Thermosensoren

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. .

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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

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vom Thermoelement erfaßte Phasenumwandlungen

Die thermoelektrisch wirksamen Metalle A und B, deren Kontaktstelle der zu messenden Temperatur T1 ausgesetzt ist, sind an den Punkten C und C' mit Cu-Drähten verbunden, welche zum Messinstrument führen. Die resultierende Thermospannung ist somit: