Tem­pe­ra­tur­mes­sung zur Be­ur­tei­lung des Ma­schi­nen­zu­stan­des

Un­ter­su­chun­gen von Ma­schi­nen­schwin­gun­gen ma­chen es in der Regel er­for­der­lich, neben den Schwin­gungs­grö­ßen noch wei­te­re, lang­sam va­ri­ie­ren­de Zu­stands­grö­ßen zu er­fas­sen. Nur in Kom­bi­na­ti­on lässt sich aus die­sen ver­schie­den­ar­ti­gen Mess­da­ten ein um­fas­sen­des Bild des ak­tu­el­len Ma­schi­nen­zu­stan­des ab­lei­ten. Die Tem­pe­ra­tur ist hier­bei für viele An­wen­dun­gen vor allem aus drei Grün­den eine wich­ti­ge Mess­grö­ße:

 

Er­ken­nung von Schä­den und un­güns­ti­gen Be­triebs­be­rei­chen

Auf­grund von Rei­bung und Druck wird me­cha­ni­sche Ener­gie, z.B. in La­gern, Ge­trie­ben oder Hy­drau­lik­sys­te­men, in Wärme um­ge­wan­delt. De­fek­te an der Ma­schi­ne füh­ren dabei oft­mals zu einem lokal er­höh­ten Wär­me­ein­trag und damit zu einem mess­ba­ren Tem­pe­ra­tur­an­stieg. Eine kon­ti­nu­ier­li­che Tem­pe­ra­tu­r­über­wa­chung kann hier hel­fen, Schä­den zu er­ken­nen und Fol­ge­schä­den zu ver­mei­den. Auch Schmier- und Hy­drau­li­köle soll­ten für den Er­halt ihrer Ei­gen­schaf­ten einen op­ti­ma­len Tem­pe­ra­tur­be­reich nicht ver­las­sen. Eine durch­ge­hen­de Mes­sung der Öl­tem­pe­ra­tur er­laubt es, ein Ver­las­sen des zu­läs­si­gen Be­reichs zu de­tek­tie­ren und Ge­gen­maß­nah­men zur Küh­lung/Er­wär­mung ein­zu­lei­ten.

Um­wand­lung che­mi­scher Ener­gie er­for­dert gutes Ther­mo­ma­na­ge­ment

In vie­len Ma­schi­nen wird che­mi­sche in me­cha­ni­sche oder elek­tri­sche Ener­gie um­ge­wan­delt, z.B. in Ver­bren­nungs­mo­to­ren, Ga­stur­bi­nen oder Elek­tro­au­tos (dort in den Bat­te­ri­en oder Brenn­stoff­zel­len). Hier­bei wird Wärme frei­ge­setzt, die für den dau­er­haf­ten Ma­schi­nen­be­trieb ab­ge­führt wer­den muss. Dies er­for­dert ein wohl durch­dach­tes Ther­mo­ma­na­ge­ment, wel­ches durch Tem­pe­ra­tur­mes­sun­gen ef­fek­tiv va­li­diert und über­wacht wer­den kann.

Auch elek­tri­sche Ma­schi­nen er­fah­ren si­gni­fi­kan­ten Wär­me­ein­trag

Ähn­li­ches gilt für elek­tri­sche Kom­po­nen­ten, wie Elek­tro­mo­to­ren oder Ge­ne­ra­to­ren, wobei der Wär­me­ein­trag hier­bei – zu­sätz­lich zur Rei­bung - auf den Strom­fluss oder die Um­ma­gne­ti­sie­rung von Bau­tei­len zu­rück­zu­füh­ren ist.

Ther­mo­me­ter­feh­ler

Her­aus­for­de­run­gen in der Tem­pe­ra­tur­mes­sung

Das gän­gigs­te Mess­prin­zip zur Be­stim­mung der Tem­pe­ra­tur ba­siert dar­auf, einen Mess­auf­neh­mer in ther­mi­schen Kon­takt mit dem Mes­s­ob­jekt zu brin­gen. Der Auf­neh­mer nimmt dabei die Tem­pe­ra­tur des Mes­s­ob­jekts an und er­zeugt eine elek­tri­sche Mess­grö­ße, von der aus wir auf die Tem­pe­ra­tur des Auf­neh­mers - und damit des Mes­s­ob­jekts - rück­schlie­ßen kön­nen. Im We­sent­li­chen tre­ten hier­bei immer zwei Arten von Feh­lern auf, die ab­hän­gig von der Mess­auf­ga­be und vom ver­wen­de­ten Mess­ge­rät un­ter­schied­lich stark ins Ge­wicht fal­len:

Feh­ler 1. Art

Da der Auf­neh­mer erst nach einer ge­wis­sen Zeit­span­ne die Tem­pe­ra­tur des Mes­s­ob­jekts an­nimmt, hinkt die ge­mes­se­ne der zu mes­sen­den Tem­pe­ra­tur immer etwas hin­ter­her. Diese Ver­zugs­zeit, cha­rak­te­ri­siert durch eine Zeit­kon­stan­te, wird umso kür­zer, je ge­rin­ger die Wär­me­ka­pa­zi­tät des Auf­neh­mers und je bes­ser der ther­mi­sche Kon­takt zum Mes­s­ob­jekt ist.

Feh­ler 2. Art

Ist der Mess­auf­neh­mer nicht aus­schließ­lich mit dem Mes­s­ob­jekt im ther­mi­schen Kon­takt, kann die­ser eine vom Mes­s­ob­jekt ver­schie­de­ne Tem­pe­ra­tur an­neh­men. Zum Bei­spiel spielt bei Hochtem­pe­ra­turan­wen­dun­gen die Wär­me­über­tra­gung durch Strah­lung eine wich­ti­ge Rolle. Bei der Er­mitt­lung der Heiß­ga­stem­pe­ra­tur in einer Brenn­kam­mer kann es dabei vor­kom­men, dass ein Mess­auf­neh­mer nicht nur im ther­mi­schen Kon­takt mit dem Gas ist, son­dern - über Strah­lung – auch mit den küh­le­ren Brenn­kam­mer­wän­den. Da­durch wird sys­te­ma­tisch eine zu ge­rin­ge Tem­pe­ra­tur ge­mes­sen. Dem kann z.B. durch die Ver­spie­ge­lung der Sonde oder durch An­brin­gung eines Strah­len­schut­zes ent­ge­gen­ge­wirkt wer­den.

Die Sen­so­r­aus­wahl

In der in­dus­tri­el­len Pra­xis trifft man vor allem auf drei Typen von Sen­so­ren zur elek­tri­schen Tem­pe­ra­tur­mes­sung: Wi­der­standsther­mo­me­ter, Ther­mis­to­ren und Ther­mo­ele­men­te. Alle wei­sen in­di­vi­du­el­le Vor- und Nach­tei­le auf und ei­ge­nen sich daher für ver­schie­de­ne Ein­satz­zwe­cke.

Wi­der­standsther­mo­me­ter/Re­si­stan­ce Tem­pe­ra­ture De­tec­tor - RTD

Die­ser Sen­sor­typ nutzt aus, dass der Wi­der­stand me­tal­li­scher Lei­ter tem­pe­ra­tu­r­ab­hän­gig ist. Die Tem­pe­ra­tur­mes­sung wird somit auf eine Wi­der­stands­mes­sung zu­rück­ge­führt. Ein Me­tall-Lei­ter, der für eine Re­fe­renz­tem­pe­ra­tur einen de­fi­nier­ten Wi­der­stand auf­weist dient hier­bei als Mess­auf­neh­mer. Weit ver­brei­tet ist hier­bei das so­ge­nann­te Pt-100 Wi­der­standsther­mo­me­ter, wel­ches einen Auf­neh­mer aus Pla­tin (chem. Pt) be­sitzt, der bei 0°C einen Wi­der­stand von 100 Ohm be­sitzt. Auf­grund der re­la­tiv ge­rin­gen Auf­neh­mer­wi­der­stän­de von RTDs, kön­nen die Wi­der­stän­de der Lei­tun­gen, mit denen der Mess­auf­neh­mer an das Mess­ge­rät an­ge­schlos­sen wird, einen si­gni­fi­kan­ten Ein­fluss auf den Mess­wert haben. Zur Kom­pen­sa­ti­on die­ses Ein­flus­ses, wird häu­fig an­statt der ein­fa­chen 2-Draht Mes­sung die etwas auf­wän­di­ge­re 3- oder 4-Draht Metho­de an­ge­wandt.

Vor­tei­le:

  • Lang­zeit­sta­bil
  • Recht großer Mess­be­reich
  • Re­la­tiv li­nea­res Tem­pe­ra­tur­ver­hal­ten
  • Re­la­tiv genau (ge­ra­de bei hohen Tem­pe­ra­tu­ren)
  • Ro­bust gegen elek­tro­ma­gne­ti­sche Stö­run­gen
  • Lange Le­bens­dau­er

Nach­tei­le:

  • Teuer
  • Lang­sa­me An­sprech­zei­ten/große Zeit­kon­stan­te
  • Re­la­tiv große Bau­form
  • Ge­rin­ger Auf­neh­mer­wi­der­stand wo­durch lange An­schluss­ka­bel das Mes­s­er­geb­nis ver­fäl­schen

Ty­pi­sche An­wen­dun­gen:

  • Prä­zi­se Mes­sun­gen bei hohen Tem­pe­ra­tu­ren (Pro­zess­über­wa­chung und -steue­rung)
  • Mes­sun­gen unter elek­tro­ma­gne­ti­schen Ein­flüs­sen (Ge­ne­ra­to­ren, Hoch­span­nungs­an­la­gen)

 

 

Ther­mis­to­ren NTC und PTC

·        Wie RTDs ba­siert die­ser Sen­sor­typ auf einer Wi­der­stands­mes­sung zur Tem­pe­ra­tur­be­stim­mung. Im Ge­gen­satz zu RTDs ba­sie­ren Ther­mis­to­ren je­doch auf Halblei­ter­me­tal­len. Es wird hier­bei un­ter­schie­den zwi­schen (1) Kalt­lei­tern bzw. PTC Ther­mis­to­ren (engl. Po­si­ti­ve Tem­pe­ra­ture Co­ef­fi­cient), deren Wi­der­stand mit der Tem­pe­ra­tur zu­nimmt und (2) Heiß­lei­tern bzw. NTC Ther­mis­to­ren (engl. Ne­ga­ti­ve Tem­pe­ra­ture Co­ef­fi­cient), deren Wi­der­stand mit der Tem­pe­ra­tur ab­nimmt. Auf­grund des hö­he­ren Wi­der­stan­des und des deut­lich grö­ße­ren Aus­s­teue­rungs­be­reichs, wer­den zur Tem­pe­ra­tur­mes­sung, haupt­säch­lich NTC Ther­mis­to­ren ein­ge­setzt. Eine Aus­nah­me stel­len Si­li­zi­um-ba­sier­te li­nea­re PTC Ther­mis­to­ren dar, die je­doch re­la­tiv neu und noch wenig ver­brei­tet sind.

Vor­tei­le:

  • Hohe Ge­nau­ig­keit
  • Kurze An­sprech­zei­ten/klei­ne Zeit­kon­stan­te
  • Hoher Auf­neh­mer­wi­der­stand was Ver­wen­dung län­ge­rer Kabel er­mög­licht
  • Schock- und vi­bra­ti­ons­re­sis­tent
  • Kos­ten­güns­tig

Nach­tei­le:

  • Nur für ge­rin­ge Tem­pe­ra­tu­ren mit klei­nem Tem­pe­ra­tur­be­reich
  • Stark nicht-li­nea­res Tem­pe­ra­tur­ver­hal­ten

Ty­pi­sche An­wen­dun­gen:

  • Kos­ten­güns­ti­ge und prä­zi­se Tem­pe­ra­tur­mes­sung bei ge­rin­gen Tem­pe­ra­tu­ren (<130°C)
  • Große Stück­zah­len mög­lich bei ge­rin­gem Platz­be­darf (Haus­halts­ge­rä­te, Me­di­zin­tech­nik, Au­to­ma­ti­sie­rungs­tech­nik)

 

Ther­mo­ele­men­te

Die­ser Sen­sor­typ be­steht aus zwei me­tal­li­schen Lei­tern un­ter­schied­li­chen Ma­te­ri­als, die an der Mes­stel­le mit­ein­an­der ver­bun­den sind. An einer Ver­gleichs­stel­le kann dann eine Span­nung zwi­schen bei­den Lei­tern ge­mes­sen wer­den, die pro­por­tio­nal zur Tem­pe­ra­tur­dif­fe­renz zwi­schen der Mess- und der Ver­gleichs­stel­le ist. Unter Kennt­nis der Ver­gleichs­stel­len­tem­pe­ra­tur kann aus die­ser Dif­fe­renz­tem­pe­ra­tur die an der Mess­stel­le herr­schen­de ab­so­lu­te Tem­pe­ra­tur be­stimmt wer­den. Die hier­für er­for­der­li­che Ver­gleichs­stel­len­tem­pe­ra­tur wird meist mit Hilfe eines RTDs mit­ge­mes­sen. Je nach Ma­te­ri­al­paa­rung er­ge­ben sich un­ter­schied­li­che Emp­find­lich­kei­ten und Mess­be­rei­che der je­wei­li­gen Ther­mo­ele­men­te. Die wich­tigs­ten Paa­run­gen sind nach DIN EN 60584-1 nor­miert und wer­den je­weils mit einem Groß­buch­sta­ben ge­kenn­zeich­net, z.B. „K“ für Chro­mel (NiCr) und Ni­ckel (Ni) oder „J“ für Eisen (Fe) und Kup­fer­ni­ckel (CuNi). Zur ein­fa­chen Er­ken­nung des Ther­mo­ele­ment-Typs exis­tie­ren zudem ver­schie­de­ne Farb­co­des der An­schluss­ka­bel.

Vor­tei­le:

  • De­cken einen großen Tem­pe­ra­tur­be­reich ab
  • Ge­eig­net für sehr hohe Tem­pe­ra­tu­ren
  • Kurze An­sprech­zei­ten/klei­ne Zeit­kon­stan­te
  • Ro­bust und vi­bra­ti­ons­re­sis­tent
  • Kos­ten­güns­tig

Nach­tei­le:

  • Re­la­tiv un­ge­nau
  • Si­gnal­qua­li­tät nimmt mit der Zeit ab
  • Auf­grund klei­ner Mess­si­gna­le stö­rungs­an­fäl­lig gegen elek­tro­ma­gne­ti­sche Stö­run­gen
  • Kom­ple­xe Si­gnal­auf­be­rei­tung er­for­der­lich
  • Kalt­stel­len­kom­pen­sa­ti­on not­wen­dig

Ty­pi­sche An­wen­dun­gen:

  • Mes­sung von sehr großen Tem­pe­ra­tur­be­rei­chen bei hohen Tem­pe­ra­tu­ren
  • Funk­tio­nal auch unter rauen Be­din­gun­gen (Härte-, Brenn- und Glühö­fen, Pro­zess­über­wa­chung)

Mess­sys­tem mit in­te­grier­ter Tem­pe­ra­tur­mess­kar­te

Wel­che Wahl Sie auch tref­fen - eine Lö­sung für alle fälle

Die IfTA Tem­pe­ra­tur­mess­kar­te TI4 bie­tet ein rund­um-sorg­los-Paket zur Tem­pe­ra­tur­mes­sung: Sie be­sitzt 4 gal­va­nisch ge­trenn­te Ein­gän­ge, an die je­weils fle­xi­bel RTDs, Ther­mis­to­ren oder alle gän­gi­gen Ther­mo­ele­men­te an­ge­schlos­sen wer­den kön­nen. Dabei un­ter­stützt sie alle üb­li­chen Mess­prin­zi­pi­en, von der 2- ,3- und 4-Draht­mes­sung für RTDs über hoch­ge­naue Kalt­stel­len­kom­pen­sa­ti­on mit Hilfe von Pt-100 Wi­der­standsther­mo­me­tern und dif­fe­ren­ti­el­ler Mess­mög­lich­keit für Ther­mo­ele­men­te bis hin zur prä­zi­sen Ver­ar­bei­tung der nicht-li­nea­ren Ther­mis­tor­da­ten. Alle Mess­ein­stel­lun­gen kön­nen be­quem in un­se­rer be­kann­ten gra­fi­schen Be­nut­ze­ro­ber­flä­che vor­ge­nom­men wer­den und las­sen sich zur spä­te­ren Ver­wen­dung oder zum Aus­tausch mit Kol­le­gen in Kon­fi­gu­ra­ti­ons­da­tei­en ab­spei­chern.

Emp­foh­le­ne Pro­duk­te

Tem­pe­ra­tur­mess­kar­te

Ein­gangs­­kar­te zur Tem­­pe­ra­tur­­mes­­sung mit­­tels Ther­­mo­e­le­­men­ten oder Wi­­der­­standsther­­mo­­me­ter.

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