Leitfaden zur Auswahl von Temperaturfühlern
Temperaturfühler - Übersicht
Es gibt zwei Temperaturfühlverfahren:
- mit Kontakt
- kontaktlos
Beim Kontakt-Erfassungsverfahren ist der Temperaturfühler in direktem physischen Kontakt mit der Substanz oder dem Objekt. Das Verfahren kann für Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase eingesetzt werden. Kontaktlose (Infrarot-) Temperaturerfassung erfolgt durch das Abfangen eines Teils der von einer Substanz oder von einem Objekt abstrahlenden Infrarotenergie und Ermittlung der Intensität. Kontaktlose Temperaturerfassung kommt bei Flüssigkeiten und Feststoffen zum Einsatz. Bei Gasen ist, auf Grund der transparenten Natur der Gase, ein Einsatz nicht möglich.
Kontakt-Temperaturfühlerarten und deren Vergleich
Abgesehen von Kapillarthermometern und Bi-Metall-Sensoren, nutzen Kontaktfühler wechselnde Spannungssignale oder Widerstandswerte.
Spannungssignale
Thermoelementsensoren erzeugen wechselnde Spannungssignale. Die unterschiedlichen Metalle und Legierungen in den Adern des Thermoelementes erzeugen eine voraussagbare Spannung für eine gegebene Temperatur.
Widerstandswerte
Widerstandsthermometer (RTDs) erzeugen wechselnde Widerstandswerte. Die RTD-Klasse gliedert sich in zwei Gruppen auf:
- Widerstandsdraht-RTDs
- Thermistoren (wärmeempfindliche Transistoren)
Widerstandsthermometer funktionieren durch die Erzeugung eines voraussagbaren Widerstandes bei einer gegebenen Temperatur. Widerstandsdraht-RTDs (im Allgemeinen Platin) haben einen positiven Koeffizienten durch den mit ansteigender Temperatur ebenfalls steigenden Widerstand. Thermistoren haben im Allgemeinen einen negativen Koeffizienten, indem sie den Widerstand mit steigender Temperatur senken. Jeder dieser drei Kontakt-Fühlerarten (Widerstandsthermometer, Thermoelemente und Thermistoren) haben, je nach Anwendungsbereich, gewünschter Ansprechzeit und Genauigkeit, ihre Vor- und Nachteile. Eine Aufstellung der allgemeinen Vorteile kann bei der Auswahl der geeignetsten Kontakt-Fühlerart helfen.
Vorteile der Thermoelemente
- Bei extrem hohen Temperaturen einsetzbar: Edelmetall-Thermoelemente können bei Temperaturen von bis zu 1700°C arbeiten.
- Unempfindlichkeit: Die Einfachheit der Thermoelemente macht sie unempfindlich gegenüber Stoß- und Vibrationsbelastungen.
- Kleine Größe / schnelle Ansprechrate: Thermoelemente mit offenen oder geerdeten Anschlüssen sprechen auf Temperaturveränderungen nahezu sofort an.
Vorteile der Widerstandsfühler
- Großer Temperaturbereich: Watlow Platinfühler decken Temperaturbereiche von –200°C bis +650°C (-328 bis 1200°F) ab.
- Wiederholbarkeit und Beständigkeit: Das Platin-Widerstandsthermometer ist das primäre Interpolationsinstrument des National Bureau of Standards (US-Pendant zum Deutschen Institut für Normung DIN) für Bereiche von –260°C bis 630°C (-436 bis 1135°F). Präzisions-Widerstandsthermometer können mit einer Beständigkeit von 0,0025°C pro Jahr hergestellt werden. Industrielle Modelle weichen pro Jahr weniger als 0,1°C ab.
- Hohe Ausgabeleistung: Der Stromabfall innerhalb des Widerstandsthermometers sorgt für ein stärkeres Signal als der Spannungsausgang eines Thermoelementes.
- Linearität: Widerstandsthermometer mit Platin- oder Kupferelementen folgen einer geradlinigeren Kurve als Thermoelemente oder die meisten Thermistoren.
- Kosten für die Systemverdrahtung: Im Gegensatz zu einem Thermoelement wird bei einem Widerstandsthermometer gewöhnlicher Kupferdraht verwendet und man benötigt keine Kompensation der Kaltverbindungsstelle.
- Bereichserfassung: Die oftmals wünschenswerten Punktmessungen können zu Fehlern führen. Ein Widerstandsthermometer kann hingegen über einen großen Bereich verteilt werden, wobei die Überwachung/Regelung durch eine Mittelwertsbestimmung für den Bereich verbessert wird. Dies ist mit Thermoelementen nicht möglich.
Vorteile der Thermistoren
Aufgrund der großen Unterschiede in punkto Leistungsvermögen und Kosten, können die allgemeingültigen Vor- und Nachteile der Thermistoren nicht immer zutreffend sein. Zu den allgemeingültigen Vorteilen zählen:
- Niedrige Sensorkosten: Die meisten Thermistoren kosten in ihrer Grundform wesentlich weniger als ein Widerstandsthermometer. In einer Schutzummantelung eingefasst, wird der Preisunterschied jedoch kleiner
- Hoher Widerstand: Der Grundwiderstand kann mehrere tausend Ohm betragen. Dies sorgt für eine größere Signaländerung im Vergleich zu den Widerstandsdraht-RTDs mit dem gleichem Messstrom, da Widerstandsprobleme im Verbindungskabel vernachlässigt werden können.
- Austauschbarkeit: Viele der neueren Thermistoren sind auf begrenzte Temperaturbereiche mit sehr engen Toleranzbereichen eingestellt.
- Punkterfassung: Die Messstellen der Themistoren können bei der Punktmessung die Größe eines Stecknadelkopfes haben.
Fazit zu den Kontakt-Temperaturfühlern
- Thermoelemente eignen sich bestens bei hohen Temperaturen, extremen Umgebungsbedingungen oder bei Anwendungen, die einen mikroskopisch kleinen Sensor erfordern
- Widerstandsthermometer eignen sich bestens für industrielle Messungen innerhalb großer Temperaturbereiche, besonders dann, wenn die Fühlerbeständigkeit entscheidend für eine ordnungsgemäße Regelung ist.
- Thermistoren eignen sich bestens für preiswerte Anwendungen mit eingeschränkten Temperaturbereichen
Kontaktlose Temperaturfühler
Ein kontaktloser (Infrarot-) Fühler fängt einen Teil der abgestrahlten Infrarotwärme ab und wandelt diese in ein Spannungssignal um. Zu den charakteristischen Konstruktionsmerkmalen eines kontaktlosen Fühlers gehört eine Linse, welche die Infrarotenergie auf einer Thermosäule bündelt. Das durch die Thermosäule erzeugte Spannungssignal wird zur Verstärkung und Konditionierung in eine elektronische Baugruppe gesendet, bevor es entweder als Spannungs- oder Stromstärkesignal zurückgeschickt wird. Kontaktlose Temperaturfühler reagieren und registrieren schneller als Kontakt-Temperaturfühler.
Vorteile der kontaktlosen Temperaturfühler
Gründe für die Verwendung kontaktloser Temperaturfühler an Stelle von Kontakt-Temperaturfühlern:
- Wenn der physische Kontakt mit dem Objekt oder der Substanz zu Verschmutzungen oder Beschädigungen führen kann
- Wenn sich das Objekt bewegt oder der Prozess in Bewegung ist
- Wenn ein Prozess eine schnellere Ansprechrate als bei einem Kontakt-Temperaturfühler erfordert
- Kann über ein Fenster von einer schmutzigen oder explosiven Umgebung abgeschirmt werden
Vergleich zwischen kontaktlosen Temperaturfühlern und Kontakt-Temperaturfühlern
Kontakt-Temperaturfühler
Vorteile
- Relativ robust
- Wirtschaftlich
- Großer Anwendungsbereich
- Relativ genau
- Einfach anzuwenden
Nachteile
- Braucht physischen Kontakt, kann beschädigt oder verschmutzt werden
- Kann Abnutzungen an rotierenden Bauteilen (Gleitringe) verursachen
- Langsames Ansprechen im Vergleich zur kontaktlosen Temperaturerfassung
- Wirkt wie ein Kühlkörper, verändert die Messdaten an kleinen Objekten
Kontaktlose Temperaturfühler
Vorteile
- Relativ robust
- Befestigungsstelle ist abseits der Wärmequelle
- Ideal zum Messen von sich bewegenden Objekten
- Beeinträchtigt nicht den Prozess
- Schnelleres Ansprechen (Millisekunden im Vergleich zu Sekunden beim Kontaktmessverfahren)
- Kann die Temperatur unförmiger Objekte messen
- Wirkt nicht wie ein Kühlkörper
- Wirkt nicht wie ein Kühlkörper
Nachteile
- Misst keine Temperaturen von Gasen
- Hat ein veränderliches Emissionsvermögen
- Eingeschränkter Erfassungsbereich (Messpunktgröße)
- Einschränkungen bezüglich der Umgebungstemperatur
- Umgebungsbedingungen (Staub, Rauch, usw.) wirken sich auf die angezeigte Temperatur aus