Temperaturmessung
Datum: 26.04.2001
Zusammenfassung
Ziel dieses Versuchs war es, die Temperatur verschiedener Flüssigkeiten und Gegenständen mit unterschiedlichen Messmethoden zu ermitteln und diese anschschließend graphisch, mittels PC, darzustellen. Der Sensor wurde mittels Eiswasser kalibriert und somit eine größere Genauigkeit erreicht. Zum Kalibrieren wurden Fixpunkte wie Schmelzpunkte und Gefrierpunkte verwendet. Störende Einflüsse auf Messstellen sollten durch Maßnahmen wie Schutzrohre ausgeschalten werden. Am Ende wurde der Emissionsfaktor E errechnet.
Die Temperatur Bestimmung kann man in bei der Firma Hydro Aluminium
Nentzing gut beobachten. Dort misst ein Infrarotsensor die Temperatur des AlBlocks. Der Block muss hinten kälter sein als Vorne.
Theoretischer Hintergrund
Schwarze Strahler bzw. optische Temperaturmessverfahren
Ein Grossteil der gesamten Temperaturmessung beruht auf dem besonderen Verhalten des Schwarzen Strahlers. Ohne dieses Phänomen würde es keine kontaktlosen bzw. optischen Temperaturmessverfahren geben. Schwarze Strahler können dabei unabhängig von der Wellenlänge sämtliche Strahlen absorbieren bzw. emmitieren, im Gegensatz zum Weißen Strahler, der ein gegenteiliges Verhalten aufweist.
Auf diesen Errungenschaften beruht das Stefan-Bolzmann’sche Gesetz, welches besagt, dass die Fläche unter der Kurve eines Strahlers mit zunehmender Temperatur T^4 steigt.
Widerstandsthermometer
Dieser Thermometertyp verändert in Abhängigkeit von der Temperatur die elektrische Leitfähigkeit. Im Vergleich Metall/Halbleiter, erkennt man, dass sich beim Halbleiter der Widerstand mit steigender Temperatur abnimmt und somit als Heißleiter bezeichnet wird. Beim Metall ändert sich der Widerstand genau umgekehrt, er steigt bei steigender Temperatur. Bei Metallen lässt sich eine gewisse Temperaturabhängigkeit erkennen, die sich durch diese Formel beschreiben lässt:
R = R0 [1+A(T-T0)+B(T-T0)[2]]
R…Widerstand des Leiters bei der Messtemperatur R T...Messtemperatur
R0...Widerstand des Leiters bei der Temperatur T0 A,B...Materialkonstanten
Dieses Thermoelement hat bei einer Temperatur von 0°C einen Widerstand von 100 W.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
3-Leiter
Dieses Widerstandsthermometer hat die Sonderheit, dass es den Widerstand des Leiters abzieht und somit die Genauigkeit der Messung entscheidend erhöht. Die Widerstände der Anschlusskabel überhaupt nicht einzubeziehen, lässt sich technisch nicht bewältigen. Die 3x5W Widerstände simulieren eine lange Leitung.
Thermoelemente
Zwei unterschiedliche Metalle werden miteinander verbunden. Es baut sich an der Kontaktstelle eine Thermospannung auf. Dieser Effekt ist Grundlage für Messungen mit Thermoelementen:
Uth. = SABDT
Uth. …Thermospannung
SAB…Seebeckkoeffizient für die Metallkombination DT...Temperaturdifferenz
SAB kann um bis zu 100% variieren, daher werden die Thermospannungskurven linerarisiert.
a) Eisen und Nickeldrähte
b) Ni-Cr-Ni - Thermoelement
NiCr / NiAl = Typ K- Thermoelement mit Referenzstelle
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 4:Beispiel Thermoelement
Analog-Digital-Wandler
Die Eingänge A/D des Interface sind Analogeingänge für Gleich-und
Wechselspannung. Die Eingänge A und D stellen die Steckplätze für die Messund Sensorboxen dar. Die Boxen werden durch die Steckverbindungen mit elektrischer Spannung versorgt. Außerdem erfolgt über diese Eingänge die Steuerung und Erkennung der Boxen durch die Software.
Die Temperatur wurde einerseits von einem Multimeter abgelesen, andererseits von dem PC graphisch dargestellt. Mittels sekundären Messverfahren wird der Messwert über einen Analog- Digital- Wandler dem Computer übermittelt. Der AD-Wandler wandelt den Messwert der in Form einer Stromstärke eintrifft[in mA] in einen Binärcode um.
Dadurch wird eine Verfälschung der Daten verhindert. Der AD-Wandler sendet die Daten nun über Interface an den Computer weiter. Auf dem PC sind Treiber installiert, die den Binärcode richtig entschlüsseln und die Messwerte an ein Programm weitergeben können, z.B. LOG100.
Die Software wandelt [mA] in [°C] um. Das Programm führt nun in bestimmten Intervallen Messungen durch und stellt diese in einem Diagramm dar.
Positive Aspekte:
Wahl eines beliebigen Messtaktes (Programm: Messen und Auswerten / Multimeter) Wahl von Messbereich und Aufnahmezeit (Programm: Leitfähigkeit / Kinetik) Wahl von Messbereich und Messtakt (Programm: Temperatur) Präsentation der Messwerttabelle Skizze:
Infrarot-Sensor
Diese Messmethode gehört zur Gruppe der optischen bzw. der Kontaktlosen Temperaturmessmethoden. Die Anspruchszeit des sogenannten IR-Sensors ist relativ kurz. Der Infrarot-Sensor misst die Emittierte Strahlung und schließt daraus auf die Temperatur.
Versuchsbeschreibung
Versuch 1:
Ausgangsstoffe:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Mit Hilfe eines Infrarot-Sensors, wurde die Temperatur an der Oberfläche und in den Löchern bestimmt. Die gewonnene Daten wurden über Modem dem Computer übermittelt und ausgewertet.
Problem:
- Das Streulicht aus der Umgebung beeinflusst den IR-Sensor sehr
stark. Die Folge ist eine große Ungenauigkeit.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Jetzt registriert der Messingblock keine Strahlungswärme von der Umgebung.
Versuch 2:
Als Ausgangsstoffe finden wir jeweils einen Behälter mit Eiswasser und mit
Zinn vor. Das noch harte Zinn wird in den vorgewärmten Ofen gegeben, in dem es geschmolzen wird. Ist das Zinn flüssig, wird der Behälter mit einer Zangeaus dem Ofen herausgenommen und abgestellt. Die Messstelle des 2 bzw. 3-Leiters wird in das Zinn getaucht. Beim 3-Leiter muss vorher noch der Widerstand des Leiters bestimmt werden, um eine genaue Messung zu garantieren.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Versuch 3:
Thermoelement Ni/Fe
Vor der Kalibrierung des Thermoelements durch Eiswasser, wurde aus den Ausgangsstoffen Eisen und Nickel und Kupfer ein Thermoelement gebaut. Jedes Team bestand aus circa 4 Personen. Ziel war es herauszufinden, wie sich dieses Thermoelement bei Erhitzen der Referenzstellen durch eine Feuerzeug verhält. Dieses Thermoelement(Unten) hat an den Verbindungsdrähten ein Multimeter angeschlossen, das die gewünschten Messwerte liefert.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Nach der Bearbeitung durch das Feuerzeug ist folgendes festzustellen:
An den Ausgleichsstellen, an denen Ni und Ni aufeinandertreffen, ist keine Änderung festzustellen. An der Referenzstelle Ni/Fe ist jedoch ein hoher Ausschlag auf dem Multimeter zu lesen. Die Stellen Cu/Fe bzw. Fe/Cu heben sich gegenseitig auf.
Versuch 3:
Thermoelement mit Referenzstelle
Ausgangsstoffe waren NiCr und NiAl.
In diesem Versuch war das Ziel, ein spezielles Thermoelement mit den
jeweiligen Referenzstellen, den Typ K zu erzeugen. Teile des Thermoelements wurden in ein Schutzrohr gesteckt um Fehler zu vermeiden. Die Anprechszeit ist kurz.
Eiswasser
Schutzrohr Messstelle
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Ergebnisse:
Referenzstelle bei Raumtemperatur: 0,64 mV
Siedepunkt Wasser: -3,84 mV
In der Sn Schmelze: 9,28 mV
Versuch 4:
Schmelzpunkt von Blei:
Der Versuhsaufbau ist der Selbe wie bei Versuch 3 nur dass die Messstelle von einem Schutzrohr umgeben ist. Die Folge ist eine lange Anprechszeit.
Messung in einem Intervall < 8 sec. Mittels Pt100
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Schmelzüunkt von Blei(Pb):
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Diskussion der Ergebnisse
Häufig gestellte Fragen
Was ist das Ziel des Temperaturmessungsversuchs?
Ziel dieses Versuchs war es, die Temperatur verschiedener Flüssigkeiten und Gegenstände mit unterschiedlichen Messmethoden zu ermitteln und diese anschließend graphisch, mittels PC, darzustellen. Der Sensor wurde mittels Eiswasser kalibriert und somit eine größere Genauigkeit erreicht. Zum Kalibrieren wurden Fixpunkte wie Schmelzpunkte und Gefrierpunkte verwendet. Störende Einflüsse auf Messstellen sollten durch Maßnahmen wie Schutzrohre ausgeschalten werden. Am Ende wurde der Emissionsfaktor E errechnet.
Was ist ein Schwarzer Strahler und warum ist er wichtig für die Temperaturmessung?
Ein Schwarzer Strahler kann unabhängig von der Wellenlänge sämtliche Strahlen absorbieren bzw. emittieren. Ohne dieses Phänomen gäbe es keine kontaktlosen bzw. optischen Temperaturmessverfahren. Das Stefan-Boltzmann’sche Gesetz besagt, dass die Fläche unter der Kurve eines Strahlers mit zunehmender Temperatur T^4 steigt.
Wie funktionieren Widerstandsthermometer?
Widerstandsthermometer verändern in Abhängigkeit von der Temperatur die elektrische Leitfähigkeit. Bei Metallen steigt der Widerstand mit steigender Temperatur, während er bei Halbleitern abnimmt (Heißleiter). Die Temperaturabhängigkeit bei Metallen kann durch die Formel R = R0 [1+A(T-T0)+B(T-T0)[2]] beschrieben werden.
Was ist ein 3-Leiter-Widerstandsthermometer und warum ist es genauer?
Ein 3-Leiter-Widerstandsthermometer zieht den Widerstand des Leiters ab, wodurch die Genauigkeit der Messung erhöht wird. Es ist technisch nicht möglich, die Widerstände der Anschlusskabel vollständig zu eliminieren, aber die 3-Leiter-Konfiguration minimiert deren Einfluss.
Wie funktionieren Thermoelemente?
Thermoelemente bestehen aus zwei unterschiedlichen Metallen, die miteinander verbunden sind. An der Kontaktstelle baut sich eine Thermospannung auf (Uth. = SABDT), die von der Temperaturdifferenz (DT) und dem Seebeckkoeffizienten (SAB) abhängt. Da SAB variieren kann, werden Thermospannungskurven linearisiert.
Was ist ein Analog-Digital-Wandler (AD-Wandler) und welche Rolle spielt er bei der Temperaturmessung mit einem Computer?
Der AD-Wandler wandelt den Messwert (in Form einer Stromstärke in mA) in einen Binärcode um, der vom Computer verarbeitet werden kann. Er sendet die Daten über ein Interface an den Computer, wo Treiber installiert sind, die den Binärcode entschlüsseln und die Messwerte an ein Programm (z.B. LOG100) weitergeben können. Die Software wandelt dann [mA] in [°C] um und stellt die Messwerte in einem Diagramm dar.
Wie funktioniert ein Infrarot-Sensor zur Temperaturmessung?
Ein Infrarot-Sensor misst die emittierte Strahlung eines Objekts und schließt daraus auf dessen Temperatur. Es ist eine kontaktlose Messmethode mit relativ kurzer Ansprechzeit. Streulicht aus der Umgebung kann jedoch die Genauigkeit beeinträchtigen.
Welche Versuche wurden im Rahmen der Temperaturmessung durchgeführt?
Es wurden verschiedene Versuche durchgeführt, darunter: Temperaturmessung mit einem Infrarot-Sensor an einem Messingblock, Bestimmung des Schmelzpunkts von Zinn mit verschiedenen Thermometern (2-Leiter, 3-Leiter), Kalibrierung eines Thermoelements aus Eisen und Nickel, Erzeugung eines Typ-K-Thermoelements mit Referenzstelle und Messung des Schmelzpunkts von Blei mit einem Pt100-Sensor.
Welche Aspekte müssen bei der Wahl der Messmethode berücksichtigt werden?
Vor der Temperaturmessung sollte man überlegen bzw. ausprobieren, welche Messmethode am besten geeignet ist, um genaue und zuverlässige Ergebnisse zu erzielen. Faktoren wie die Umgebung, die Ansprechzeit, die Genauigkeit und mögliche Störeinflüsse müssen berücksichtigt werden.
- Quote paper
- R. Markus (Author), 2001, Temperaturmessung von Stahl, Munich, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/104438
