je nach verwendetem Prinzip direkt oder über eine Temperaturerhöhung indirekt induzierten Änderung des Widerstandes, der Spannung oder des Stromes des Strahlungsempfängers. Die elektrische Änderung wird verstärkt, gemessen und weiterverarbeitet. Ein grosser Vorteil ist die Erfassung der
Temperatur der schwebenden Materialproben (Raumfahrt).
Die Daten dieses Pyrometers:
- Temperaturbereich: 300°C bis 2400°C · Ansprechzeit: 0.9 µs
- Übertragungsbandbreite: 1 MHz und reduziert 100 Hz
- Spektralbereich: 1 bis 2,5 µm und 3 bis 4 µm
- abbildende Optik: 3 mm Durchmesser in 170 mm Abstand.
Abb.:Flugeinheit des Strahlungspyrometers
Bimetallthermometer
Das temperaturempfindliche Sensorelement ist ein als Spiral - oder Schraubenfeder ausgeführter Bimetallstreifen. Ein Bimetallstreifen ist ein aus zwei Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bestehendes Messelement. Die Werkstoffkoeffizienten werden so gewählt, dass sich eine möglichst große Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten ergibt. In Abhängigkeit von der Temperatur ändert sich also der Drehwinkel einer Bimetallspirale.
Widerstandsthermometer
Metall-Widerstandsthermometer ändern ihren elektrischen Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur. Die Änderung des elektrischen Widerstandes unter Temperatureinfluss hat seine Ursache im Leitungsmechanismus der Metalle. Grundlage für die Leitfähigkeit von Metallen sind die im Atomgitter frei beweglichen Elektronen. Ihre Anzahl und Bewegungsenergie sind temperaturabhängig. Wird nun über eine Temperaturerhöhung den Metallatomen Energie zugeführt, schwingen sie mit einer entsprechend grösseren Amplitude und Frequenz. Der Elektronenbewegung wird zunehmend ein Widerstand entgegengesetzt, der der Erhöhung des elektrischen Widerstandes entspricht. Da sich der elektrische Widerstand proportional zur Temperatur erhöht spricht man von einem positiven Temperaturkoeffizienten.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Thermoelemente
Grundlage
Thermoelemente eigenen sich zum Messen von Temperaturen zwischen -200°C und mehr als 1000°C. Ein Thermoelement besteht lediglich aus zwei fest miteinander verbundenen Drähten verschiedener Metalle.
An dieser Verbindungsstelle entsteht eine sehr geringe Spannung. Die Spannung ist abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen der Klemmstelle (Messgerät) und dem Thermoelement (Verbindungsstelle zweier Metalle). Durch eine Messung der Thermoelement-Spannung lässt sich somit die Temperatur des Thermoelements bestimmen. Die Spannung ist nichtlinear proportional zur Temperatur. Je nach Thermoelementtyp und verwendetem Messbereich ergeben sich Abweichungen
Thermoelektrischer Effekt (Seebeck-Effekt) Bei Thermoelementen wird der Seebeck-Effekt ausgenutzt. Hierbei diffundieren Ladungsträger vom heißen zum kalten Ende eines Leiters. Dieser Effekt kann durch Kombination zweier unterschiedlicher Leiter als Thermospannung nachgewiesen und messtechnisch nutzbar gemacht werden.
Bei der Auswahl von Thermoelementen sind u.a. folgende Punkte zu berücksichtigen:
- hoher Temperaturspannungskoeffizient, · linearer Temperatur-/Spannungsverlauf,
- zeitliche Konstanz der thermoelektrischen Eigenschaften,
- mechanische und chemische Beständigkeit in hohen und tiefen Temperaturbereichen, · Widerstandsfähigkeit gegenüber Korrosion,
- breiter anwendbarer Temperaturbereich und · günstiges dynamisches Verhalten. .
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Wenn die physikalisch/chemischen Verhältnisse es zulassen, können Thermopaare unummantelt direkt ihrer Umgebung ausgesetzt werden. Die einfachste Form wären zwei Thermodrähte, deren Enden verlötet oder verschweißt sind. Die Kontaktstelle stellt den Messfühler dar.
Können die Thermoelemente in der Umgebung Schaden nehmen, werden diese durch Ummantelung geschützt. Eine besonders kompakte Form stellen dabei die Mantelthermoelemente dar. Die Thermodrähte werden in hochtemperaturfestes, keramisches Pulver eingebettet, welches von einem Mantel aus hochlegiertem Stahl umgeben ist.
Die Außendurchmesser von Mantelthermoelementen liegen zwischen 0,25 und 6 mm. Neben dem Einsatz als Präzisionsthermometer oder Kalibriernormale im Labor lassen sich selbstkalibrierende Miniaturfixpunkt- Thermoelemente auch in der Betriebsmesstechnik als Referenz- bzw. Kontrollthermometer oder für Temperaturmessstellen mit hohen Anforderungen an die Messunsicherheit verwenden. Miniaturfixpunktzellen
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
vom Thermoelement erfaßte Phasenumwandlungen
Häufig gestellte Fragen
Was sind Temperatursensoren?
Temperatursensoren sind Instrumente, die zur Messung der Temperatur verwendet werden. Zu den Haupttypen gehören Strahlungspyrometer, Ausdehnungsthermometer (Bimetallthermometer), Widerstandsthermometer und Thermoelemente.
Was sind die Anwendungsbereiche von Temperatursensoren?
Temperatursensoren finden in verschiedenen Bereichen Anwendung, wie z.B. in Reaktoren, der chemischen Industrie, Gießereien, Medizin, Raumfahrt, Haushalt und zur Temperaturüberwachung von Prozessoren.
Was sind Strahlungspyrometer (Pyrometer)?
Strahlungspyrometer messen die Temperatur, indem sie die Wärmestrahlung eines Objekts erfassen. Sie filtern diese Strahlung optisch und bündeln sie auf einen Strahlungsempfänger. Der Vorteil ist die berührungslose Messung, z.B. bei schwebenden Materialproben in der Raumfahrt.
Wie funktionieren Bimetallthermometer?
Bimetallthermometer verwenden einen Bimetallstreifen, der aus zwei Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besteht. Die Temperaturänderung führt zu einer Verformung des Streifens, die zur Temperaturmessung genutzt wird.
Was sind Widerstandsthermometer?
Widerstandsthermometer nutzen die Eigenschaft von Metallen, dass sich ihr elektrischer Widerstand mit der Temperatur ändert. Die Anzahl und Bewegungsenergie der frei beweglichen Elektronen im Metallgitter sind temperaturabhängig, was zu einer Widerstandsänderung führt.
Wie funktionieren Thermoelemente?
Thermoelemente bestehen aus zwei Drähten unterschiedlicher Metalle, die miteinander verbunden sind. An der Verbindungsstelle entsteht eine Spannung, die von der Temperaturdifferenz zwischen der Klemmstelle und dem Thermoelement abhängt (Seebeck-Effekt). Diese Spannung wird gemessen, um die Temperatur zu bestimmen.
Welche Faktoren sind bei der Auswahl von Thermoelementen zu berücksichtigen?
Bei der Auswahl sind u.a. ein hoher Temperaturspannungskoeffizient, linearer Temperatur-/Spannungsverlauf, zeitliche Konstanz der thermoelektrischen Eigenschaften, mechanische und chemische Beständigkeit, Korrosionsbeständigkeit, breiter Temperaturbereich und günstiges dynamisches Verhalten wichtig.
Wie werden Thermoelemente geschützt?
Thermoelemente können entweder direkt ihrer Umgebung ausgesetzt oder durch Ummantelung geschützt werden. Mantelthermoelemente sind eine besonders kompakte Form, bei der die Thermodrähte in hochtemperaturfestes, keramisches Pulver eingebettet und von einem Mantel aus Stahl umgeben sind.
Was ist der Seebeck-Effekt?
Der Seebeck-Effekt beschreibt die Diffusion von Ladungsträgern vom heißen zum kalten Ende eines Leiters. Dieser Effekt wird in Thermoelementen genutzt, indem die Thermospannung durch die Kombination zweier unterschiedlicher Leiter gemessen wird.
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- Björn Hisge (Author), 2001, Thermosensoren, Munich, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/104415
