Berührende Temperaturmessung

Autor: Hans-Jürgen Schwarz

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Abstract

Im Unterschied zu der nicht berührenden Temperaturmessung (IR-Thermometer) muss hier zur Temperaturmessung der Sensor mit dem zu messenden Objekt in Berührung gebracht werden. Da zur Temperaturmessung der Sensor mit dem Messobjekt im thermischen Gleichgewicht stehen muss, wird er sich diesem entweder durch Energieabgabe oder –aufnahme annähern. Aus diesem Grund sollte der Sensor eine möglichst kleine thermische Masse aufweisen. Er benötigt zur Einstellung dieses Gleichgewichtes auch eine gewisse Zeit [Bernhard:2003]Titel: Technische Temperaturmessung. Physikalische und messtechnische Grundlagen, Sensoren und Messverfahren, Messfehler und Kalibrierung
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Für Messobjekte, die eine Berührung gestatten, eigen sich, neben anderen Messmethoden, besonders Thermoelemente und Widerstandsthermometer. Sie finden in großer Stückzahl Anwendung. Genauigkeit, Ansprechverhalten, Temperaturbereich und chemische Eigenschaften sind die Kriterien zur Auswahl eines Sensors.

Flüssigkeitsthermometer

Flüssigkeitsthermometer findet man heutzutage kaum noch im Gebrauch. Ihre Funktion beruht auf der Volumenänderung der Thermometerflüssigkeit. Diese steigt bei Erwärmung vom Ausdehnungsgefäß in eine Kapillare auf, die vor einer Messskala befestigt ist. Je enger die Kapillare ist, desto weiter wird die Anzeige gespreizt und umso größer ist die Ablesegenauigkeit. Dadurch sind Messgenauigkeiten von 1/10 Grad bei Präzisionsthermometern kein Problem.

Als Thermometerflüssigkeiten finden bzw. fanden je nach Anwendungsbereich folgende Stoffe Verwendung:

Tabelle 1: Zur Temperaturmessung eingesetzte Flüssigkeiten

Flüssigkeit	Erstarrungs-Temperatur	Siedetemp. in oC bei 1013 hPa
Alkohol	-114,50	+78,50
Anilin	-20,00	+184,00
Kreosol	-20,00	+220,00
Pentan	-200,00	+36,00
Petroleum gefärbt		zwischen +150,00 und +250,00
Petroläther	-100,00	zwischen +40,00 und +60,00
Quecksilber	-38,87	+356,70
Thermoliquid	-50,00	+150,00

Im Hausgebrauch sind selten noch Weingeist- oder Quecksilberthermometer zu finden, wobei Quecksilber sich in der Ausdehnung linearer verhält, aber wegen seiner Giftigkeit und Entsorgungsproblematik mehr und mehr aus dem Verkehr gezogen wird. Alkohol (Ethanol) ist wegen seines niedrigen Erstarrungspunktes für Außenthermometer besonders gut geeignet. Auch fällt das Ablesen eines Alkoholthermometers durch seine blaue oder rote Einfärbung leichter, während der Faden beim Quecksilberthermometer nur schwach silbern glänzt und dadurch etwas schwerer erkennbar ist.

Widerstandsthermometer

Widerstandsthermometer nutzen die Tatsache, dass der elektrische Widerstand eines elektrischen Leiters mit der Temperatur variiert. Es wird zwischen Kalt- und Heißleitern unterschieden. Während bei den erstgenannten der Widerstand mit wachsender Temperatur ansteigt, nimmt er bei den Heißleitern ab.

Bei Widerstandsthermometer wird die Eigenschaft von elektrischen Leitern genutzt, dass ihr elektrischer Widerstand sich mit der Temperatur verändert.

Zu den Kaltleitern zählen die metallischen Leiter. Als Metalle kommen dabei vorwiegend Platin (Pt), Nickel (Ni), Iridium (Ir), nicht dotiertes Silizium oder Nickeleisen (NiFe) zum Einsatz. Die weiteste Verbreitung hat das Platin-Widerstandsthermometer gefunden. Die Vorteile liegen unter anderem in der chemischen Unempfindlichkeit dieses Metalles, was die Gefahr von Verunreinigungen durch Oxidation und anderen chemischen Elemente vermindert.

Grundprinzip: Das Kristallgitter der Metalle besteht aus positiven Atomrümpfen, die ihre äußersten Elektronen abgegeben haben. Diese bewegen sich als sogenanntes Elektronengas frei in den Gitterzwischenräumen und befinden sich in ungeordneter Wärmebewegung. Beim Anlegen einer Spannung erfährt ihre Bewegung eine Vorzugsrichtung. Diese gerichtete Bewegung wird durch die ungeordnete Wärmebewegung (Schwingungen der Gitteratome) gestört, und zwar um so mehr, je höher die Temperatur wird. Metalle besitzen einen positiven Temperaturkoeffizienten, d h. der Widerstand nimmt mit zunehmender Temperatur zu.

Platin-Temperaturfühler : Bei den Platin-Temperaturfühlern wird der Widerstand R₀ bei T₀ = 0 °C definiert. Üblich ist hier ein Wert von 100 (Pt100). Weniger gebräuchlich sind Werte von 200 (Pt200), 500 (Pt500) und 1000 (Pt1000). Der Einsatzbereich des Pt100 liegt im Bereich von -200 . . . +850°C.

Heißleiter sind Sensoren aus bestimmten Metalloxiden, deren Widerstand mit wachsender Temperatur abnimmt. Bei sehr tiefen Temperaturen sind keine freien Ladungsträger vorhanden. Die Elektronen sind an die Atome gebunden, diese sitzen fest im Kristallgitter. Die Bindung ist nicht sehr stark, so dass die geringe Energiezufuhr beim Erwärmen genügt, um Ladungsträger zu befreien. Der Stoff wird mit zunehmender Temperatur leitfähiger, weil die Anzahl der freien Ladungsträger steigt, und zeigt schließlich dann metallisches Verhalten.

Man spricht von Heißleitern oder Thermistoren, da sie erst bei höheren Temperaturen eine gute elektrische Leitfähigkeit besitzen. Da die Temperatur/ Widerstandskennlinie fällt, spricht man auch von einem NTC (Negativ Temperature Coefficient)-Widerstand.

Wegen der Natur der zugrunde liegenden Prozesse nimmt die Zahl der Leitungselektronen mit wachsender Temperatur exponentiell zu, so dass die Kennlinie durch einen stark ansteigenden Verlauf charakterisiert ist.

Diese starke Nichtlinearität ist ein großes Manko der NTC-Widerstände und schränkt die zu erfassenden Temperaturbereiche ein. Ihr Aufgabengebiet liegt in einfachen Überwachungs- und Anzeigeapplikationen, bei denen Temperaturen bis 200ºC auftreten und Genauigkeiten von einigen Kelvin ausreichend sind. In derartig einfachen Anwendungsfällen sind sie allerdings wegen ihres niedrigen Preises und durch die vergleichsweise einfache Folgeelektronik den teuren Thermoelementen und Metallwiderstandsthermometern überlegen. Auch lassen sich sehr kleine Ausführungsformen mit kurzen Ansprechzeiten und geringen thermischen Massen realisieren.

Vom Material her handelt es sich um gesinterte sperrschichtfreie Halbleiter, meist um Mischungen von Metalloxiden (Ni-Co-Mn gemischt mit Li) oder um Eisenoxide mit Spinellstruktur. Verwendungsbereich von -100 - +300 ºC.

Thermoelemente

Thermoelementen liegt der Effekt zugrunde, dass sich an der Verbindungsstelle zweier unterschiedlicher Metalle eine mit der Temperatur zunehmende Spannung ausbildet.[Nau:2007]Titel: Elektrische Temperaturmessung mit Thermoelementen und Widerstandsthermometern
Autor / Verfasser: Nau, Matthias
Sie haben gegenüber den Widerstandsthermometern den eindeutigen Vorteil einer höheren Temperaturobergrenze von bis zu mehreren Tausend Grad Celsius. Ihre Langzeitstabilität ist demgegenüber schlechter, die Messgenauigkeit etwas geringer (im Mittel ±0.75% im Messbereich).

Das Thermoelement ist ein aktiver Sensor - er arbeitet ohne Hilfsenergie-, der keine Absoluttemperatur, sondern eine Temperaturdifferenz erfasst.

Grundprinzip: Dadurch, dass sich die Elektronen eines Gitters in ständiger Wärmebewegung befinden, können einige die Oberfläche verlassen. Dabei muss gegen die Bindungskräfte eine Austrittsarbeit (Ablösearbeit) verrichtet werden. Sie muss durch die thermische Energie aufgebracht werden. Berühren sich nun verschiedene Metalle oder Metallegierungen, so gehen Elektronen aus dem Metall niedrigerer Austrittsarbeit in das Metall höherer Austrittsarbeit über. Das erste lädt sich positiv gegenüber dem zweiten Metall auf und es entsteht eine Berührungsspannung (nach seinem Entdecker auch Seebeckeffekt genannt). Haben die Berührungsstellen eine unterschiedliche Temperatur, so fließt ein Strom, der abhängig von den Widerständen im Stromkreis und der Differenz der Berührungsspannungen, der sogenannten Thermospannung, ist.

Durch die Kombination verschiedener Metalle oder Metallegierungen erhält man eine Reihe von Sensoren mit einem sehr hohen Temperaturbereich. Für Thermoelemente existiert die IEC-Norm 584 für die wichtigsten technisch eingesetzten Thermopaare (am verbreitetsten ist der Typ K):

Tabelle 2: Verschiedene Typen von Thermoelement-Paaren

Typ	Metall 1 Pluspol	Metall 2 Minuspol	Temp. Koeff. Mittelwert	Arbeitsbereich
T	Cu	Cu-Ni	42.8 mV/°C	-200 . . .  +600 °C
J	Fe	Cu-Ni	51.7 mV/°C	-200 . . .  +900 °C
E	Cr-Ni	Cu-Ni	60.9 mV/°C	-200 . . . +1000 °C
K	Cr-Ni	Ni	40.5 mV/°C	-200 . . . +1300 °C
S	Pt	Pt-10%Rh	6.4 mV/°C	0  . . . +1500 °C
R	Pt	Pt-13%Rh	6.4 mV/°C	0 . . .  +1600 °C
B	Pt-6%Rh	Pt-30%Rh		0 . . .  +1800 °C
G	Tu	Tu-26%Re		0 . . .  +2800 °C
C	Tu-5%Re	Tu-26%Re	15.0 mV/°C	0 . . .  +2800 °C

Bei der Thermoelementmessung handelt es sich im Grunde genommen um eine Differenztemperaturmessung zwischen einer Meßstelle Tm und einer Vergleichsstelle Tv. Soll die absolute Temperatur an einer Meßstelle bestimmt werden, dann wird:

1. Die Temperatur an der Vergleichsstelle konstant gehalten. In der Auswerteelektronik muss dann eine entsprechende Spannung subtrahiert werden. Außerdem ist für die Vergleichsstelle eine Temperaturregelung notwendig.

2. Die Temperatur an der Vergleichsstelle wird durch einen zweiten Temperatursensor gemessen. In der Auswerteelektronik muss sie dann nur in der entsprechenden Größe subtrahiert werden.

Bimetallthermometer

Dem Funktionsprinzip des Bimetallthermometers liegt das unterschiedliche Temperaturausdehnungsverhalten von zwei Metallen zu Grunde, die miteinander verlötet sind. Bei Temperaturzunahme kommt es zu einer Durchbiegung des Bimetallstreifens, die proportional zur Temperaturerhöhung ist. Nach Eichung und Umsetzung der Biegung in einen Zeigerausschlag ist eine Temperaturmessung möglich.

Wird die Längenänderung des Bimetallstreifens mittels eines Hebelmechanismus auf eine Schreibvorrichtung übertragen, so spricht man von einem Thermographen.

Die Vorteile der Bimetallthermometer gegenüber den Flüssigkeitsthermometern liegen darin, dass sie unempfindlich gegenüber Stoß und Erschütterungen, sowie nahezu unzerbrechlich sind. Mit einer entsprechend großen Skala sind sie auch aus der Ferne gut ablesbar. Für Präzisionsmessungen sind sie aber nicht geeignet.

Quarz-Thermometer

Besonders präzise Messungen sind mit dem Quarzthermometer möglich, dessen Schwingquarz so hergestellt ist, dass er z.B. bei 0°C mit f = 28.2 MHz schwingt, wobei f mit 1kHz/K temperaturabhängig ist. Man vergleicht nun f mit der Schwingfrequenz eines Referenzkristalls, die durch ein anderes Herstellungsverfahren praktisch unabhängig von der Temperatur ist. Die Differenzfrequenz wird mittels eines elektronischen Zählers gemessen. Das Quarzkristallthermometer arbeitet sehr genau, seine Messfehler übersteigen 0.04K nicht. Temperaturdifferenzen lassen sich noch genauer ermitteln, da die Auflösung um so besser ist, je größer man die Zählzeit wählt. Bei 10 Sekunden Zählzeit beträgt die Auflösung 0,0001K.

Literatur

[Bernhard:2003]	Bernhard, Frank (Hrsg.) (2003): Technische Temperaturmessung. Physikalische und messtechnische Grundlagen, Sensoren und Messverfahren, Messfehler und Kalibrierung, Springer, Berlin
[Nau:2007]	Nau, Matthias (2007): Elektrische Temperaturmessung mit Thermoelementen und Widerstandsthermometern, JUMO

Das Ansprechverhalten eines Fühlers gibt die Zeit an, die ein Fühler braucht, um die Messgröße richtig anzuzeigen. Es lässt sich durch zwei Zeiten der Übergangsfunktion, das sind die Halbwertszeit t₀₅ und die Neunzehntelzeit t₀₉, charakterisieren. T₀₅ gibt an, in welchem Zeitraum der Messwert 50% des Endwertes erreicht und t₀₉ gibt an, wann 90% des Endwertes erreicht sind.

Die Eichung ist eine behördliche Überprüfung der Messgenauigkeit eines Messgerätes. Sie wird vom Eichamt durchgeführt.