Technische Fachhochschule Berlin LABOR FÜR

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LABOR FÜR REGELUNGSTECHNIK
und PROZEßSIMULATION
Technische Fachhochschule Berlin
Industrielle Temperaturmessung I+II
University of Applied Sciences
0.Ziel und Zweck
Druck und Temperatur sind Zustandsgrößen, die in der Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und der
(konventionellen und alternativen) Energieerzeugung zur Prozessführung häufig gemessen werden.
Als Beispiel für die Anwendung und die Probleme der Meßtechnik in diesen Branchen soll die
Temperaturmessung näher untersucht werden.
Für den Einsatz in einer technischen Anlage sind folgende Informationen zu den verschiedenen industriellen Temperaturmeßsystemen wichtig, die auch in der Übung erarbeitet werden sollen:
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Bauweise und Abmessungen der Sensoren (Meßfühler), Einbaumöglichkeiten,
Einsatzbedingungen (zulässige Drücke und Temperaturen), Meßbereiche, Störeinflüsse,
Berührungs- oder berührungslose Meßsysteme, Dynamik der Meßsysteme (Zeitverhalten),
Meßwertübertragung, Auswerteverfahren, Korrekturen, Kalibrierung, Eichung
Fehlereinflüsse, Auflösung und erzielbare Genauigkeit der Temperaturmessungen.
Lernziel: Verschaffen Sie sich einen Einblick in den Aufbau, die Einsatzweise, die Genauigkeit, die
Fehler- und Korrekturmöglichkeiten, die Auswertemöglichkeiten der verschiedenen Temperaturmeßsysteme. Dazu messen Sie vorgegebene Temperaturen mit den verschiedenen Sensoren und werten die
Ergebnisse normgerecht aus (lesen Sie dazu Kapitel 5 vor dem Versuch!).
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 (nicht immer lineare) Beziehung, so z.B. mit den Größen
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Länge, Volumen, Dichte
Druck
Elektrische Kontaktspannungen bzw. Ladungsverteilung
Elektrischer Widerstand, Strom-Spannungs-Kennlinie
Magnetischer Widerstand
Elektrisches Rauschen
Emission von Strahlung
Lichtbrechung, Lichtabsorption, Reflexion
Aggregatzustand bzw. Kristallstruktur
Schwingungsverhalten (Resonanz, Eigenfrequenz, Dämpfung)
Schallgeschwindigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Dielektrizitätskonstante
Zur Festlegung einer allgemeingültigen Temperaturskala sind diese Größen aber wenig geeignet,
weil die Zusammenhänge stoffspezifisch sind.
Thermodynamisch wird die Temperatur T daher über den Wirkungsgrad eines idealen CarnotProzesses definiert. Da Wärmemengen als eine Form der Energie prinzipiell meßbar sind, ist der
Temperaturwert damit bis auf einen Proportionalitätsfaktor α bestimmbar (Hinweis: im Wirkungsgrad hebt
sich α im Zähler und Nenner heraus, es bleiben nur Temperaturen übrig):
Q = α*(T2-T1)
==>
T2-T1 = Q/α
==>
η = 1- T 2/T1 = 1 – Qab/Qzu
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.
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Temperaturmessung
1.2 Temperaturskala des Gasthermometers
Für technische Temperaturmessungen eignet sich die o.a. Definition wegen der aufwendigen Meßtechnik und der nicht immer idealen Prozessbedingungen 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 die ITS 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 keine Fixpunkte der ITS '90!).
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 `90
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 wird in den angelsächsischen Ländern die Temperatureinheit Grad Fahrenheit [°F] benutzt:
T[°C] = 5(T[°F] - 32)/9
T[°F] = (9T[°C]/5)+ 32
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)
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Temperaturmessung
1.5 Meßbereiche und erforderliche Messunsicherheiten in der Praxis
Wie genau müssen Temperaturen in der industriellen Praxis bestimmt werden? 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. Aufgrund der Abmessungen des Sensors kann
nur die über das Sensorvolumen gemittelte Temperatur angezeigt werden. 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/vom 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 des Objektes 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,
Temperaturverteilung großer Flächen 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 verschiedene (nicht kompensierte) Berührungsthermometer eingesetzt, zum Vergleich der Meßverfahren stehen auch ein Infrarot-Thermometer und ein
Infrarot-Scanner zur Verfügung.
2.1 Flüssigkeits-Glasthermometer
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.
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Temperaturmessung
Zur Verringerung von Meßfehlern ist zwischen ganz eintauchend justierten und teilweise eintauchend kalibrierten Thermometern zu unterscheiden. Ganz eintauchend kalibrierte 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
Ta in K bzw. °C
k in 1/K
n in K bzw.°C
TF in K bzw.°C
die wahre Temperatur des zu messenden Stoffes
die am Thermometer abgelesene Temperatur
Differenz der Ausdehnungskoeffizienten von Füllflüssigkeit und Thermometerglas
Länge des herausragenden Fadens, angegeben in Grad der Thermometerskala
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 Thermometerflüssigkeiten 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), die Auflösung beträgt meist 0,1°C.
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:
Utho =
∫ kdT = k * (T(L) - T(0))
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:
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Temperaturmessung
Uth = UthA - UthB = (kA - kB)*(T(L) - T(0)) = c*ΔT
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 sich möglichst stark
unterscheiden. 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 wenig Aufwand herstellen läßt (DewarGefäß 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 entsprechende Kalibrierkurve erst 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 (bzw. bei der Kalibrierung) ab, ist die gemessene
Thermospannung zu berichtigen, bevor eine Kalibriertabelle bzw. Kalibrierkurve angewendet wird:
Uth = Utha + ΔUth = Utha + c*(TVergl - TBezug)
Uth = korrigierte Thermospannung
Utha = gemessene Thermospannung (abgelesener Wert)
c = mittl. c-Wert (mittl. Steigung der Kalibrierkurve) zwischen TVergl und TBezug ,z.B. in mV/°C
TVergl = Vergleichsstellentemperatur bei der Messung
TBezug = Bezugstemperatur (= Vergleichsstellentemperatur der Kalibriertabelle)
Grund für die Korrektur: Die Seebeck-Koeffizienten sind für die meisten Materialien keine
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Temperaturmessung
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 für Fe-Konst. im Anhang):
bei jeweils 10°C Differenz zwischen Meß- und Vergleichsstelle ist
zwischen 0°C und 10°C die messbare Thermospannung = 0,52 mV
zwischen 200°C und 210°C die messbare Thermospannung = 0,56 mV
zwischen 800°C und 810°C die messbare 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 Klasse 2
______________________________________________
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 beträgt einige MΩ, damit der Spannungsabfall in den Zuleitungen klein bleibt und sich das Thermoelement durch den Meßstrom nicht
erwärmt (Hinweis: bei einer Thermospannung von 1 mV und einem Messgerätewiderstand von 1 MΩ ist der Messstrom
1 nA). Für genauere Messungen werden Kompensationsschaltungen verwendet, bei denen der Meßkreis durch Abgleich mit einer Gegenspannung stromlos wird (=>keine Erwärmung).
Wird das Thermoelement direkt, also ohne gesonderte Vergleichsstelle an das Meßgerät
angeschlossen (Sparschaltung Bild 8a.), wird die Vergleichsstelle ( = anderes Ende des Leiters bzw.
zweite Verbindungsstelle der beiden Leitermaterialien) physisch an die Anschlußklemmen des
Meßgerätes 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 daher nur für überschlägige Messungen geeignet.
In einer technische Anlage ist der Aufbau einer temperaturkonstanten Vergleichsstelle im Feld häufig
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Temperaturmessung
hinderlich; eine zentrale Vergleichsstelle (z.B. in der Meßwarte) erfordert lange, teure und
störanfällige Kabelverbindungen.
Die Probleme können umgangen werden (Schaltung Bild 8g.), 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 er die passende Spannung erzeugt.
Die Genauigkeit der Kompensation (nicht der Temperaturmessung insgesamt!), also der Unterschied
zwischen einer Kompensations- 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 ΔT <10 K gilt folgende Näherung:
RT = Ro(1 + αΔT) Î ΔT = (RT/R0 –1)/α
α = mittlerer Temperaturbeiwert des elektr. Widerstandes [1/K] im Temperaturbereich ΔT
Als R0 wird meist 100 Ω verwendet (Pt 100), aber auch andere Werte sind möglich (Pt 1000, Pt 400).
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 α und ihrer kleinen Zeitkonstante verwendet, wenn geringere Genauigkeit ausreicht. "Heißleiter"
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
Î T = B/ln(R/A)
R = Widerstand in Ω
A,B = Materialkonstanten
T = absolute Temperatur in K
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Temperaturmessung
Neben "Heißleitern" auf Metalloxidbasis werden auch "Kaltleiter" angeboten, die meist 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 das 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 ΔU am Widerstand (s. Bild 10). Der Widerstand der Zuleitungen hat
daher keinen Einfluß auf das Meßergebnis. Es gilt das Ohm’sche Gesetz : R = ΔU/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
0,30 + 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 würde (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 (Hinweis: die in Wärme umgesetzte Verlustleistung P = R*I2
beträgt dann nur 0,01 W), üblich sind Messgeräte mit 0,4 mA (also Verlustleistung 0,00016 W). Damit bleibt
der Erwärmungsfehler deutlich unter den oben angegebenen Toleranzen.
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/DWandler) und die
Kommunikationsschnittstelle gemeinsam auf einem IC. Als Temperatursensor werden dabei
Halbleiterwiderstände, Dioden oder Transistoren (Abhängigkeit der Diodenspannung oder der BasisEmitter-Spannung von der Temperatur→ BandGap Sensor) verwendet. 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 aufgrund der Temperaturempfindlichkeit des IC.
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Temperaturmessung
2.4 Schwingquarzthermometer
Die elektrische Temperaturmeßtechnik (Widerstandsthermometer, Thermoelemente) stützt sich 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). Ein Ausweg ist der Einsatz von zusätzlichen Meßumformern, die das Analogsignal direkt an der Messstelle digitalisieren.
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, wenn α bekannt ist, 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 4,5 mm ø und 0,1 mm Dicke (Bild 7). Die
Dauer eines Meßzyklus beträgt 1s, d.h. alle 1s wird ein neuer Meßwert geliefert. Die Meßdauer selbst
ist 0,5 s , 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
(IR) 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, Widerstandsthermometer (Bolometer)) gemessen werden.
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 λ , wobei λmax ⋅T = const. ist (Wien’sches Verschiebungsgesetz).
(Hinweis: im Bereich des sichtbaren Lichtes ist dieser Frequenzänderungseffekt auch bekannt; ein Metallstück erscheint
bei Erwärmung zunächst rot, mit wachsender Temperatur gelb und dann weiß).
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Temperaturmessung
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 W gemessen, kann daraus also die Temperatur des Körpers berechnet
werden.
Dieser einfache Zusammenhang wird in der praktischen Anwendung komplexer, 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 Wellenlängenbereich 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
Emissionsfaktor bei 0,01 bis 0,1.
Der Emissionsfaktor für ein zu messendes Objekt kann Tabellenwerken entnommen, oder durch eine
Vergleichsmessung ermittelt werden (Hinweis: 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). Der Faktor kann bei den meisten Messgeräten direkt eingegeben werden, so daß das
Gerät die wahre Temperatur des Körpers anzeigt.
Grundsätzlich können auch nur Oberflächentemperaturen gemessen werden. Das Gerät sendet keine
Strahlung aus sondern nimmt nur Strahlung auf, es kann also nicht „hindurchsehen“ (z.B. Temperatur
einer Flüssigkeit in einer Rohrleitung), mit Ausnahme der oben erwähnten speziellen Möglichkeiten
bei Glas oder Kunststoff.
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Temperaturmessung
Zu beachten ist bei der Infrarotmessung auch, 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 (die Temperatur wird über eine größere Fläche
gemittelt). Kleine Objekte müssen mit geringem Messabstand (einige cm) gemessen werden, sonst
reicht der Messfleck über das Objekt hinaus und die Temperaturanzeige wird verfälscht.
3. Rechnergestützte Messdatenerfassung (DAQ, Data Acquisition)
Umfangreiche Meßaufgaben sind besonders rationell zu erledigen, indem die Meßwerte nicht notiert
oder mit einem Schreiber aufgezeichnet, sondern direkt in einen Rechner 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 Sensor (mit digitaler Schnittstelle) wird direkt am Rechner angeschlossen, das passende Meßgerät
(z.B. Spannungs- oder Widerstandsmessung) 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 (Treiber, Driver).
(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 (Beispiel Temperatur-IC)).
Es ist möglich, für den Meßgeräte- oder Sensoranschluß am PC
• 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-Maus).
Parallele Schnittstelle: Die einzelnen bit eines Datenwortes werden gleichzeitig über verschiedene
Signalleitungen übertragen (Beispiel: Drucker).=> Datenübertragung ist deutlich schneller.
(Hinweis: eine Zahl als Datenwort hat mindestens 8 bit, bei höheren Genauigkeitsanforderungen (= mehr Dezimalstellen)
12, 16 oder mehr bit. Die serielle USB-Schnittstelle hat heute eine so hohe Datenübertragungsrate, daß sie die
Parallelschnittstelle in den meisten Fällen ersetzen kann).
Für alle Standard-Schnittstellen am Rechner müssen die einzulesenden Signale in digitaler Form
vorliegen, z.B. von einem digitalen Sensor. 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 Prozessorleistung
verfügen).
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Temperaturmessung
Außerdem wird eine Software benötigt, die das Datenmanagement, d.h. das Anfordern und Einlesen
der Daten, sowie das Abspeichern auf der Festplatte oder einem anderen Speichermedium 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
• 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 (z.B. Temperaturkorrektur von Druckmessungen durch Übernahme
des Messwertes des Temperatursensors).
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 Hardware-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: noch am meisten verbreitetes Verbindungssystem von Meßgeräten zum Computer;
parallele Datenübertragung; spezielle Schnittstellenkarte im Rechner notwendig.
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 (IEEE =
Institute of Electric and Electronic Engineers, amerikan. Normungsbehörde) genormtes Bussystem. Innerhalb
eines IEEE Bus Systems können min.16 Geräte betrieben werden (15 Meßgeräte und der PC als BusController), je nach Busausbau auch 32, 64, 128,.....
Vorteil: hohe Übertragungsgeschwindigkeit (im Vergleich zu V.24) durch parallele Schnittstelle
Nachteil: nur kurze Buslänge zulässig, teure Hardware
USB: Die Standardschnittstelle USB (Universal Serial Bus) des PC stellt auch eine Art eines
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Temperaturmessung
Busanschlusses dar. Die Version USB 1.1 ist wegen der seriellen Arbeitsweise und der geringen
Datentransferrate von max. 12 Mbit/s nicht für schnelle Datenübertragung bei vielen gleichzeitig
arbeitenden Geräten geeignet. Die Version USB 2.0 hat eine Datentransferrate von bis zu 480 Mbit/s
und kann bis zu 31 angeschlossene Geräte verarbeiten. Damit eignet sie sich auch für den Anschluß
von Geräten, die bisher parallele Schnittstellen genutzt haben (Drucker, Scanner, Festplatten). In
Kürze wird das WUSB (Wireless USB) erscheinen, das mit Funkdatenübertragung (UWBUltrawideband) Transferraten bis 480 Mbit/s bei Abständen bis zu 3 m garantiert.
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, MODBUS, Rackbus, Profibus
(Process Field Bus), Profinet (Industrial Ethernet), DeviceNet, ARCNET, ControlNet,
FOUNDATION Fieldbus, S-Net, LON (Local Operating Network), Sensor Loop, P-Net, ATM
(Asynchronous Transfer Mode), CC-Link, IO-Link… und für Funkdatenübertragung Bluetooth, WLAN, Zig-Bee, WiMAX, GSM, GPRS....
Der Einsatz der Feldbussysteme führt oft zu Insellösungen oder mehreren miteinander gekoppelten
Netzen, die untereinander nicht kompatibel sind, bzw. nicht immer erlauben, Geräte oder Steuerungen
verschiedener Hersteller an einen Bus anzuschließen. Hier ist ein neuer Markt für Geräte entstanden,
die Kopplungen zwischen heterogenen Rechner- und Feldbusnetzen erlauben (z.B. Konzept „Anybus“
unter www.hms-networks.de).
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. In letzter Zeit wird verstärkt daran gearbeitet, die Schnittstellen
kompatibel zu machen bzw. an Messgeräten und Sensoren solche Schnittstellen zu installieren, die
mit einer Vielzahl von Bussystemen arbeiten können. Hilfestellung geben herstellerunabhängige
Stellen, die Kompatibilitätstests durchführen, um z.B. sicherzustellen, daß Leitsystem und Feldgeräte
problemlos zusammenspielen. Feldbusschnittstellen sind nicht standardmäßig am PC vorhanden, es
muß jeweils ein entsprechender Bus-Controller eingesetzt werden.
Mit dem Einzug von Industrial Ethernet in die Prozessautomation kann die drahtlose Kommunikation
(funkgestütztes Feldbussystem) über WLAN oder Bluetooth kostengünstig umgesetzt werden. Der
Datendurchsatz ist jedoch mit 6 oder 25 Mbit/s (Halbduplex) deutlich geringer als bei drahtgebundenen LAN (100Mbit/s Vollduplex), bei Bluetooth beträgt die Nettodatenrate etwa 750 kBit/s.
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
IO-Link
Entwickelt vom Arbeitskreis IO-Link der Profibus-Nutzerorganisation. Serielle Point-to-PointVerbindung zum Anschluß von Sensoren/Aktoren an eine E/A –Baugruppe. Leitungslänge 20m,
ungeschirmt 2/3-Draht. Kommunikation als serielles UART-Protokoll. Stromversorgung für Sensor
bis 200 mA. Verwendet u.a. von SIEMENS, FESTO, PEPPERL & FUCHS, PHOENIX CONTACT,
TURCK.
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© doc Seifert
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Temperaturmessung
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.
Industrial Ethernet (PROFINET)
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, einheitliches Netz für Anlagenbetrieb und sonstiger
Unternehmenskommunikation
4. Literatur
1 VDI 3511 Technische Temperaturmessungen
2 VDI 3512 Bl.2 Meßanordnungen für Temperaturmessungen
3 VDI 3522 Zeitverhalten von Berührungsthermometern
4 DIN 43710 Grundwerte der Thermospannungen für Thermopaare U u. L
5 DIN 43760 Grundwerte für Nickel-Meßwiderstände
6 DIN 43732 Thermopaare für Thermoelemente
7 DIN 16160 Thermometer
8 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
DIN 19258 Leittechnik, INTERBUS-S
13 DIN EN 61158 Industrielle Kommunikationsnetze - Feldbusse
DIN EN 61784 Digitale Datenkommunikation in der Leittechnik
14 DIN EN 50170 Universelles Feldkommunikationssystem
DIN V 12900 Labordatenkommunikation
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
31 Kaspers/Küfner: Messen-Steuern-Regeln, Vieweg Verlag
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Temperaturmessung
5. Aufgabenstellung Temperatur I
5.1 Messung mit Berührungsthermometern
Als Meßfühler stehen in der Meßstelle zur Verfügung:
• 3 FeKonst-Thermoelemente (nach DIN 43 710). Die Thermoelemente 1 und 2 stammen aus
derselben Charge.Thermoelement 3 ist wahlweise in Sparschaltung oder mit einem
Vergleichsstellenkompensator (Bezugstemperatur 0°C) zu betreiben.
• Widerstandsthermometer Pt 100 (nach DIN 43760)
• NTC (Heißleiter), PTC (Kaltleiter)
• Schwingquarzmeßsystem
• Präzisions-Labor(-glas-)thermometer
• Vergleichsstelle: Dewar-Gefäß mit Wasser von Raumtemperatur. Die Temperaturen der
Vergleichsstelle können mit Glasthermometer und Schwingquarzthermometer kontrolliert werden.
Die Meßstelle wird mit einem Thermostaten auf Temperaturen im Bereich 10°C bis 80°C eingestellt.
Messen=> Thermospannung und elektrische Widerstände mit einem Multimeter
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.
5.2 Auswertung
Aussagen und Erläuterungen aus dem Umdruck sollen in der Ausarbeitung nicht wiederholt
werden.
Die schriftliche Ausarbeitung soll enthalten:
1) Skizze des Versuchsaufbaus (Geräteparameter notieren, z.B. Eintauchtiefe der Thermometer,
Kabellänge bei Widerständen, Zwei- oder Vierleiteranschluß, usw.) (Hinweis: Prüfen Sie Vorlagen –
auch im Internet - auf Übereinstimmung mit dem von Ihnen gewählten Messprogramm und dem derzeitigen
Versuchsaufbau, bevor Sie Aussagen übernehmen!)
2) Original- Meßprotokoll (Rechner-Ausdruck)
3) Zusammenstellung aller ermittelten Temperaturwerte für die Meßstelle in einer Tabelle
(Angaben der Meßstellentemperatur in °C, keine Differenzangaben gegen die
Vergleichsstelle!).
4) Diagramm=> Graphische Darstellung der aufgenommenen Meßergebnisse R = f(T) von Pt 100,
NTC und PTC . Tragen Sie zusätzlich die Kennlinie nach Norm DIN 43 760 ein!
5) Bestimmen=> Größen A und B in der Näherungsgleichung für den Widerstand des Heißleiters
R = A*eB/T
Einzeichnen der damit berechneten Kurve R = f(T) in die Grafik nach 4.
6) Diagramm=> gemessene Kalibrierkurven U = f(T) der Thermoelemente 1 bis 3 (Thermoelement
3 mit und ohne Kompensation) (Achtung: Bezugstemperatur nach DIN und Vergleichsstellentemperatur beachten; Korrektur !).
7) Diagramm=> Darstellung der Abweichungen der Kalibrierkurven nach 6. von der Normkennlinie
nach DIN 43710 als Funktion der Meßstellentemperatur. Zulässige Toleranz nach Norm in die
Darstellung eintragen!
8) Berechnen=> Größe der Fadenkorrektur für den ungünstigsten Fall. Ist der Fehler in der
industriellen Praxis zu beachten oder von vernachlässigbarer Größenordnung?
9) Berechnen=> Einfluß der Zuleitungen bei der Widerstandsmessung, sofern eine
Zweileiterschaltung verwendet wurde. Ist der Fehler vernachlässigbar?
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Temperaturmessung
10) Ermitteln=> Gründe, die für die Abweichung der Kennlinien der Thermoelemente von der
Normkurve in unserem Versuch (nicht: rein theoretisch, was grundsätzlich alles sein könnte!)
11) Überlegen => Welche Folgen hat es für eine Messung, wenn die Kennlinie eines Meßaufnehmers
von der entsprechenden Normkurve abweicht?
12) Ermitteln => Gründe, die für die unterschiedlichen Meßergebnisse (der Messstellentemperatur)
mit den verschiedenen Sensoren in unserem Versuch verantwortlich sein können (keine
allgemeinen Aussagen, die grundsätzlich überall zutreffen könnten!). Orientieren Sie sich an der
Größe der Abweichungen, d.h. auf die wesentlichen Abweichungen und die Gründe dafür kommt
es an, nicht auf die dritte Stelle nach dem Komma!
Wichtiger Hinweis:
Aus Diagrammen sollen Werte ablesbar sein. Jedes Diagramm muss daher mindestens die
Größe DIN A5 (1/2 DIN A4) haben! Achten Sie bei Ihren Ausführungen auf die unterschiedlichen
Bedeutungen der Begriffe „Fehler“, „Genauigkeit“, „Auflösung“, „Empfindlichkeit“, „Toleranz“.
Verwenden Sie beim Zeichnen der Diagramme mit Excel immer die Funktion „Trendlinie
hinzufügen“ , um eine Ausgleichskurve durch die Messpunkte zu legen!
Die einfache Funktion „Punkte verbinden“ ist für die Darstellung (fehlerbehafteter, steuender)
Meßwerte ungeeignet!
Die im Internet verfügbaren Versionen von Ausarbeitungen erfüllen die genannten
Bedingungen nicht und sind zudem häufig mängelbehaftet. Von einer Übernahme dieser
Texte wird abgeraten.
6. Aufgabenstellung Temperatur II
6.1 Messung mit Infrarotthermometer und Infrarot-Scanner
- Skizze des Versuchsaufbaus (Geräteparameter notieren, z.B. Messbereich, Messabstand,
Genauigkeitsangaben zu den Meßgeräten, usw.)
- Für die vorhandenen Infrarotsysteme sind bei gleichem Emissionsfaktor bei mehreren
Temperaturen Kalibrierkurven aufzunehmen und graphisch darzustellen. Die Kurven sind zu
vergleichen und die Abweichungen zu diskutieren.
- An den vorhandenen Infrarotsystemen sind die Einflüsse des Emissionsfaktors auf das
Meßergebnis bei verschiedenen Kalibriertemperaturen aufzunehmen und graphisch darzustellen.
Die Kurven sind zu vergleichen und die Abweichungen zu diskutieren.
- Mit dem Handmessgerät ist der Einfluss des Meßabstandes auf das Meßergebnis zu ermitteln und
graphisch darzustellen. Die Gründe für diesen Einfluß sind anzugeben, das Messergebnis ist
dazu in Bezug zu setzen
- Mit der Thermokamera wird die Temperatur durch verschiedene Glassorten und Kunststofffolien
hindurch gemessen. Die Messergebnisse sind graphisch darzustellen und in ihrer Aussagekraft
zu bewerten (Vergleich mit Bild 11 und analogen Kurven für Kunststoffe, die zu ermitteln sind).
Beantworten Sie die Frage: könnte mit dem Handmessgerät ein besseres Ergebnis erzielt werden?
7. Aufgabenstellung Datenerfassung
Mithilfe der Datenerfassungssoftware DASY-Lab ist ein Programm zu erstellen, daß Messwerte von
Thermoelementen, Widerstands- und Quarzthermometern
- einliest
- umrechnet und die richtigen Einheiten zuordnet
- mittelt
- darstellt
- abspeichert
- als Excel-Tabelle ausgibt
Das erstellte Programm ist in der Ausarbeitung zu dokumentieren.
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Temperaturmessung
Schnittstelle
V 24
Signal
max.
logisch 0
logisch Leitungslänge
1
+3...+15 -3...-15 V
15...30 m
V
(RS 232)
seriell
RS 485
seriell
IEC
(IEEE 488)
parallel
Centronics
parallel
Schnittstelle
0V
5V
1500 m
5V
0V
2...20 m
0V
5V
2m
Preisgünstig, einfache
Ansteuerung
PCI-Karte
Höhere Leistung, Plug&Play
PCMCIA-Karte
Schnell, leistungsfähig
Parallel (Centronics) Standardmäßig vorhanden,
USB
Ethernet
Standardmäßig vorhanden,
einfache Ansteuerung
Geräte pro Eigenschaften Anwendung
Schnittstelle
2 Daten
1
1 Masse
2 Handshake
2 Daten
1 Masse
8 Daten
3 Handshake
5 Control
8 Daten
3 Handshake
Vorteile
ISA-Karte
Seriell RS232
Zahl der
Leitungen
Standard PCSchnittstelle
Messung
Regelung
32
16
1
busfähig
schnell
störempfindl.
busfähig
schnell
störempfindl.
Nachteile
Nachrüstung notwendig,
Steckplätze in neuen PC nicht
mehr vorhanden, schlechte
Windows-Unterstützung
Nachrüstung notwendig,
spezielle Treiber erforderlich,
I/O-Programmierung aufwendig
Steckplatz nicht in allen PC
vorhanden, mechan. anfällige
Anschlüsse, beschränkte
Auswahl von Karten
langsam, Schnittstelle auf
Notebooks teilw. nicht mehr
vorhanden, nur kurze Verbindungskabel , nicht busfähig
Messung
Regelung
Messung
Steuerung
Labor
Drucker
Anwendung
Maschinensteuerung,
automat. Meß- und
Prüfplätze
Schnelle Messdatenerfassung, Prüfstände,
Anlagenüberwachung
wie PCI, für mobile
Datererfassung mit
Notebooks
mobile und stationäre
Messdatenerfassung
weniger Größen
sehr langsam, nicht busfähig
Erfassung weniger, nicht
zeitkritischer Daten von
einzelnen Meßgeräten
Meist standardmäßig vorhanden, nur kurze Verbindungskabel
mobile und stationäre
gute Windows-Unterstützung,
erlaubt, Schnittstelle nicht sehr
Messdatenerfassung und
Stromversorgung für Sensoren
fehlertolerant, USB 1.1 langsam, Steuerung von mehreren
integriert, busfähig
keine Buskommunikation der
Meß- und
Geräte untereinander
Peripheriegeräten
Hohe Geschwindigkeit, lange
hohe Kosten, nur mit
Mobile und stationäre
Anschlußkabel möglich, drahtlos Zusatzmaßnahmen echtzeitfähig Messdatenerfassung,
mit WLAN, kaskadierbar,
Netze mit über 100
Einheitlichkeit und Verbindung
Kanälen,
zum Firmenetzwerk
Funkdatenübertragung,
Bild 11: Transmission von SCHOTT AR-Glas
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