Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 1
Elektrische Temperaturmessungmit Thermoelementen
mit Anmerkungen zur CQI-9
Hartmut Steck-WinterAICHELIN Service GmbH Ludwigsburg
AWT Härtereikreis mittlerer Neckar
Anstelle einer Gliederung
Haben Sie sich auch schon einmal eine der folgenden Fragen gestellt?1. Wie funktioniert ein Thermoelement? 2. Was benötige ich für eine elektrische Temperaturmessung
mit Thermoelement?3. Wie genau kann ich mit einem Thermoelement messen?4. Was steht zu diesem Thema in der CQI-9, insbesondere wie
lassen sich diese Forderungen begründen?
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 2
Umfrage
Frage: Kann ich mit einem Thermoelement und einem Milivoltmeter eine unbekannte Raumtemperatur messen? D.h. das Milivoltmeter müsste eine Spannung anzeigen, der ich anhand
einer Tabelle die Temperatur zuordnen kann!
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 3
Ja, Nein oder ?
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 4
Thermoelektrischer Effekt
Wie funktioniert ein Thermoelement?
Leiter A
Leiter B
Thermoelektrischer Effekt
Thomas Seebeck entdeckte 1812, wenn zwei metallische Leiter (A und B) aus unterschiedlichen Materialien an der Messstelle in Verbindung (Kontakt) stehen und entlang der beiden Leiter ein Temperaturunterschied vorliegt entsteht am anderen Ende eine Thermospannung (mV)
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 5
Messstelle
T2 T1mV T2 < > T1
Thermoelektrischer Effekt (2)
In den Worten der Physik:Wird ein metallischer Leiter einer Temperaturdifferenz ausgesetzt, dann findet am kalten Ende eine
Elektronenanreicherung und am warmen Ende eine -verarmung statt
dabei entsteht eine Potentialdifferenz, die Thermospannung Benötigt werden zwei verschiedene Leiter (A und B), da sich die Effekte
sonst gegenseitig aufheben
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 6
+
-
Leiter A
Leiter B
Thermoelektrische Spannungsreihegegen Platin als Referenzmetall bei T1=100°C und T2=0°C
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 7
mV Material2,55 Nickel-Chrom (85Ni, 10 Cr)
1,90 Eisen (Fe)
0,65 Rhodium
0,64 Platin (10%) -Rhodium
0,00 Platin-1,55 Nickel
-3,50 Konstantan (55Cu, 45Ni)
4,1 mV
T1=100°C
T2=0°C
+
-
Zusammen mit dem Temperaturunterschied (z.B. 100 K) bestimmt die Materialzusammensetzung der beiden Leiter den Potentialunterschied (Spannung)
2,55 mV
Der Einfluss der Materialzusammensetzung (Paarung):
Versuchsaufbau
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 8
Versuchsaufbau:zwei Drähte aus unterschiedlichem Materialan der einen Seite verdrillt (T1)an Digitalvoltmeter angeschlossen (T2)
Drahtpaar an der Spitze (T1) erwärmt Jetzt Temperaturdifferenz (T1>T2)Eine Spannung wird angezeigtT2 nennen wir Vergleichsstelle
T1
T2 T1
T2
Ohne Temperaturdifferenz (T1 = T2) keine SpannungRaumtemperatur nicht messbar
Erkenntnisse thermoelektrischer Effekt
Thermoelemente liefern (ohne Hilfsenergie) eine temperaturabhängige Gleichspannung aber nur, wenn sich das Thermoelement und die Anschluss-
klemmen auf einem unterschiedlichen Temperaturniveau befinden Die Größe der Thermospannung ist abhängig
von der Temperaturdifferenz zwischen dem Messpunkt und der Vergleichsstelle und
der Materialzusammensetzung der Leiter Sind die Temperatur an den Klemmen (Vergleichsstelle)
und die Materialzusammensetzung bekannt, kann die Temperatur an der Messstelle berechnet werden
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 9
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 10
Die vier Bestandteile der elektrischen Temperaturmessung mit Thermoelement
Was benötige ich für dieelektrische Temperaturmessung mit einem Thermoelement?
mV
Die Bestandteile der Temperaturmessung
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 11
I. Thermoelement
II. Vergleichsstelle
III. Ausgleichsleitung
IV. Instrument
T1 T2
I. Thermoelemente
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 12
Welche Ausführungen und Varianten gibt es?
Die vier Bestandteile der elektrischen Temperaturmessung mit TC
I. Thermoelemente
Bestandteile der Temperaturmessung – I. Thermoelemente
Bauformen
Thermoleitung: z.B. Thermoelement für Schleppmessungen
Achtung: Beim Ausbau von Thermoelementen aus dem Ofen besteht akute Verbrennungs- und Vergiftungsgefahr!
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 13
Thermoelement im Schutzrohr
Bild aus: http://www.mts.ch/pictures/ausgleich_08.gif
Bestandteile der Temperaturmessung – I. Thermoelemente
Genormte Materialpaarungen
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 14
Anwendungsflexibilitätz.B. Einsatztemperatur
Kos
ten
EdelmetalleTyp S, R, B
UnedelmetalleTyp E, J, K, N, T
Typ KNiCr-NiAl
- weiß/+ grünbis. ca. 1.000°CTyp J
Fe-CuNi- weiß/+ schwarz
bis. ca. 750°C
Typ NNiCrSi-NiSi- weiß/+ pink
bis. ca. 1.200°C
Typ RPt 13%Rh-Pt- weiß/+ orangebis. ca. 1.500°C
Genormte TC nach IEC 60 584-3
Sehr teuer (Platin) x Faktor 7-10
Bestandteile der Temperaturmessung – I. Thermoelemente
Kriterien der Anwendungsflexibilität
Kosten/Anforderungen -Relation: Einsatztemperatur Stabilität und Genauigkeit
Thermospannung Toleranzen
Beständigkeit Alterung, Drift (Langzeitstabilität) Siehe auch Schutzrohre
…
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 15
Bild: Würth Phoenix
Bestandteile der Temperaturmessung – I. Thermoelemente
Thermoelementtyp und Thermospannung
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 16
Diagramm aus Wikipedia
Materialpaarung und Temperatur bestimmen die Thermospannung Unedelmetalle höhere Spannung Pt-Paarungen kleinere Spannung
Thermospannung ist sehr gering (max. ca. 75 mV) Millivolt [mV] =1/1.000 V Störanfälligkeit: Thermospannung
sollte möglichst hoch sein Thermospannung ist nicht linear
Bestandteile der Temperaturmessung – I. Thermoelemente
Thermospannungs-Grundwerttabellen
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 17
Thermospannung ist nicht linear Kurvendiagramm ist zu ungenau
Genormte Grundwerttabellen Umrechnung, bezogen auf eine
Vergleichsstellentemperatur U(t) + U(VT) = UIsttemperatur
wobei: U(t): gemessene Thermospannung U(VT): Spannung Vergleichsstelle U: Spannung Isttemperatur
Beispielrechnung Thermoelement Typ K: Gemessen 2,230 mV Vergleichsstellentemperatur 22 °C 2,230 mV + 0,879 mV = 3,109 mV 3,109 mV = 76 °C NICHT 55 °C + 22 °C = 77 °C
Auszug aus Grundwerttabelle Typ Kbezogen auf 0 °C
Bestandteile der Temperaturmessung – I. Thermoelemente
Toleranzen (Grenzabweichungen)
Drei Toleranzklassen: Klasse 1, 2 und 3 Klasse 3 nur für Tieftemperatur Toleranz ist temperaturabhängig Es gilt der jeweils höchste Wert! Edelmetalle haben kleinere Toleranz
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 18
Tabelle Rössel Messtechnik GmbH [Klemm]
Diagramm Jumo [Nau]
Beispiel Typ K, Klasse 1:920°C x ±0,004 = ±3,8°C
Bestandteile der Temperaturmessung – I. Thermoelemente
Alterung und Drift
Thermoelemente altern (driften) Die Thermospannung sinkt ab Die geregelte Temperatur steigt Drift kann zu großen Messfehlern
führen Ursache ist z.B. Kontamination der
Thermoelemente Vorhersage der Drift ist praktisch
nicht möglich Nach 1-2 Jahren inklusive
Schutzrohr austauschen
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 19
http://www.newsmax.de/blutgefaee-und-alterungsprozess-news57134.html
II. Temperaturvergleichsstelle
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 20
Die Bezugstemperatur!
II. Bestandteile der Temperaturmessung
Denken Sie an unseren Versuch!Die messbare Thermospannung ist abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen dem Messpunkt und der Vergleichsstelle
Bestandteile der Temperaturmessung – II. Vergleichsstelle
Die Vergleichsstelle im Messkreis
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 21
VT1
Thermoelement
Anschlussleitung
U = U(t) + U(VT) wobei:U: Thermospannung der Isttemperatur (T1)U(t): gemessene ThermospannungU(VT): Thermospannung der Vergleichsstelle (T2)Hinweis: U kann nicht direkt gemessen werden!
U(t)
= U
- U
(VT)
T2?T1 < > T2
Bestandteile der Temperaturmessung – II. Vergleichsstelle
Optionen der Vergleichsstelle
Kompensationsmöglichkeiten der Vergleichsstellentemperatur:1.Bekannte konstante Temperatur an der Vergleichsstelle
Mit einem Vergleichsstellenthermostat, z.B. Eisbad die entsprechende Thermospannung wird fix zum Messwert addiert Heute unüblich
2. Messung der Temperatur an der Vergleichsstelle mit einem Widerstandsthermometer (temperaturabhängiger Widerstand) die entsprechende Thermospannung wird zum Messwert addiert
Plus zwei mögliche Orte: Extern (beim Thermoelement) Intern (im Instrument)
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 22
Bestandteile der Temperaturmessung – II. Vergleichsstelle
Externe Temperaturvergleichsstelle (1)
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 23
Mit dieser externen Temperaturvergleichsstelle wird die Klemmentemperatur im Thermoelementanschlusskopf mit einem Widerstandsthermometer (Pt 100) gemessen.
Pt 100
Werkbild Endress & Hauser
Bestandteile der Temperaturmessung – II. Vergleichsstelle
Externe Temperaturvergleichsstelle (2)
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 24
VT1 T2
Thermoelement 6 adrige Cu-Anschlussleitung
U(t)
ExterneVergleichsstelle
Messung der Klemmentemperatur im Thermoelementkopf mit einem Widerstandsthermometer
6 adrige Cu-Anschlusleitung aber keine Ausgleichsleitung erforderlich
Kompensation der Vergleichsstellentemperatur im Instrument
4
Bestandteile der Temperaturmessung – II. Vergleichsstelle
Interne Temperaturvergleichsstelle (1)
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 25
Messung der Klemmentemperatur mit einem Widerstands-thermometer im Instrument (z.B. Regler).
Das Thermoelement muss bis zum Instrument in einer Ausgleichsleitung „verlängert“ werden!
Werkbild Jumo
Interne Vergleichsstelle
Bestandteile der Temperaturmessung – II. Vergleichsstelle
Interne Temperaturvergleichsstelle (2)
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 26
VT1
Interne Vergleichsstelle im Instrument „Verlängerung“ des Thermoelements bis zum Instrument mit
einer speziellen Ausgleichsleitung Kompensation der Vergleichsstellentemperatur im Instrument
Thermoelement
Ausgleichsleitung mit identischen thermo-elektrischen Eigenschaften
U(t)
T2
InterneVergleichsstelle
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 27
Worauf muss man achten?
III. Temperaturausgleichsleitung
III. Bestandteile der Temperaturmessung
Bestandteile der Temperaturmessung – III. Ausgleichsleitung
Temperaturausgleichsleitung
Ausgleichsleitung verlängert das Thermoelement bis zur Temperaturvergleichsstelle
Ausgleichsleitung hat dieselben thermoelektrischen Eigenschaften wie das Thermoelement
Verlegung getrennt von anderen Leitungen (EMV)
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 28
Werkbild Gattenbauer Messtechnik
Bestandteile der Temperaturmessung – III. Ausgleichsleitung
Farbcode
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 29
Ausgleichsleitungen sind mit Farben gekennzeichnet
Es gibt verschiedene Farbkenn-zeichnungen: amerikanische, britische, französische, etc.
Wichtig für uns sind die Kenn-zeichnungen nach IEC 584 bzw. DIN 60 584 Pluspol in Farbe des Kabelmantels Minuspol ist immer weiß
Bestandteile der Temperaturmessung – III. Ausgleichsleitung
Toleranzen (Grenzabweichungen)
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 30
Ausgleichsleitungen „C“ (Compensating leads) z.B. KC. Nur in Klasse 2 lieferbar!
Thermoleitungen „X“ (eXtension leads) z.B. KX. In Klasse 1 & 2 lieferbarKein Standard, teuerNicht für Typ S, R, T
Werkbild: Electronic Sensor GmbH, Heilbronn
Bestandteile der Temperaturmessung – III. Ausgleichsleitung
Stückelung der Ausgleichsleitung
Stückelungen der Ausgleichsleitung Cu-Klemmen unbedenklich, solange
gleiche Temperatur? Korrosion (galvanisches Element)? Riesige Meßfehler bei Vertauschung In CQI-9 ist Stückelung verboten
(3.1.1.2) Thermoklemmen oder -stecker
Optimal keine Unterbrechungen Abschirmung (einseitig erden)
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 31
Bestandteile der Temperaturmessung – III. Ausgleichsleitung
Messfehler bei Verwechslung
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 32
Beispiel Thermoelement Typ S, Ausgleichsleitung Typ KMessfehler Verwechslung ca. > +200 °CMessfehler Verwechslung plus Vertauschung ca. > -300 °CGroße Fehler auch bei Verwechslung der Thermoelemente!
IV. Instrumentierung
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 33
Welche Ausführungen und Varianten gibt es?
IV. Bestandteile der Temperaturmessung
Bestandteile der Temperaturmessung – IV. Instrumentierung
Instrumentierung
Übliche Ausführungsmerkmale: Eingang konfigurierbar Interne Vergleichsstelle Messfehler < ±0,3 % ±1 Digit Fühlerbruchüberwachung Eingangswiderstand > 1 MΩ Galvanische TrennungÜbliche Probleme nach Ersatz: Fehlende Parameter Falsche Parameter
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 34
Kalibrierung
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 35
Wie genau kann ich messen?
Kalibrierung
Wie genau können wir messen?
Bauteil Grenzabweichung Bemerkung
Thermoelement Typ K, Klasse 1
+/- 3,6 °C 0,004 x 900 = 3,6
Ausgleichsleitung Typ KCA, Klasse 2
+/- 2,5 °C Klasse 1 nicht lieferbar
Temperaturregler, Digital Messfehler < +/- 0,3% vom Messwert
+/- 2,7 °C 0,003 x 900 = 2,7
Summe der GrenzabweichungenBei Anwendung CQI-9 max. zulässig
+/- 8,8 °C+/- 5,0 °C
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 36
Am Beispiel einer Ofentemperatur von 900 °C
Die maximal mögliche Toleranz wäre für die Praxis zu groß Wir müssen unsere Messmittel kalibrieren und ggf. selektieren
Kalibrierung
Kalibrierung, Justierung, Eichung
Kalibrierung Vorgabe eines Normwerts Dokumentation der Abweichungen Kein Eingriff im Gerät! Kalibrierzertifikat
Justierung (Offset) Korrektur des Istwerts (Eingriff) Nachvollziehbare Dokumentation
Eichung Amtliche Kalibrierung (Eichamt) Eichzeugnis
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 37
Kalibrierung
Thermoelementkalibrierung
Zwei Methoden:1. Kalibrierung an Fixpunkten
Prüfofen mit Metallschmelze an einem Fixpunkt, z.B. Erstarrungspunkt ZinkEinsatz nur in staatlichen Prüfstellen (PTB) und wenigen DKD Kalibrier-stellen
2. VergleichsmethodeDie Prüflinge werden in einen Prüfofen mit bekannter Temperatur eingebracht
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 38
KompensatorKalibriertes mV-Messgerätmit bekannter Vergleichsstellen-Temperatur
Prüfofen
Ausgleichsleitung
Bild aus: http://www.temperaturblog.de/lehrbuch/thermoelement.jpg
Prüfling (Thermoelement)
Kalibrierung
Instrumentenkalibrierung
Bei der Kalibrierung eines Instruments wird die Thermospannung simuliert. Dazu wird:1. die Thermospannung am Kalibrier-
punkt nach der Grundwertetabelle bestimmt
2. die Ausgangsgröße des Kalibrators auf diesen Wert eingestellt
3. dieses elektrische Signal an das Instrument angelegt
4. die Anzeige verglichen und die Abweichung bestimmt
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 40
Grundwertetabelle
Kalibrierung
Einzel- und Multipunktkalibrierung
Messgerät„Vergleichen“
Einzelpunkt„Kalibrierung“alle 3 Monate
US-Methode.In Europa strittig, bzw. nicht empfohlen!
Kalibrator„Kalibrieren“
MultipunktKalibrierung
alle 6 Monate
unterbrochen
Quelle [AIAG]
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 41
Besondere Anforderungen der CQI-9
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 42
Was steht zu diesem Thema in der CQI-9,insbesondere wie lassen sich diese Forderungen begründen?
Besondere Anforderungen der CQI-9
Kalibrierung von Thermoelementen
Alle Thermoelemente müssen kalibriert sein (3.1.2) Kalibrierung für den Temperaturbereich (3.1.2.1) Temperaturintervall max. 150 °C (3.1.2.1) Kalibriergenauigkeit besser als +/- 1,1 °C oder
+/- 0,4% (Tabelle 3.1.1) Begründung:
Toleranz ist temperaturabhängigThermospannung ist nicht linearGenormte Toleranz ist größer als in der
Praxis noch verträglich
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 43
Besondere Anforderungen der CQI-9
Chargenkalibrierung Thermoelemente
Chargenkalibrierung ist zulässig (3.1.2.5) Am besten gleich mit Kalibrierzertifikat kaufen! Begründung:
Thermospannung ist Material- bzw. Chargenabhängig
Innerhalb einer Charge gibt es keine größeren Abweichungen
Kalibrierzertifikate sind teuer (und können daher umgelegt werden)
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 44
Werkbild CCPI Europe Ltd
Besondere Anforderungen der CQI-9
Austauschfristen Thermoelemente
Austauschfristen (Tabelle 3.1.1) Austausch, z.B. Typ K jährlich, wenn T > 700 °C Austausch immer inklusive Schutzrohr! Dokumentation Einbaudatum (3.1.3) und alle Prüfungen
Begründung: Thermoelemente driften durch kontaminationsbedingte Alterung Kontamination auch vom Schutzrohrmaterial abhängig Drift ist im Wesentlichen temperatur- und zeitabhängig
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 45
Besondere Anforderungen der CQI-9
Instrumentenkalibrierung
Alle Instrumente müssen kalibriert werden (3.2.1.1) Kalibriergenauigkeit besser als +/- 2 °C, Auflösung < = 1 °C Die Karenzzeit für die Kalibrierintervalle beträgt nur 14 Tage (3.2.1.3) Kalibrierlabel anbringen, „TÜV-Label“ ist ungenügend (3.2.5.1)
Begründung: Vergleichsstelle ist in der Regel im Instrument! Parametrierung und Linearisierung im Instrument (Auch) Elektronik driftet und/oder kann vertrimmt werden
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 46
CQI-9 konformer Kalibriersticker
Besondere Anforderungen der CQI-9
Offsets
Offsetanpassung generell vermeiden (3.2.3) Offsets an Instrumenten sollen 2 °C nicht übersteigen (3.2.3.1)
Begründung Nachvollziehbarkeit muss sichergestellt sein Fehler sollen nicht eingerechnet, sondern beseitigt werden
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 47
Besondere Anforderungen der CQI-9
SAT: System Genauigkeitsprüfung (1)
SAT: Systemgenauigkeit vom Thermoelement bis Instrument Unabhängige Messmittel Vergleich, keine Kalibrierung 3 zugelassene Prüfmethoden
(Probe 2x, Comperative 1x) Methode A ist die Sinnvollste Thermoelemente Prüföffnung
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 48
Besondere Anforderungen der CQI-9
SAT: System Genauigkeitsprüfung (2)
Referenzmessung nach Sensor Methode A (3.3.4.1) SAT-Test im laufenden Betrieb bei Arbeitstemperatur (3.3.4) max. Differenz ±5°C (3.3.1) Prüfung ¼ jährlich (3.3.4.1.4) und nach Änderungen
Begründung: Toleranz ist temperaturabhängig SAT deckt alle Fehler im Messkreis auf SAT erkennt auch Verwechslungs- und Polaritätsfehler Toleranzen können sich addieren (größer als in der Praxis noch verträglich) Thermoelemente altern und driften Anschluss- und/oder Parametrierfehler nach Ersatz oder Änderung
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 49
Zusammenfassung
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 50
Zusammenfassung
Die Thermospannung ist abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen dem Messpunkt und der Vergleichsstelle und der Materialzusammensetzung der Leiter
Messkreis besteht aus: Thermoelement, Ausgleichsleitung, Vergleichsstelle, Instrument
Bei Toleranzen gilt der jeweils höchste Wert, Toleranzen addieren sich
Thermoelemente driften, daher regelmäßiger Austausch CQI-9 gibt sinnvolle Standards vor Man misst eigentlich immer falsch, man sollte aber ungefähr
wissen wie viel
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 51
Temperaturmessung mit Thermoelementen
Danke
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 52
Manuskriptwünsche bitte per Email an:[email protected]
Literatur
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 53
Literatur:Klemm, R.: Thermoelemente in der industriellen Praxis. Rössel-Messtechnik GmbH, Werne, 2009[Nau, M.: Elektrische Temperaturmessung mit Thermoelementen und Widerstands-thermometern, Jumo GmbH, Fulda 2007
Back Up
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 54
Temperaturskalen und ihre Fixpunkte
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 55
Skala Kelvin Grad Celsius Grad Fahrenheit
Erfinder William Thomson
(„Lord Kelvin“)
Anders Celsius Daniel Fahrenheit
Einheitenzeichen K °C °F Absoluter Nullpunkt
0,00 K -273,15 °C -459,67 °F
Winter in Danzigim Winter 1708/09
255,37 K -17,78 °C 0,00 °F
Gefrierpunkt Wasser
273,15 K 0,00 °C 32,00 °F
Körpertemperaturnach Fahrenheit
310,93 K 37,78 °C 100,00 °F
Siedepunkt Wasser 373,15 K 100,00 °C 212,00 °F Verbreitungsgebiet weltweit weltweit USA
Temperaturskalen und ihre Fixpunkte
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 56
Temperaturskalen
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 57
Industrielle Temperaturmessung
In der industriellen Temperaturmessung haben sich verschiedene Verfahren durchgesetzt. Mechanische Verfahren:
Bimetall- und Zeigerthermometer Flüssigkeitsthermometer Gasdruckthermometer
Elektrische Verfahren: Pyrometer, Wärmebildkamera Halbleiter, insbesondere Widerstandsthermometer (bis max. 600°C) Thermoelemente (bis ca. 1.700°C)
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 58
Verfahren der Temperaturmessung
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 59
Bild: Rössel Messtechnik GmbH [Klemm]
Thermoelektrischen Spannungsreihe gegen Platin als Referenzmetall bei 100°C an der Messstelle
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 60
Bild aus Wikipedia
Thermoelement-Messkreis mit Anzeigegerät
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 61
VT1 U(t)T2Erzeugter Kreisstrom ist nicht direkt messbar
U = U(t) + U(VT) wobei:U: Thermospannung der Isttemperatur (T1)U(t): gemessene ThermospannungU(VT): Thermospannung der Vergleichsstelle (T2)Hinweis: U kann nicht direkt gemessen werden!
+
-
Material A
Material B
Cu
Cu
Umkehrung: Der Peltier Effekt
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 62
Der thermoelektrische Effekt kann auch umgekehrt werden: Wenn man zwei unterschied-
liche metallische Leiter verbindet und durch die Leiter ein Strom fließt, entsteht dort, wo sich die Metalle berühren eine thermische Differenz
Mit anderen Worten: Eine Seite wird warm, die andere kalt
Bild aus: http://www.freezefreaks.de/knowledge/TEC/technik/tectechnik.html
Thermoelemente nach DIN EN 60 584
Kennbuchstaben je Type
Unedelmetalle Type E, J, K, L, N
Edelmetalle Type S, R, B, C
Kennfarben sind genormt
Plus Schenkel in Kennfarbe
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 63
Thermopaar Typ K (NiCr-Ni)
NickeI-Chrom (+)/Nickel (-) Im Bereich von 800 - 1000°C häufig eingesetzt, auch für den
unteren Temperaturbereich geeignet Preisgünstig, breiter Anwendungsbereich Maximale Dauerbetriebstemperatur 1.000 °C über 850°C kann es durch Oxidation zu irreversiblen
Veränderungen kommen, die zu bleibenden Messabweichungen führen
Vergleichsweise geringere Stabilität zwischen 250°C und 600°C als die anderen unedlen Thermopaare
Langzeitdrift-Probleme
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 64
Thermopaar Typ N (NiCrSi-NiSi)
Der Newcomer! Nickel-Chrom-Silizium/Nickel-Silizium (Nicrosil-Nisil) Preisgünstig, breiter Anwendungsbereich Kann teilweise edle Elemente ersetzen. Maximale Dauerbetriebstemperatur 1.100 °C Ähnliche thermoelektrischen Eigenschaft wie Typ K, aber ohne
dessen Schwächen keine oxidationsbedingte Drift, geringere Hysterese und Instabilität
Grundsätzlich ein höherwertigeres Thermopaar im Vergleich zu den anderen unedlen Typen
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 65
Alterung und Drift
Thermoelemente unterliegen während ihrer Anwendung einer unvermeidbaren irreversiblen Veränderung, i.d.R. „Drift“ oder „Alterung“ genannt
Drift entsteht im Wesentlichen durch Kontamination der Thermoelemente Reine Materialien wie Fe, Cu und Pt driften durch Eindiffundieren von
Fremdatomen NiCr – Schenkel reagieren empfindlich auf eindiffundierten Schwefel und
Wasserstoff Grünfäule tritt in NiCr – Legierungen im Temperaturbereich ab ca. 800 –
1000 °C unter sauerstoffarmer oder reduzierender Atmosphäre auf Drift ist nicht zuletzt vom Schutzrohrmaterial abhängig
Drift kann zu großen Messfehlern führen, z.B. Typ „K“, in hitzebeständigen Metallrohr nach zwei Jahren Einsatz bei 900 °C Drift von -25K
Eine Vorhersage der Drift ist praktisch nicht möglich Thermoelemente inklusive Schutzrohr nach 1-2 Jahren austauschen (CQI-9)
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 66
Klassische Temperaturvergleichsstelle
Klassische Methode der Vergleichsstelle mit konstanter Temperatur: Verwendung eines „Eisbades“Vorteile: hervorragende Stabilität bekannte Temperatur einfache Realisierbarkeit?In vielen Kalibrierlabors wird diese Art der Vergleichsstelle nach wie vor angewendet
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 67
In heutigen Temperaturreglern/ Schreibern wird die Vergleichsstellentemperatur mit einem zweiten Temperatursensor erfasst und kompensiert
Thermoelementkalibrierung Unedelmetall
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 68
Abkürzungen:D: Kalibierungen mit DKD-ZertifikateW: Werkskalibrierungen des Kalibrierlabors
Kalibrierung an Tripelpunkten
Der Tripelpunkt (auch Dreiphasenpunkt) ist der Zustand an dem drei Phasen eines Stoffes (z.B. fest, flüssig, gasförmig) im Gleichgewicht sind Der Tripelpunkt wird durch Druck und Temperatur bestimmt Das bedeutet zum Beispiel für Wasser, dass Wasserdampf, flüssiges
Wasser und Eis gleichzeitig vorkommen und sich die Mengenverhältnisse der drei Phasen am Tripelpunkt nicht ändern
Die Eindeutigkeit des Tripelpunktes liefert besonders gute Temperatur-Fixpunkte für Skalen von Thermometern: eine wichtige Anwendung bei der Kalibrierung von Temperaturmessgeräten
Gängige Tripelpunkts-Temperaturangaben sind zum Beispiel: Quecksilber: 234,31560 K; −38,83440 °C bei 1,65*10-4 Pa Wasser: 273,16000 K; 0,01000 °C bei 611,657 ± 0,010 Pa
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 69
Typische Fehler und ihre Auswirkungen
Anzeige zeigt ca. Raumtemperatur an: Thermoelement oder Leitung kurz geschlossen
Anzeige zeigt Maximaltemperatur oder High-Alarm an: Thermoelement oder Leitung unterbrochen
Angezeigte Temperatur deutlich zu hoch; Anzeige driftet: a) Polarität der Ausgleichsleitung im Anschlusskopf vertauscht b) Falsche Ausgleichsleitung (siehe Tabelle)
Deutlich zu hohe oder zu niedrige Anzeige: a) Falscher Thermoelementtyp oder Regler b) Falsche Ausgleichsleitung bzw. verpolt angeschlossen (siehe Tabelle).
Alle Anzeigen um einen festen Betrag zu hoch oder zu niedrig: Falsche Vergleichsstellentemperatur
Alle Anzeigen korrekt, driften aber langsam: Vergleichsstellentemperatur nicht konstant
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 70
Beispiel SAT-Report
Der SAT-Report muss enthalten: Identifikation Regelthermoelement Identifikation Prüfthermoelement Identifikation Prüfinstrument Datum und Zeit der Prüfung Messwert am Regelinstrument Messwert am Prüfinstrument Korrekturfaktoren Errechnete Differenz Befund Namen (Prüfer und WBH)
Dr. Hartmut Steck-Winter – Temperaturmessung mit Thermoelementen – AWT Härtereikreis mN: Folie 71
Erlaubte Diffe
renz +/-
5 °C
(Methode A)