Technische Fachhochschule Berlin LABOR FÜR

LABOR FÜR REGELUNGSTECHNIK
und PROZEßSIMULATION
Technische Fachhochschule Berlin
Industrielle Temperaturmessung
University of Applied Sciences
0.Ziel und Zweck
Druck und Temperatur sind Zustandsgrößen, die in der Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und der
alternativen Energieerzeugung häufig gemessen werden. Als Beispiel für die Anwendung der
Meßtechnik in diesen Branchen sollen die Möglichkeiten der Temperaturmessung untersucht werden.
Für den Einsatz in einer technischen Anlage sind folgende Informationen zu den verschiedenen industriellen Temperaturmeßsystemen wichtig:
•
•
•
•
•
Bauweise und Abmessungen der Sensoren (Meßfühler), Einbaumöglichkeiten,
Einsatzbedingungen (zulässige Drücke und Temperaturen), Meßbereiche,
Dynamik der Meßsysteme (Zeitverhalten),
Meßwertübertragung, Auswerteverfahren (SW), Korrekturen, Kalibrierung,
Fehlereinflüsse, erzielbare Genauigkeit der Temperaturmessungen.
Die Übung gibt auch einen Einblick in die Methoden der rechnergestützten Meßwerterfassung.
1.Grundlagen
1.1. Thermodynamische Temperaturskala
Die Temperatur ist als Maß für die innere Energie eines Körpers eine Zustandsgröße. Zwischen der
Temperatur und anderen physikalischen Eigenschaften eines Körpers besteht in vielen Fällen eine eindeutige (aber nicht immer lineare) Beziehung, so z.B. mit den Größen
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Länge, Volumen, Dichte
Druck
Kontaktspannungen bzw. Ladungsverteilung
Elektrischer Widerstand
Magnetischer Widerstand
Elektrisches Rauschen
Emission von Strahlung
Lichtbrechung
Aggregatzustand bzw. Kristallstruktur
Schwingungsverhalten (Resonanz, Eigenfrequenz, Dämpfung)
Schallgeschwindigkeit
Zur Festlegung einer allgemeingültigen Temperaturskala sind diese Größen aber wenig geeignet, weil
sie stoffspezifisch sind.
Thermodynamisch wird die Temperatur T über den Wirkungsgrad eines Carnot-Prozesses definiert. Da Wärmemengen als eine Form der Energie prinzipiell meßbar sind, ist der Temperaturwert
damit bis auf einen Proportionalitätsfaktor α bestimmbar:
Q = α*(T2-T1)
==>
T2-T1 = Q/α
Durch Kalibrierung an einem Fixpunkt, z.B. dem Tripelpunkt von Wasser mit Ttr = 273,16 K , ist
die gesamte thermodynamische Temperaturskala eindeutig und reproduzierbar festgelegt.
1.2 Temperaturskala des Gasthermometers
© doc Seifert
SoSe 04
Seite 1 von 15
Temperaturmessung
Für allgemeine Temperaturmessungen eignet sich die o.a. Definition wegen der aufwendigen Meßtechnik wenig. Die thermodynamische Temperaturskala wird daher im Labor mit geeigneten
Gasthermometern aufgrund der Zustandsgleichung eines Gases bestimmt. Da einige Gase (He, H2) nahezu ideales Verhalten zeigen, kann durch Druck- und Volumenmessung bei entsprechendem Aufwand die
Temperatur sehr genau bestimmt werden:
aus p*V = m*R*T
folgt:
T = p*V/m*R
1.3 Internationale Temperaturskala (ITS)
Für Messungen in der industriellen Praxis wird eine empirische, leicht reproduzierbare Skala benutzt:
die Internationale Temperaturskala (ITS '90), die die IPTS (Internat. Praktische Temperaturskala)
von 1968 abgelöst hat. In Deutschland ist sie zugleich gesetzliche Temperaturskala. Thermodynamische und gesetzliche Temperaturskala stimmen im Rahmen der möglichen Meßgenauigkeit überein.
Die Skala der ITS wird durch eine Anzahl von Gleichgewichtstemperaturen (Temperaturen beim
Phasengleichgewicht) als Fixpunkte definiert, die überall auf der Erde herstellbar sind und zum
Kalibrieren der Meßgeräte genutzt werden. Temperaturen zwischen den Fixpunkten werden mit
Hilfe genormter Meßinstrumente und in der ITS festgelegter Interpolationsformeln ermittelt.
(Hinweis: Der Siedepunkt von Wasser bei 100°C und der Eispunkt bei 0°C sind nach der ITS '90 keine Fixpunkte!).
Fixpunkt
FP-Art
IPTS-68
ITS-90
in °C
in °C
---------------------------------------------------------------------------Argon
TP
-189,352
-189,3442
Sauerstoff
TP
-218,789
-218,7916
Quecksilber
TP
-38,842
-38,8344
Wasser
TP
+0,01
+0,01
Gallium
SP
29,772
29,7646
Indium
EP
156,634
156,5985
Zinn
EP
231,9681
231,928
Blei
EP
327,502
Zink
EP
419,58
419,527
Aluminium
EP
660,46
660,323
Silber
EP
961,93
961,78
Gold
EP
1064,43
1064,18
Kupfer
EP
1084,88
1084,62
--------------------------------------------------------------------------TP=Tripelpunkt
EP=Erstarrungspunkt
SP=Siedepunkt
Fixpunkte der ITS
Oberhalb des Gold- bzw. Kupferpunktes ist die Temperaturskala durch Messung der spektralen
Strahldichten L(T) der von Körpern ausgesandten Strahlung festgelegt (Strahlungspyrometrie).
1.4 Temperatur-Einheiten
Die Maßeinheit für die vom absoluten Nullpunkt aus gerechnete Temperatur T ist das Kelvin [K]. Der
Zusammenhang mit der vom Eispunkt aus gezählten Celsius-Temperatur in Grad Celsius [°C] ist
T[K] = T[°C] + 273,l5
Temperaturdifferenzen auf der Celsius- und Kelvin-Skala sind gleich groß.
Daneben existiert noch die in den angelsächsischen Ländern verwendete Temperaturskala in Grad
Fahrenheit [°F]:
T[°C] = 5(T[°F] - 32)/9
Temperaturdifferenzen auf der Celsius- und Fahrenheit-Skala sind nicht gleich groß.
(Hinweis: 0°C = 32°F, -40°C = -40°F, 0 K = -273,15°C = -459,67°F)
© doc Seifert
SoSe 04
Seite 2 von 15
Temperaturmessung
1.5 Meßbereiche und gewünschte Messunsicherheiten
Wie genau müssen Temperaturen in der industriellen Praxis bestimmt werden? Die folgende Tabelle
gibt dazu einige Hinweise. Gründe für die Genauigkeitsanforderungen sind die Sicherung der
Produktqualität, Energieeinsparung sowie die Verhinderung unerwünschter Nebenreaktionen oder
Gefahren.
Anwendung
Temp.-Bereich in °C
Stahlguß
1400 bis 1700
Stahlvergütung
400 bis 800
Kraftwerke
550 bis 600
Kernkraftwerke
250 bis 350
Chem. Reaktoren
200 bis 350
Chemiefaser
200 bis 250
Zuckerproduktion
100 bis 125
Bioreaktoren
35 bis 45
Heizung/Lüftung
-30 bis 120
Wärmemengenmessung
30 bis 150
Kühltruhen
-30 bis
0
Medizin
35 bis 42
Meßunsicherheit in K
1 bis 5
1 bis 3
1
0,1 bis 0,25
0,3 bis 1
0,3 bis 0,5
0,1
0,1
0,5
0,1 bis 0,5
0,5
0,1
2. Meßverfahren und -geräte
Bild 1 und 2 stellen eine Übersicht der gebräuchlichen Temperaturmeßverfahren und ihrer Anwendungsbereiche dar. In Bild 2 sind auch die Fixpunkte der gesetzlichen Temperaturskala eingetragen.
Bei den Berührungsthermometern wird der Temperaturfühler (Sensor) mit dem Stoff in Berührung
gebracht, dessen Temperatur gemessen werden soll. Um die Störung des Temperaturfeldes durch den
Temperaturfühler klein zu halten und um Temperatursprünge zwischen Medium und Fühler zu
vermeiden, sind folgende Bedingungen einzuhalten:
• Die Wärmeübertragung zwischen dem zu untersuchenden Körper bzw. Medium und dem Temperaturfühler muß begünstigt werden (guter Kontakt, Wärmeleitpaste, kein Luftspalt).
• Die Abfuhr oder Zufuhr von Wärme zum Meßobjekt durch den Temperaturfühler muß so weit wie
möglich verhindert werden. Gegebenenfalls ist dazu der Fühler selbst zu kühlen oder zu heizen
(thermisch kompensierter Meßfühler).
Strahlungsthermometer arbeiten dagegen berührungslos, indem sie die von dem zu untersuchenden
Körper ausgehende Strahlung zur Temperaturmessung nutzen. Die Strahlung kann im sichtbaren
Bereich ausgewertet werden (Beobachten der Farbe des Körpers =>rotglühend/weißglühend, Strahlungspyrometer) oder es wird die Infrarotstrahlung gemessen (Infrarotthermografie, Wärmebildkameras, Infrarot-Scanner). Vorteilhaft ist, daß das Temperaturfeld nicht gestört wird und ein nahezu
trägheitsloses und punktweises Messen möglich ist. Einsatzbereiche sind die Messung der Temperatur
kleiner, bewegter oder unzugänglicher Objekte, Vorgänge in dynamischen Prozessen oder von
Temperaturen über 1000°C.
Mit einem Infrarot-Thermometer kann die Temperatur eines Punktes gemessen werden, ein InfrarotScanner tastet eine größere Struktur ab und zeigt ein 2D- oder auch 3D-Bild der Temperaturverteilung.
Im Rahmen dieser Übung werden zur Messung (nicht kompensierte) Berührungsthermometer eingesetzt, zum Vergleich der Meßverfahren stehen auch ein Infrarot-Thermometer und ein InfrarotScanner zur Verfügung.
2.1 Flüssigkeits-Glasthermometer
© doc Seifert
SoSe 04
Seite 3 von 15
Temperaturmessung
Es wird die thermische Ausdehnung einer Flüssigkeit (genauer: die Ausdehnungsdifferenz
Flüssigkeit-Glas) zur Temperaturmessung ausgenutzt und die Temperatur aus dem Stand des
Flüssigkeitsfadens in einer Glaskapillare ermittelt.
Zur Verringerung von Meßfehlern ist zwischen ganz eintauchend justierten und teilweise eintauchend justierten Thermometern zu unterscheiden. Ganz eintauchend justierte Thermometer zeigen
richtig an, wenn das Thermometer sich mindestens bis zur Ablesestelle auf der zu messenden Temperatur befindet (also der Faden ganz eingetaucht ist).
Kann diese Bedingung nicht erfüllt werden (z.B. aus räumlichen Gründen), so ist zu der abgelesenen
Temperatur Ta eine Berichtigung (Fadenkorrektur) zu addieren, weil der nicht eingetauchte Teil des
Thermometers durch die Umgebungstemperatur beeinflußt wird. Die wahre Temperatur ist dann in
erster Näherung:
Tw = Ta + k*n*(Ta - TF)
Tw in K bzw. °C die wahre Temperatur des zu messenden Stoffes
Ta in K bzw. °C die am Thermometer abgelesene Temperatur
k in 1/K
Differenz der Ausdehnungskoeffizienten von Füllflüssigkeit und Thermometerglas
n in K bzw.°C
Länge des herausragenden Fadens, angegeben in Grad der Thermometerskala
TF in K bzw.°C mittlere Temperatur des herausragenden Fadens (kann mit einem
Fadenthermometer
bestimmt oder geschätzt werden, z.B. (Ta + Tumg)/2)).
Der Faktor k hängt von der thermometrischen Flüssigkeit und in geringem Maße auch von der Glassorte ab. Für die wichtigsten Flüssigkeiten gelten folgende Durchschnittswerte:
Quecksilber, Quecksilber-Thallium
Galliumlegierung
Pentangemisch, Alkohol, Toluol
k = 0,16*10-3 1/K
k = 0,1 *10-3 1/K
k = 1 *10-3 1/K .
Teilweise eintauchend justierte Thermometer sind mit teilweise herausragendem Faden bei
vorgeschriebener Eintauchtiefe und vorgegebener mittlerer Fadentemperatur kalibriert. Diese beiden
Werte sind auf dem Thermometer angegeben. Sie sind für eine genaue Messung einzuhalten. Können
die Thermometer nicht mit der Eintauchtiefe und/oder der mittleren Fadentemperatur benutzt werden,
mit der sie kalibriert sind, so sind die abgelesenen Werte ebenfalls zu korrigieren (Fadenkorrektur).
Die Korrekturformeln für diesen Fall können der Literatur entnommen werden.
Bei Beachtung dieser Meß- bzw. Korrekturvorschriften haben Präzisions-Laborthermometer eine
Genauigkeit von ±0,2°C . (siehe DIN Normen).
Der Messwert lässt sich aber nur aufwendig von der Messstelle in die Leitwarte übertragen, aufzeichnen oder speichern. Für den industriellen Einsatz sind daher Meßsysteme, die ein elektrisches Ausgangssignal erzeugen, besser geeignet.
2.2 Thermoelemente
Das Meßprinzip beruht auf dem Seebeck-Effekt. Ein elektrischer Leiter (Metall) oder Halbleiter (A in
Bild 3) als Messfühler befindet sich in einem Temperaturfeld, d.h. seine Enden haben
unterschiedliche Temperaturen T(0) und T(L). Aufgrund ihrer höheren thermischen
Bewegungsenergie werden dann mehr freie Leitungselektronen von der warmen Seite zur kalten Seite
gelangen als umgekehrt. An der kalten Seite tritt also ein Elektronenüberschuß, an der warmen Seite
ein Elektronenmangel auf, d.h. in dem Leiter entsteht eine Potentialdifferenz und damit eine meßbare
elektrische Spannung Uth (Thermospannung) zwischen den beiden Leiterenden:
Uth =
© doc Seifert
∫ kdT = k * (T(L) - T(0))
SoSe 04
Seite 4 von 15
Temperaturmessung
wenn der Seebeck-Koeffizient k in erster Näherung als konstant, d.h. unabhängig von der Temperatur
betrachtet werden kann.
Zur Messung dieser Spannung muß eine Zuleitung (B in Bild 3) verwendet werden, die zwangsläufig
auch im Temperaturfeld liegt und in der - ungewollt - ebenfalls eine Thermospannung entsteht. Die
insgesamt meßbare Spannung ist die Differenz dieser beiden Thermospannungen, d.h. die Meßgleichung lautet:
Uth = UthA - UthB = (kA - kB)(T(L) - T(0)) = c*∆T
Index "A" = Meßfühler
Index "B" = Zuleitung
Aus dieser Gleichung läßt sich ablesen:
• Eine Thermospannung kann nur entstehen, wenn eine Temperaturdifferenz vorhanden ist
• Über die Messung der Thermospannung kann daher zunächst auch nur eine Temperaturdifferenz
bestimmt werden
• Eine Thermospannung ist nur dann meßbar, wenn Meßfühler und Zuleitung aus verschiedenen
Materialien bestehen (d.h. unterschiedliche Seebeck-Koeffizienten haben, kA ≠ kB).
Die Materialien für Meßfühler und Zuleitung werden so gewählt, daß eine möglichst hohe Thermospannung entsteht, d.h. die Seebeck-Koeffizienten der beiden Materialien möglichst stark voneinander
abweichen. Weitere Material-Auswahlkriterien sind: Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit,
Festigkeit, Alterungsbeständigkeit, Linearität der Kalibrierkurve, Preis.
Gebräuchliche Stoffpaarungen:
Materialpaarung (Meßfühler-Zuleitung) Norm-Typ* c bei 100°C
Einsatzbereich °C
------------------------------------------------------------------------------------------------------------Kupfer-Konstantan
(Cu-CuNi)
U, T
4,25 mV/100°C -270 bis 350
Eisen-Konstantan
(Fe-CuNi)
J, L
5,37 mV/100°C -210 bis 750/900
Nickel-Nickelchrom (Ni-NiCr od.NiAl)
K
4,1 mV/100°C -270 bis 1300
Platin-Platinrhodium (Pt-PtRh)
R
0,64 mV/100°C
-50 bis 1600
* DIN 43710, DIN 60584 (DIN IEC 584)
Bei den oberen Grenztemperaturen kann nur kurzzeitig gemessen werden.
Soll nicht eine Temperaturdifferenz, sondern "nur" die Temperatur einer Meßstelle (z.B. Temperatur
in einem Flüssigkeitsbehälter) bestimmt werden, muß die zweite Temperatur künstlich geschaffen
werden, damit eine Thermospannung entsteht: die Bezugs- oder Vergleichsstelle.
Die Vergleichsstellentemperatur sollte zweckmäßigerweise konstant sein (muß aber nicht!), damit aus
der gemessenen Temperaturdifferenz (TMeß-TVergl) die gesuchte Temperatur TMeß leicht errechnet
werden kann.
Häufig wird dafür der Eispunkt 0°C verwendet, der sich mit geringem Aufwand herstellen läßt
(Dewar-Gefäß mit Eiswasser), aber auch jede andere Temperatur (z.B mit einem thermostatisierten
Wasserbad) ist möglich.
Um aus der gemessenen Thermospannung auf die Temperatur schließen zu können, muß für das verwendete Thermoelement eine Kalibrierkurve oder -tabelle vorliegen bzw. aufgenommen werden.
Bei normgerechten Thermoelementen (DIN 43710, IEC 584) sind diese Kurven bzw. Tabellen in den
Normen enthalten und können direkt verwendet werden, wenn die erwünschte Meßgenauigkeit innerhalb der in der Norm angegebenen Toleranzen liegt. Ist eine höhere Meßgenauigkeit notwendig, muß
eine eigene Kalibrierkurve erstellt werden.
Hat die Vergleichsstelle bei der Messung die gleiche Temperatur wie die Bezugstemperatur der
Normtabelle (= Vergleichsstellentemperatur bei der Kalibrierung), kann die gesuchte Temperatur
unmittelbar der Kalibriertabelle/-kurve entnommen werden. Weicht dagegen die
Vergleichsstellentemperatur von der Bezugstemperatur der Norm ab, ist die gemessene
Thermospannung zu berichtigen, bevor eine Kalibriertabelle bzw. Kalibrierkurve angewendet wird:
Uth = Utha + ∆Uth = Utha + c*(TVergl - TBezug)
Uth = korrigierte Thermospannung
© doc Seifert
SoSe 04
Seite 5 von 15
Temperaturmessung
Utha = gemessene Thermospannung (abgelesener Wert)
c = mittl. Steigung der Kalibrierkurve zwischen TVergl und TBezug ,z.B. in mV/°C
TVergl = Vergleichsstellentemperatur bei der Messung
TBezug = Bezugstemperatur der Kalibriertabelle
Grund für die Korrektur:
Die Seebeck-Koeffizienten sind für die meisten Materialien keine Konstanten, sondern selbst wieder
temperaturabhängig. Dadurch wird die Kennlinie der Thermoelemente Uth = f(T) keine Gerade und
die Thermospannung ist nicht nur von der Temperaturdifferenz zwischen Meß- und Vergleichsstelle
abhängig, sondern auch von der absoluten Höhe dieser Temperaturen. Für eine bestimmte
Temperaturdifferenz ergeben sich deshalb je nach Höhe der Vergleichsstellentemperatur verschiedene Thermospannungen.
Beispiel (s. Norm-Tabelle im Anhang):
bei jeweils 10°C Differenz zwischen Meß- und Vergleichsstelle ist bei Fe-Konst.
zwischen 0°C und 10°C die Thermospannung = 0,52 mV
zwischen 200°C und 210°C die Thermospannung = 0,56 mV
zwischen 800°C und 810°C die Thermospannung = 0,67 mV
Nach der neuen Norm DIN 60584 sind die standardisierten Thermoelemente bezüglich der zulässigen
Grenzabweichungen (Toleranzen) in drei Klassen eingeteilt. Üblicherweise wird im industriellen
Bereich die Klasse 2 verwendet, für die gilt:
Typ
zulässige Grenzabweichung
______________________________________________
J
-40...333°C ± 2,5°C
333...750°C ± 0,0075*T in °C
K
-40...333°C ± 2,5°C
333...1200°C ± 0,0075*T in °C
L
0...400°C ± 3°C
400...700°C ± 0,75%
T = gemessene Temperatur in °C
Thermoelemente müssen nach einiger Betriebsdauer nachkalibriert werden, da sich ihr thermoelektrisches Verhalten durch Korrosion, Gefügeänderungen durch Alterung usw. verändert. Dies gilt besonders beim Einsatz unter hohen Temperaturen oder hoher Strahlenbelastung (z.B. in Kernreaktoren).
Thermoelemente können sehr klein und mit geringer Wärmekapazität ausgeführt werden. Sie haben
daher kurze Ansprechzeiten (s. Tabelle 1) und geringe Rückwirkungen auf das Meßobjekt. Es sind
aktive Sensoren, d.h. sie benötigen keine Hilfsenergie, sondern geben selbst Energie ab (die sie allerdings dem zu messenden System entziehen).
Die Standardmeßschaltung des Thermoelements mit Vergleichsstelle zeigt Bild 8 unter b).
(Hinweis: das ganze System ist ein Thermoelement, weil definitionsgemäß die Enden eines Thermoelementes immer auf
verschiedenen Temperaturen sein müssen; es gibt also nicht ein Thermoelement der Meß- und eines der Vergleichsstelle!).
Damit in den Verbindungsleitungen zwischen Meß- und Vergleichsstelle nicht zusätzliche störende
Thermospannungen entstehen, sollen die Thermoelementdrähte unverändert mindestens bis zur
Vergleichsstelle geführt werden. Dies würde bei einigen Materialien (z.B. Platin) hohe Kosten
verursachen. Deshalb kann diese Verbindung durch eine Ausgleichsleitung ersetzt werden, die
ähnliche thermoelektrische Eigenschaften aber geringere Kosten aufweist (z.B. einfacheres Material,
nicht säurebeständig, etc).
Thermospannungen werden im einfachen Fall im Ausschlagverfahren mit Verwendung hochohmiger
Voltmeter gemessen. Der Innenwiderstand des Meßgerätes wird sehr hoch gewählt, damit der Spannungsabfall in den Zuleitungen klein bleibt und sich das Thermoelement durch den Meßstrom nicht
erwärmt. Für genauere Messungen werden Kompensationsschaltungen verwendet, bei denen der Meßkreis durch Abgleich mit einer Gegenspannung stromlos wird (keine Erwärmung!).
© doc Seifert
SoSe 04
Seite 6 von 15
Temperaturmessung
Wird das Thermoelement direkt, also ohne gesonderte Vergleichsstelle an das Meßgerät
angeschlossen (Sparschaltung a, Bild 8), wird die Vergleichsstelle ( = anderes Ende des Leiters bzw.
zweite Verbindungsstelle der beiden Leitermaterialien) physisch an die Anschlußklemmen des
Gerätes verlegt. Diese Vergleichsstellentemperatur ist nicht mehr konstant sondern von der
Umgebungstemperatur und der
Erwärmung des Meßgerätes während des Betriebes abhängig, so daß aus der Meßgröße TMeß-TVergl
nicht mehr einfach auf TMeß geschlossen werden kann. Diese Schaltung ist nur für überschlägige
Messungen geeignet.
In einer technische Anlage ist der Aufbau einer temperaturkonstanten Vergleichsstelle im Feld häufig
hinderlich; eine zentrale Vergleichsstelle (z.B. in der Meßwarte) erfordert lange, teure und
störanfällige Kabelverbindungen.
Die Probleme können umgangen werden (Schaltung g, Bild 8), wenn das Thermoelement an einen
Vergleichsstellenkompensator angeschlossen wird. Diese elektronische Schaltung gibt eine elektrische Spannung ab, die der Thermospannung an einer "echten" Vergleichsstelle entspricht, simuliert
also eine Vergleichsstelle (Standardausführung für 0°C, andere Temperaturen lieferbar).
(Hinweis: der Kompensator simuliert eine Spannung, er ist keine elektrisch geheizte Temperaturstelle!)
Die Kompensationsspannung wird der Thermospannung des angeschlossenen Thermoelementes
hinzugeschaltet und so ein Thermoelement mit z.B. 0°C-Vergleichsstelle nachgebildet. Der
Kompensator muß dazu auf die jeweilige Materialpaarung des Thermoelementes abgestimmt sein,
damit die passende Spannung erzeugt wird.
Die Genauigkeit der Kompensation (nicht der Temperaturmessung insgesamt!), also der Unterschied
zwischen einer Kompensator- und einer echten Vergleichsstelle, liegt bei guten Kompensatoren im
Bereich von 0,02°C (Abweichung Anschlußstellentemperatur zu Bezugstemperatur < 3°C) bis 0,2°C
(Abweichung < 50°C). Die Kompensatoren sind entweder in die Temperaturmeßgeräte integriert
(Temperaturmeßgerät mit interner Vergleichsstelle) oder als separate Geräte lieferbar.
2.3 Widerstandsthermometer
Ausgenutzt wird die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes. Die Temperatur
kann damit bei sehr hohem apparativen Aufwand (im Labor) mit einer Genauigkeit von bis zu l0-4°C
bestimmt werden. Als Materialien werden metallische Werkstoffe bevorzugt, insbesondere Platin und
Nickel, deren Widerstandswerte gut reproduzierbar mit der Temperatur ansteigen.
Es gilt mit guter Näherung für den Widerstand bei der Temperatur T:
RT = R0*(1 + K1T + K2T2)
RT, R0 = Widerstand bei der Temperatur T bzw. bei T0 = 0°C
K1, K2 = Materialkonstanten
Bei kleinen Temperaturänderungen ∆T <10 K gilt folgende Näherung:
RT = R0(1 + α∆T)
α = mittlerer Temperaturbeiwert des elektr. Widerstandes [1/K] im Temperaturbereich ∆T
Material
Verwendungsbereich
α0 (für T0 = 0°C) in 1/K
________________________________________________________
Nickel
- 60°C bis 150°C
6,17*10-3
Kupfer
- 50°C bis 150°C
4,27*10-3
Platin
-220°C bis 850°C
3,85*10-3
________________________________________________________
Der Vorteil von Metallwiderstandsthermometern liegt in der guten Reproduzierbarkeit und Genauigkeit der Messungen aufgrund der Konstanz der Materialeigenschaften.
Halbleiter-Widerstandsthermometer (Thermistoren) werden wegen ihres höheren Temperaturbeiwertes und ihrer kleinen Zeitkonstante verwendet, wenn geringere Genauigkeit ausreicht. "Heißleiter"
© doc Seifert
SoSe 04
Seite 7 von 15
Temperaturmessung
haben einen negativen Temperaturbeiwert (Widerstand fällt mit zunehmender Temperatur) und
werden daher auch NTC-Widerstände (negative temperature coefficient) genannt. Näherungsweise
gilt dafür als Meßgleichung:
R = A*eB/T
R = Widerstand in Ω
A,B = Materialkonstanten
T = absolute Temperatur in K
Neben "Heißleitern" auf Metalloxidbasis werden auch "Kaltleiter" angeboten, die aus halbleitender
ferroelektrischer Keramik bestehen. Kaltleiter haben einen positiven Temperaturkoeffizienten
(=PTC), der in einem bestimmten Temperaturbereich sehr hohe Werte annimmt (Bild 4). Der steile
Widerstandsanstieg ist aber materialbedingt einer starken Streuung unterworfen, so daß jeder PTC
einzeln kalibriert werden muß. PTC werden daher weniger für reine Meßzwecke als für die
Automatisierung und Sicherheitstechnik sowie regelungstechnische Anwendungen benutzt.
Der Anschluß eines Meßwiderstandes an ein Meßinstrument kann mit zwei Anschlußleitungen
erfolgen (Zweileiterschaltung). Allerdings beeinflussen die Widerstände der Zuleitungen das
Meßergebnis, weil sie zwangsläufig mitgemessen werden. Ein möglicher Abgleich (es werden nur die
Zuleitungen angeschlossen und das Instrument dann auf Null eingestellt) stimmt bei Temperaturänderungen der Zuleitungen nicht mehr.
Vorteilhaft und weit verbreitet ist daher die Vierleiterschaltung (der Meßwiderstand und das Meßgerät verfügen über je vier Anschlüsse) zur Widerstandsmessung: über zwei Leiter wird dem
Widerstand ein konstanter Strom I aus dem Meßgerät zugeführt, die anderen zwei Leiter dienen zur
Messung des Spannungsabfalls U am Widerstand (s. Bild 10). Der Widerstand der Zuleitungen hat
daher keinen Einfluß auf das Meßergebnis. Es gilt das Ohm’sche Gesetz : R = U/I.
(Hinweis: Meßwiderstände werden nicht nur zur Messung der Temperatur benutzt, sondern auch zur Messung von Kraft,
Druck, Drehmoment, mechan. Spannung, Dehnung, Beschleunigung, Feuchte, Lichtstärke, magnet. Feldstärke, Gaskonzentration, Strömungsgeschwindigkeit, Durchfluß, Füllstand, usw. Alle diese Sensoren werden daher auch in VierleiterAusführung geliefert).
Aus dem gemessenen Widerstand kann mit den angegebenen Formeln oder aus Kalibrierkurven bzw.
-tabellen (z.B. DIN 43760, IEC 751) die zugehörige Temperatur bestimmt werden.
Nach der Norm DIN IEC 751 werden Meßwiderstände in den Güteklassen A und B angeboten. Die
zulässigen Grenzabweichungen (Toleranzen) betragen für einen Meßwert T in °C:
Klasse A
Klasse B
0,15 + 0,002*T in °C
0,3 + 0,005*T in °C
Im Handel erhältlich sind auch Meßfühler mit eingeschränkten Toleranzen von ½ DIN, 1/3 DIN bis
zu 1/10 DIN.
Der Meßstrom erwärmt den Widerstand bei der Messung, so daß immer eine etwas zu hohe Temperatur gemessen wird (Fehler 1.Ordnung). Um den Erwärmungsfehler des Meßwiderstandes möglichst
klein zu halten, soll der Meßstrom bei 100-Ohm-Widerstandsthermometern handelsüblicher Bauart
etwa 10 mA keinesfalls überschreiten (die in Wärme umgesetzte Verlustleistung P = R*I2 beträgt
dann 0,01 W), üblich sind 0,4 mA.
Widerstandsmeßfühler sind passive Sensoren, sie benötigen eine Versorgungsspannung bzw. -strom.
Die für die Messung erforderliche Energie wird der Stromquelle, nicht dem zu messenden System entnommen.
Die neueste Entwicklung sind Temperatur
IC. Dabei befinden
sich der
Temperatursensor, die
Messwertverarbeitung,
gegebenenfalls die
Digitalisierung (A/D© doc Seifert
SoSe 04
Seite 8 von 15
Temperaturmessung
Wandler) und die Kommunikationsschnittstelle gemeinsam auf einem IC. Als Temperatursensor
werden Halbleiterwiderstände, Dioden (Abhängigkeit der Diodenspannung von der Temperatur) oder
Transistoren (Abhängigkeit der Basis-Emitter-Spannung von der Temperatur) eingesetzt. Der Einsatz
solcher IC erfolgt zur Temperaturmessung auf Platinen und in elektron. Schaltungen sowie zur
Temperaturmessung und-regelung von Prozessoren (z.B. im PC). Nachteilig ist der eingeschränkte
Messbereich bis max. 150°C.
2.4 Schwingquarzthermometer
Die elektrische Temperaturmeßtechnik (Widerstandsthermometer, Thermoelemente) stützt sich z.Z.
noch hauptsächlich auf Sensoren mit analogem Ausgangssignal (Spannungen, Ströme, Widerstände).
Analoge Meßgrößen erfordern bei hohen Ansprüchen an die Genauigkeit einen großen Aufwand auf
der Meßgeräteseite und sind durch interne und externe Störquellen leicht beeinflußbar, wobei sich
Nutz- und Störsignal manchmal nur schwer unterscheiden lassen (die Thermospannung beträgt z.B.
häufig nur einige µV, nie mehr als einige mV).
Dagegen besitzen Sensoren mit frequenz-analogem oder digitalem Ausgangssignal den Vorteil der
einfachen Meßtechnik durch Impulszählung. Da die Information nicht in der Amplitude sondern in
der Frequenz (bzw. der Periodendauer) des Signals enthalten ist, ergibt sich eine höhere elektrische
Störsicherheit. Ein solches Meßsystem ist der Quarz-Sensor. In Bild 9 werden die wesentlichen
Fehlereinflüsse bei der Messung mit Widerstandsthermometern und mit Quarzmeßsystemen in ihrer
Größenordnung beispielhaft gegenübergestellt.
Ausgangsmaterial der Quarz-Temperatursensoren ist synthetischer kristalliner Quarz, der unterhalb
der Curie-Temperatur von 573°C piezoelektrische Eigenschaften zeigt. Oberhalb 573°C erfolgt die
Phasenumwandlung in die nicht piezoelektrische Kristallstruktur, der Sensor gibt kein Meßsignal
mehr ab. Eine aus einem Quarzkristall geschnittene Platte kann zu mechanischen Schwingungen
angeregt werden, wenn über zwei Elektroden Wechselspannung angelegt wird (piezoelektrischer
Effekt). Sind Anregungs- und Eigenfrequenz des Quarzschwingers gleich, befindet sich das System in
Resonanz.
Bei dem verwendeten Meßquarz beträgt die Resonanzfrequenz bei Raumtemperatur 16,75 MHz und
steigt mit der Temperatur stark an. Die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz fR von der Temperatur T
ist nichtlinear (Bild 6) und läßt sich durch ein Polynom beschreiben:
fR(T) = fo*[1 + Σαi*(T-To)i]
fo = Bezugsfrequenz bei Bezugstemperatur To
α i = Faktoren, die aus der Kennlinie bestimmt werden
Aus dieser Gleichung kann zu einer gemessenen Frequenz fR die zugehörige Temperatur T errechnet
werden, d.h. die primäre Meßgröße ist die Resonanzfrequenz.
Der Sensor besteht aus einer runden Quarzscheibe von 4,5mm ø und 0,1mm Dicke (Bild 7). Die
Dauer eines Meßzyklus beträgt 1s, d.h. alle 1s wird ein neuer Meßwert geliefert. Die Meßdauer selbst
ist 0,5s, über diesen Zeitraum findet also eine Temperaturmittlung statt.
Die Absolutgenauigkeit der Temperatursensoren wird durch die Genauigkeit der Kalibrierung (ca.
0,02°C) und die Konstanz der Eigenschaften bestimmt, die durch thermische Vorbehandlung des
Quarzes gesichert wird. Die Systemgenauigkeit (Sensor, Übertragungsleitung, Auswerteelektronik)
beträgt im Bereich -20°C bis +130°C ±0,1°C, im Bereich -40°C bis +300°C ±0,3°C.
Das dynamische Verhalten ist mit dem üblicher Widerstandsthermometer vergleichbar, d.h.
aufgrund der großen Masse des Sensors ergeben sich Zeitkonstanten im Sekundenbereich.
2.5 Infrarotthermografie
Jeder Körper mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt sendet elektromagnetische
Strahlung aus, deren Stärke und Wellenlänge von seiner Temperatur abhängen. Die Infrarotstrahlung
im Wellenlängenbereich zwischen 0,78 µm und 1 mm ist für den Menschen ungefährlich und kann
mit verschiedenen Infrarotdetektoren (Halbleiter wie HgCdTe, PbSnTe, InSb, Thermoelementsäulen,
Widerstands- thermometer (Bolometer)) gemessen werden.
© doc Seifert
SoSe 04
Seite 9 von 15
Temperaturmessung
Der Zusammenhang zwischen der Temperatur des Körpers und der ausgesandten Strahlung wird
durch das Planck´sche Strahlungsgesetz und das Stefan-Boltzmann-Gesetz beschrieben. Bild 5 zeigt
die Aussage des Planck´schen Gesetzes: mit steigender Temperatur des Körpers steigt die Intensität
der Strahlung und das Maximum der Strahlungsintensität verschiebt sich zu kürzeren Wellenlängen,
wobei λmax *T = const. ist (Wien´sches Verschiebungsgesetz).
Hinweis: im Bereich des sichtbaren Lichtes ist dieser Effekt auch bekannt, denn ein Körper erscheint zunächst rot, mit
wachsender Temperatur gelb und dann weiß).
Nach Stefan-Boltzmann gilt für einen schwarzen Körper:
W = ∫ Wλ dλ = σ * T4
W = Strahlungsleistung pro Flächeneinheit (Strahldichte, Intensität) in W/cm2
Wλ = spektrale Strahldichte bezogen auf die Wellenlänge in W/cm2µm
σ = Stefan-Boltzmann-Konstante = 5,6697*10-12 Wcm-2K-4
λ = Wellenlänge der Strahlung in µm
T = absolute Temperatur des schwarzen Körpers in K
Wird die Strahlungsleistung gemessen, kann daraus also die Temperatur des Körpers berechnet werden.
Dieser einfache Zusammenhang wird in der praktischen Anwendung komplizierter, weil einerseits die
meisten technischen Objekte keine „schwarzen Körper“ sind, also Strahlung auch reflektieren bzw.
durchlassen (und damit ein geringeres Emissionsvermögen haben als schwarze Körper) und andererseits die meßbare Strahlung eines Objektes durch Umgebungseinflüsse verfälscht wird (z.B. durch
teilweise Absorption in der Luft).
Zur Messung kann nur der Wellenlängenbereich von 0,7 µm bis 20 µm genutzt werden, weil die
Detektoren bei größeren Wellenlängen nicht empfindlich genug sind. Grundsätzlich eignet sich der
kurzwellige Bereich eher zur Messung hoher Temperaturen, der langwellige für tiefe Temperaturen.
Der Bereich wird in der Regel durch selektive Filter weiter eingeschränkt, um Meßfehler und Umgebungseinflüsse zu vermeiden, z.B.:
• im Bereich 8 -14 µm werden Einflüsse der Luftfeuchte (Absorption der IR-Strahlung) auch über
größere Entfernungen ausgeschlossen (3. atmosphärisches Fenster)
• bei 5,1 µm ist Glas IR-undurchlässig
• bei 1 bis 4 µm kann durch ein Glasfenster hindurch gemessen werden
• bei 3,43 µm und 7,9 µm können dünne Kunststoff-Folien gemessen werden, die sonst IR-durchlässig sind
• bei 3,86 µm werden Interferenzen mit CO2 und Wasserdampf (in Flammen,
Verbrennungsabgasen) unterdrückt (2. atmosphärisches Fenster von 3,2 - 4,3 µm)
Da reale Objekte keine „schwarzen Körper“ sind, ergibt die Auswertung der Messung nach der o.a.
Gleichung nicht die wahre Körpertemperatur an sondern die „schwarze Temperatur“, also die Temperatur, die ein „schwarzer Körper“ hätte, wenn er dieselbe Energie abstrahlen würde wie das reale
Objekt. Zur Korrektur wird der Emissionsfaktor der Objektoberfläche benötigt, d.h. das Verhältnis der
thermischen Strahlung, die das reale Objekt und ein „schwarzer Körper“ bei gleicher Temperatur
abgeben.
Der Emissionsfaktor ist sowohl vom Material, von der Wellenlänge als auch von der Temperatur und
der Oberflächenbeschaffenheit (Rauhigkeit, Reflexionsvermögen) abhängig. Die Farbe der
Oberfläche spielt keine Rolle, sofern das Farbmaterial nicht deutlich vom Grundmaterial abweicht
(bei Metallic-Lackierungen mit Al-Partikeln ist das allerdings der Fall). Starkes Reflexionsverhalten
(polierte Oberfläche) hat immer einen geringeren Emissionsfaktor zur Folge als eine rauhe Oberfläche
des gleichen Materials.
Je geringer die zur Messung benutzte Bandbreite (Frequenzbereich) der Filter ist, desto geringer ist
auch der Einfluß des Emissionsfaktors auf das Ergebnis. So reicht dann häufig die Annahme eines
konstanten Emissionsfaktors von 0,90±0,05 bei den meisten undurchsichtigen, nicht-metallischen
Materialien für eine Meßgenauigkeit von 1 bis 2% aus. Nicht-oxidierte metallische Werkstoffe haben
Emissionsfaktoren im Bereich von 0,2 bis 0,5 , bei Gold, Silber und Aluminium liegt der Wert bei
0,02 bis 0,05.
Der Emissionsfaktor für ein zu messendes Objekt kann Tabellenwerken entnommen, oder durch eine
Vergleichsmessung ermittelt werden. Dazu wird die Temperatur des Meßobjekts mit einem anderen
Temperaturfühler gemessen und der Emissionsfaktor am IR-Thermometer so eingestellt, daß sich die
gleiche Temperaturanzeige ergibt.
© doc Seifert
SoSe 04
Seite 10 von 15
Temperaturmessung
Zu beachten ist bei der Messung unbedingt, daß bei einem optischen Messverfahren ein Strahlengang
wie bei einer Linse auftritt. Mit wachsendem Abstand des Messgerätes vom Messobjekt wird daher
der Messfleck zunehmend größer, d.h. kleine Objekte müssen mit geringem Messabstand (einige cm)
gemessen werden.
3. Rechnergestützte Messdatenerfassung (Data Acquisition DAQ)
Umfangreiche Meßaufgaben sind besonders rationell zu erledigen, indem die Meßwerte nicht notiert
oder mit einem Schreiber aufgezeichnet, sondern direkt in einen Rechner, z.B. in einen PC, übernommen werden.
Damit kann die Auswertung sowohl quantitativ (Umfang der zu berücksichtigenden Meßwerte) als
auch qualitativ (spezielle Auswerteformeln, Ausgleichsrechnung, Statistik, Datenanalyse z.B. Fourier,
Fuzzy, Neuronale Netze) effektiv und schnell erledigt werden. Es besteht auch die Möglichkeit, gleitende Mittelwerte zu bilden oder Analysen von Teildaten noch während der Messung durchzuführen
und so Meßfehler und Probleme rechtzeitig zu erkennen.
Die messtechnische Entwicklung geht in die Richtung, keine speziellen Meßgeräte mehr einzusetzen.
Der (digitale) Sensor wird direkt am Rechner angeschlossen, das passende Meßgerät wird per
Software nachgebildet (virtuelle Meßgeräte).
Die Datenübernahme vom Sensor oder Messgerät erfordert eine freie Schnittstelle im Rechner.
Unter dem Begriff "Schnittstelle" wird allgemein sowohl die reine Hardware (Kabelverbindung, Stecker, Anschlußbuchsen) als auch das dazugehörige Datenübertragungsprotokoll (Schnittstellenprotokoll) verstanden. Dieses Protokoll ist eine Vereinbarung, die Anzahl und Art der zu übertragenden
Signale, die Reihenfolge der Signale, Anzahl und Art der Prüfzeichen usw. festlegt. Realisiert wird
das Protokoll durch ein Stück Software oder Firmware, was die Datenübertragung steuert.
(Hinweis: Weit verbreitet in der Meßtechnik ist die Datenübertragung nach dem HART (Highway Adressable Remote
Transducer)-Protokoll, wobei dem analogen Meßsignal des Sensors ein digitales Signal zur Kommunikation überlagert
wird. Neuere Sensor- und Feldgeräteentwicklungen ersetzen die Analogsignale vollständig durch busfähige Digitalsignale,
indem ein Sensor mit digitalem Ausgangssignal eingesetzt (Beispiel Quarzsensor) oder das zunächst analoge Signal direkt
am Sensor durch einen Meßumformer digitalisiert wird).
Es ist möglich, für den Meßgeräte- oder Sensoranschluß
• eine Standard-Schnittstelle (seriell, parallel, USB, Firewire) des Rechners zu nutzen
oder
• eine spezielle Schnittstellenkarte nachzurüsten.
Serielle Schnittstelle: Die einzelnen bit einen Datenwortes werden nacheinander über nur eine
Signalleitung übertragen (Beispiel: PC-Mouse).
Parallele Schnittstelle: Die einzelnen bit eines Datenwortes werden gleichzeitig über verschiedene
Signalleitungen übertragen (Beispiel: Drucker).=> Datenübertragung ist deutlich schneller.
(Hinweis: ein Datenwort hat mindestens 8 bit, bei höheren Genauigkeitsanforderungen 12, 16 oder mehr bit).
Für alle Standard-Schnittstellen am Rechner müssen die einzulesenden Signale in digitaler Form
vorliegen. Analoge Daten (z.B. 0...10 V Spannung oder 0 ..20 mA Strom) können nicht direkt über
eine Standard-Schnittstelle eingelesen werden. Sie müssen zunächst mit einem A/D-Wandler in
digitale Form überführt werden. Das kann in einem Meßgerät (mit digitalem Ausgang), in einem
speziellen Meßwertübertrager/Meßwertumformer (Transmitter) oder mit einer A/D-Wandlerkarte
geschehen, die in den Rechner eingesetzt wird.
(Hinweis: Messwertübertrager/-umformer mit Intelligenz, d.h. eigener Prozessorleistung, werden als SMART-Transmitter bezeichnet. Sie erlauben eine Vorverarbeitung der Meßwerte und Steuerung der Meßgeräte, ohne den Rechner zu
belasten. Damit kann die Leistungsfähigkeit der Meßwerterfassung deutlich verbessert werden. Die Zusatzbezeichnung
"SMART" hat sich in der Meßtechnik für alle Arten von Geräten eingebürgert, die über eigene Intelligenz verfügen).
© doc Seifert
SoSe 04
Seite 11 von 15
Temperaturmessung
Außerdem wird eine Software benötigt, die das Datenmanagement, d.h. das Anfordern und Einlesen
der Daten, sowie das Abspeichern auf der Platte oder einer Diskette sowie die Auswertung bewerkstelligt. Je nach Einsatzfall ist auch eine Steuerung des Meßgerätes (z.B. Start einer Messung,
Umschalten des Meßbereiches, Meßwerte übertragen, Ende der Messung) vom Rechner her über diese
Software möglich oder nötig.
Solche Meßwerterfassungs-Software ist in einer Vielzahl von Versionen, meist schon mit grafischer
Benutzeroberfläche, als Standard auf dem Markt erhältlich (LabVIEW, Lab Windows, HP-VEE,
signalys, FlexPro, DataEngine, ASYST, VIEWDAC, EASYEST, DAGO, Labtech Notebook, NetDAQ, DASYLab, DADiSP, ProVIEW, TestPoint, Virtual Bench, Visual Designer, u.s.w.).
Grundsätzlich ist beim Anschluß von Meßsystemen an den PC zu unterscheiden, ob
• eine Punkt-zu-Punkt Verbindung vom Sensor oder Meßgerät zum Rechner
oder
• ein Bus-System (Mehrpunkt-Verbindung)
für die Meßdatenerfassung gewählt wird.
Die einfache Punkt-zu-Punkt-Verbindung erlaubt zunächst nur den Anschluß eines Messgerätes/Sensors. Durch Einsatz eines Multiplexers kann die Schnittstelle vervielfacht werden. Der
Multiplexer als eigenes Gerät benötigt eine zusätzliche Steuersoftware, alle Meßgeräte und Sensoren
sind über eigene Kabel anzuschließen. Die Standardschnittstellen (seriell V24, parallel, Firewire) des
Rechners eignen sich nur für Punkt-zu-Punkt Verbindungen.
An einen Bus (technisch ein Kabel mit einer zusätzlichen Rechnerschnittstelle) können mehrere
Geräte
angeschlossen werden, deren Meßdaten alle über die eine Kabelverbindung übertragen werden. Dies
vereinfacht und verbilligt den Aufwand zum Anschluß aller Meß- und Steuerelemente an einen
zentralen Leitrechner erheblich. Die Bus-Software steuert die Datenübertragung, so daß sich die
Geräte nicht
gegenseitig stören. Intelligente Meßsysteme (SMART) können auch direkt miteinander über den Bus
kommunizieren.
Die Standardschnittstelle USB (Universal Serial Bus) des PC stellt einen solchen Busanschluß dar, ist
allerdings wegen der seriellen Arbeitsweise nicht für hohe Datenübertragungsraten bei vielen gleichzeitig arbeitenden Geräten geeignet.
Häufig zur Meßwerterfassung eingesetzte Schnittstellen/Datenübertragungssysteme:
V.24
sehr einfache kostengünstige Verbindung zwischen Meßgerät und Computer; serielle StandardSchnittstelle am PC; Bezeichnung nach amerikanischem E/A-Standard RS 232C für Übertragungen
bis 19200 Baud (bit/sec). Die RS 232C Schnittstelle wurde mit unwesentlichen Änderungen
übernommen
und in Europa als V.24 Schnittstelle bezeichnet.
Nachteil: niedrige Übertragungsgeschwindigkeit, nur ein Gerät anschließbar, keine direkte Bus-Struktur möglich, Kabellänge max.15 m,
Vorteil: größere Entfernungen durch einfache Umsetzer auf Stromschnittstelle realisierbar, 2-DrahtLeitung; wird auch als Schnittstelle für den Anschluß von Bus-Systemen benutzt.
RS 485
Meßumformer bzw. Endgeräte im Industriebereich werden oft mit Intelligenz (eigene Prozessorleistung) und RS 485 Schnittstelle ausgerüstet, die hardwareseitig die serielle V.24 Schnittstelle am PC
nutzt. Über die Schnittstellensoftware kann ein Bussystem für 32, mit Repeater auch für 64 bis 256
Geräte aufgebaut werden. RS 485 wird genutzt z.B. beim Profibus, CAN, Bitbus, DIN Meßbus, Rackbus oder dem InterBus S.
Vorteil: Buslänge bis 1200m, 2-Draht-Leitung, hohe Übertragungsgeschwindigkeit (insbes. bei
kurzen Leitungen)
IEC-Bus
am meisten verbreitetes Verbindungssystem von Meßgeräten zum Computer; parallele Schnittstelle;
spezielle Schnittstellenkarte im Rechner notwendig.
© doc Seifert
SoSe 04
Seite 12 von 15
Temperaturmessung
Der IEC 625 Bus, auch HP-IB (HP-Interface Bus), GPIB (General Purpose Interface Bus) oder IEEE
488 Bus genannt, ist ein von der Firma Hewlett Packard entwickeltes, 1975 von der IEEE* genormtes
Bussystem. Innerhalb eines IEEE Bus Systems können min.16 Geräte betrieben werden (15
Meßgeräte und der PC als Bus-Controller) oder mehr, je nach Busausbau.
Vorteil: sehr hohe Übertragungsgeschwindigkeit durch parallele Schnittstelle
Nachteil: nur kurze Buslänge zulässig, teure Hardware
* IEEE = Institute of Electric and Electronic Engineers, amerikan. Normungsbehörde
Für den Feldbereich, d,h, die Kommunikation von Meß- und Automatisierungsgeräten beliebiger
Hersteller(!) an der Anlage („im Feld“) und mit der Leitwarte existieren heute mehr als 60 herstellerspezifische Bussysteme, z.B. ASI (Aktor Sensor-Interface), Bitbus, CAN (Control Area Network),
DIN-Meßbus, FIP (Factory Instrumentation Protocol), InterBus S, MODBUS, Rackbus, Profibus
(Process
Field Bus), DeviceNet, ARCNET, FOUNDATION Fieldbus, Industrial ETHERNET, S-Net, LON
(Local Operating Network), Sensor Loop, P-Net, ATM (Asynchronous Transfer Mode), ....
Der Einsatz dieser Feldbussysteme führt jedoch oftmals zu Insellösungen oder mehreren miteinander
gekoppelten Netzen, die untereinander nicht kompatibel sind, bzw. die nicht immer erlauben, Geräte
oder Steuerungen verschiedener Hersteller an einen Bus anzuschließen.
In den Feldbusnormen DIN 19245 und DIN EN 61158 sind zwar Vereinbarungen getroffen, um das
Schnittstellenprotokoll vollständig und eindeutig zu beschreiben, doch ist die Anwendung dieser
Normen nicht vorgeschrieben.
Gängige Feldbussysteme zum Messen und Regeln in der Verfahrenstechnik:
ASI (Aktor Sensor-Interface)
entwickelt vom ASI Verein, zunächst binärer Feldbus der untersten Ebene für die Automation, jetzt
auch Anwendung in der Prozeßtechnik mit Übertragung digitalisierter Analogwerte und Ex-Schutz,
verwendet u.a. von SIEMENS, FESTO, PEPPERL & FUCHS, SCHNEIDER Automation, 2-DrahtLeitung ungeschirmt, max. 100m, max. 31 Geräte, Baumstruktur
DIN-Meßbus
In DIN 66348 genormtes Schnittstellenprotokoll, entwickelt von Hochschulen mit der PTB, Konkurrenzentwicklung zum PROFIBUS mit ähnlichen Eigenschaften, erfüllt Bauartzulassung für
eichpflichtige Geräte, aber bewußt einfach gehalten und jedermann, auch kleineren Firmen,
zugänglich, RS 485-Schnittstelle, max. 500m, max. 3 Geräte pro Bus, 2 Bus gleichzeitig unterstützt,
Gerätetreiber nicht in allen Softwarepaketen erhältlich
PROFIBUS (PROcess FIeld BUS)
von der PROFIBUS Nutzerorganisation entwickelt, entspricht DIN 19245 T4, verwendet von
SIEMENS, BOSCH, FESTO, KLÖCKNER-MÖLLER, PEPPERL & FUCHS, SCHNEIDER,
RS
485-Schnittstelle, Linienstruktur, geschirmte 2-Draht-Leitung verdrillt geschirmt, max. 1200m
(1900m bei Typ PA), max. 126 Geräte, eigensichere Variante für die Prozeßtechnik PROFIBUS PA
mit 32 Teilnehmern und niedrigerer Datenrate
InterBus-S
entwickelt von Phoenix Contact, Sensor-Aktor-Bus nach DIN 19258, überträgt digitale und analoge
Informationen über eine Ringstruktur, 5-adriges (InterBus-Fernbus) oder 2-adriges ungeschirmtes
(InterBus-Loop) Kabel paarweise verdrillt, RS 485-Schnittstelle, sehr hohe Datenrate, 1200 m bis 13
km, max. 255 Geräte, unterstützt von AEG, BOSCH, KLÖCKNER-MÖLLER, SIEMENS.
MODBUS Plus
entwickelt von Herstellern von Prozeßleitsystemen, verwendet von AEG, SCHNEIDER, 2-Draht-Leitung verdrillt, Linienstruktur, RS 485-Schnittstelle, max. 500 m, max. 32 Geräte je Segment
Rackbus
entwickelt und verwendet von ENDRESS+HAUSER, RS 485-Schnittstelle, max. 1200m, max. 64
Geräte, sehr große Palette von unterstützten Sensoren.
© doc Seifert
SoSe 04
Seite 13 von 15
Temperaturmessung
Industrial Ethernet
Entwickelt von Siemens, Erweiterung des für die Rechnerkopplung verwendeten Ethernet, LinienRing-Stern-Struktur, max. 100 Teilnehmer je Segment, Koaxialkabel mit doppelter Schirmung, max.
500 m ohne Repeater, 4 km mit Sternkoppler
4. Literatur
1
2
3
4
5
6
7
8
VDI 3511 Technische Temperaturmessungen
VDI 3512 Bl.2 Meßanordnungen für Temperaturmessungen
VDI 3522 Zeitverhalten von Berührungsthermometern
DIN 43710 Grundwerte der Thermospannungen für Thermopaare U u. L
DIN 43760 Grundwerte für Nickel-Meßwiderstände
DIN 43732 Thermopaare für Thermoelemente
DIN 16160 Thermometer
DIN 12770 Flüssigkeits-Glasthermometer
9 DIN 12775 Laborthermometer, Skalenwerte 0,1°C, 0,2°C und 0,5°C
10 DIN EN 60751 Platin-Widerstandsthermometer und Platin-Meßwiderstände
11 DIN EN 60584 Grundwerte d. Thermospannungen u. Grenzabweichungen
12 DIN 19245 Messen, Steuern, Regeln - PROFIBUS
13 DIN EN 61158 Feldbus für industrielle Leitsysteme
14 DIN EN 50170 Universelles Feldkommunikationssystem
15 Profos, P.(Hrsgb.): Handbuch der industriellen Meßtechnik, Oldenbourg Verlag
16 Mesch, F.: Meßtechnisches Praktikum, BI-Hochschultaschenbuch Nr.736/736a
17 Hengstenberg, J., et al.: Messen und Regeln in der chemischen Industrie, Springer Verlag, Berlin
18 Körtvelyessy, L.: Thermoelement Praxis, Vulkan Verlag, Essen
19 Schumny, H.: PC in Labor, Versuchs- und Prüffeld, Springer Verlag, Berlin
20 Preuß, L., Musa, H.: Computer-Schnittstellen, Hanser Verlag, München
21 Maier, H., Piotrowski, A.: Messen, Steuern, Regeln mit PC, Interest Verlag
22 o.V.: Software für die Meßtechnik, Messen, Sept.1988
23 Weber,H.: Rechnergestützte Meßverfahren, Vogel Verlag
24 Schnell, G.: Bussysteme in der Automatisierungs- und Prozeßtechnik, Vieweg
25 Endress+Hauser Meßtechnik (Hrsgb.): Kommunikation für die Verfahrenstechnik
26 Merz, L.: Grundkurs der Meßtechnik Teil II, Oldenbourg Verlag,
27 Strohrmann, G.: Meßtechnik im Chemiebetrieb, Oldenbourg Verlag
28 Schöne, A.: Meßtechnik, Springer Verlag
29 Berndt, H..; Kainka, B.: Messen, Steuern und Regeln mit WORD und EXCEL, Franzis Verlag
30 Jüttemann, H.: Einführung in das elektrische Messen nichtelektrischer Größen, VDI Verlag
5. Aufgabenstellung
5.1 Messung
Als Meßfühler stehen in der Meßstelle zur Verfügung:
• 3 FeKonst-Thermoelemente (nach DIN 43 710). Die Thermoelemente 1 und 2 stammen aus derselben Charge.
Als Vergleichsstelle dient ein Dewar-Gefäß mit Wasser von Raumtemperatur. Die Thermospannung
wird mit einem Multimeter gemessen. Die Temperaturen der Vergleichsstelle können mit einem
Glasthermometer und einem Schwingquarzthermometer kontrolliert werden.
Thermoelement 3 ist in Sparschaltung oder mit einem Vergleichsstellenkompensator
(Bezugstemperatur 0°C) zu betreiben.
• ein Widerstandsthermometer Pt 100 (nach DIN 43760),
• ein NTC (Heißleiter)
• ein PTC (Kaltleiter)
Die elektrischen Widerstände werden mit einem Multimeter ermittelt.
• ein Schwingquarzmeßsystem
• ein Präzisions-Labor(-glas-)thermometer
Die Meßstelle wird mit einem Thermostaten auf Temperaturen im Bereich 10°C bis 80°C eingestellt.
© doc Seifert
SoSe 04
Seite 14 von 15
Temperaturmessung
Die Meßwerte werden on-line in einen PC übertragen bzw. eingegeben und dort im Excel-Format
abgespeichert. Der Meßvorgang wird über den PC gesteuert.
Alle Meßwerte sind noch während der Messung auf Plausibilität zu überprüfen, damit Fehler
erkannt und die betreffende Meßreihe notfalls wiederholt werden kann.
Zu Beginn der Übung ist ein Meßprogramm aufzustellen, um die zu untersuchenden
Temperaturmeßsysteme hinsichtlich ihrer Einsatzmöglichkeiten und ihrer Genauigkeit zu vergleichen. Dieses Programm (=> was soll/muß bei welcher Temperatur gemessen werden?) ist
Grundlage der Messung und der Auswertung.
Berücksichtigen Sie bei der Auswahl der Meßpunkte die Temperaturbereiche besonders, in
denen stärkere Änderungen der Kalibrierkurven zu erwarten sind!
5.2 Auswertung
Allgemeine Aussagen aus dem Umdruck sollen in der Ausarbeitung nicht wiederholt werden.
(Hinweis: Prüfen Sie Ihnen zugängliche Vorlagen –auch im Internet - auf Übereinstimmung mit dem von Ihnen
gewählten Messprogramm und dem heutigen Versuchsaufbau! )
Achten Sie bei Ihren Ausführungen auf die unterschiedlichen Bedeutungen der Begriffe
„Fehler“, „Genauigkeit“, „Auflösung“, „Toleranz“.
Achten Sie bei den Diagrammen darauf, daß eine Ausgleichskurve durch die Meßpunkte gelegt
wird, nicht einfach die Punkte verbinden!
Die Ausarbeitung soll enthalten:
1. kurze Beschreibung und Begründung des Meßprogrammes (Wahl der Temperaturen)
2. Skizze des Versuchsaufbaus (Geräteparameter notieren, z.B. Eintauchtiefe der Thermometer,
Kabellänge bei Widerständen, Zwei- oder Vierleiteranschluß, usw.)
3. Original- Meßprotokoll (Rechner-Ausdruck).
4. Zusammenstellung aller ermittelten Temperaturwerte für die Meßstelle in einer Tabelle (Angaben
der Meßstellentemperatur in °C, keine Differenzangaben gegen die Vergleichsstelle!).
5. Graphische Darstellung der in Ihrem Meßprogramm aufgenommenen Meßergebnisse R = f(T) von
Pt 100, NTC und PTC . Tragen Sie zusätzlich die Kennlinie nach Norm DIN 43 760 ein!
6. Bestimmung der Größen A und B in der Näherungsgleichung für den Widerstand des Heißleiters
R = A*eB/T
Einzeichnen der so berechneten Kurve R = f(T) in die Grafik nach 5.
7. Diagramm der gemessenen Kalibrierkurven U = f(T) der Thermoelemente 1 bis 3 (Thermoelement
3 mit und ohne Kompensation) , (Achtung: Bezugstemperatur nach DIN und Vergleichsstellentemperatur
beachten; Korrektur !). Wozu werde Kalbrierkurven benötigt? Was sind „Kennlinien“?
8. Darstellung der Abweichungen der Kalibrierkurven von der Normkennlinie nach DIN 43710
als Funktion der Meßstellentemperatur. Zulässige Toleranz nach Norm in die Darstellung eintragen!
9. Rechnerische Abschätzung der Größe der Fadenkorrektur für den ungünstigsten Fall.
Ist der Fehler zu beachten oder von vernachlässigbarer Größenordnung?
10. Rechnerische Abschätzung des Einflusses der Zuleitungen bei der Widerstandsmessung, sofern
© doc Seifert
SoSe 04
Seite 15 von 15
Temperaturmessung
eine Zweileiterschaltung verwendet wurde. Ist der Fehler vernachlässigbar?
11. Nennen Sie Gründe, die für die Abweichung der Kennlinien der Thermoelemente von der
Normkurve in unserem Versuch (nicht: rein theoretisch!) maßgebend sein könnten.
Welche Folgen hat es für einen Meßeinsatz, wenn die Kennlinie eines Meßaufnehmers von der
entsprechenden Normkurve abweicht?
12. Nennen Sie Gründe, die für die unterschiedlichen Meßergebnisse (der Meßstellentemperatur mit
den verschiedenen Sensoren) in unserem Versuch maßgebend sein können. Gehen Sie dabei
systematisch vor:
a-Fehler der Sensoren
c-Fehler der Meßwertübertragung
© doc Seifert
b-Fehler infolge der Meßfühleranordnung
d-Fehler der Meßgeräte bzw. der Auswertegeräte
SoSe 04
Seite 16 von 15