Ratgeber
Die Temperaturmessung ist ein wesentlicher Bestandteil der meisten industriellen Vorgänge. Sie erfolgt in der Regel mit einem Temperaturmessgerät, das die analogen Signale eines Temperatursensors in digitale Werte umwandelt, sie auf einem Display darstellt, speichert und zur Weiterverarbeitung zur Verfügung stellt.
Wie diese oft unentbehrlichen Geräte funktionieren, welche Typen es gibt und worauf bei der Beschaffung zu achten ist, erfahren Sie in unserem Ratgeber.
Neben einfachen mechanischen Thermometern wie Flüssigkeits-, Bimetall- oder Druck-Thermometer, die physikalische Eigenschaften eines festen, flüssigen oder gasförmigen Mediums zur direkten Anzeige der Temperatur verwenden, finden sich im gewerblichen Bereich überwiegend digitale Messgeräte.
Sie alle arbeiten elektrisch und sind eine Kombination aus einem Temperatursensor und einer elektronischen Schaltung. Bis auf wenige Ausnahmen zur Festinstallation handelt es sich um mobile, mit Batterien betriebene Handgeräte, oft mit auswechselbaren Temperaturfühlern. Zur weiteren Ausstattung gehören im Allgemeinen ein Display, diverse Bedientasten, ein interner Speicher für Messwerte sowie Schnittstellen zur Datenübertragung.
Wesentlich für die Temperaturerfassung mit diesen Geräten ist der Typ des Sensors, der jeweils nach einem anderen Prinzip arbeitet. Zur Verfügung stehen Thermoelemente, Widerstandstemperaturfühler und berührungslose Temperaturfühler, die auf Infrarotstrahlung reagieren.
Thermoelement
Ein Thermoelement besteht aus zwei ungleichen Metallen, die an einem Ende miteinander verbunden sind und bei einer Temperaturänderung eine Spannung im Millivoltbereich erzeugen. Dieses Phänomen ist als Seebeck-Effekt bekannt. Die Verbindungsstelle der beiden Metalle, die so genannte Messstelle, ist mit Verlängerungsdrähten verbunden.
Diese Fühler lassen sich aus verschiedenen Materialkombinationen herstellen. Die Leistung wird im Allgemeinen durch die Verbindung von Elementen mit Platin bestimmt. So eignet sich Chromel-Constantan zusammen mit Platin hervorragend für die Messung von Temperaturen bis etwa 1000 Grad Celsius. Eine Platin-Wolfram-Rhenium-Kombination wird für Temperaturen bis zu 2700 Grad Celsius verwendet. Einige Platin-Kombinationen für spezielle Anwendungen sind Chromel-Weißgold, Molybdän-Wolfram, Wolfram-Iridium und Iridium-Rhodium. Die meisten dieser Elementtypen sind unter einer Einbuchstabenbezeichnung bekannt, die gebräuchlichsten sind J, K, T und E.
Widerstandstemperaturfühler
Eine Temperaturänderung bewirkt bei diesen Fühlern eine Änderung des elektrischen Widerstands. Die Änderung wird gemessen, um auf die Temperaturänderung zu schließen. Für Messgeräte sind zwei Typen dieser Sensoren üblich, und zwar reine Widerstandstemperaturfühler, Abkürzung RTD, und Thermistoren.
Ein RTD ist im Grunde entweder ein langer Metalldraht mit kleinem Durchmesser, der zu einer Spule gewickelt ist, oder ein geätztes Gitter auf einem Substrat, ähnlich wie ein Dehnungsmessstreifen. Platin ist auch hier das am häufigsten verwendete Metall. Die Fühler arbeiten nach dem Prinzip, dass sich der elektrische Widerstand eines Metalls vorhersehbar in einer im Wesentlichen linearen und wiederholbaren Weise mit der Temperatur ändert. RTDs besitzen einen positiven Temperaturkoeffizienten, der Widerstand nimmt mit der Temperatur zu.
Thermistoren sind temperaturempfindliche Halbleiter, die in einem relativ kleinen Temperaturbereich eine große Widerstandsänderung aufweisen. Es gibt zwei Haupttypen: die mit positivem Temperaturkoeffizienten, kurz PTC oder Kaltleiter, und die mit negativem Temperaturkoeffizienten, kurz NTC oder Heißleiter. Bei NTC-Thermistoren nimmt der Widerstand mit steigender Temperatur ab. Sie werden am häufigsten für die Temperaturmessung verwendet.
Thermistoren lassen sich im Vergleich zu RTDs nicht zur Messung hoher Temperaturen verwenden. Tatsächlich beträgt die maximale Betriebstemperatur manchmal nur 100 oder 200 Grad Celsius.
Infrarot-Temperaturfühler
Diese Temperaturfühler sind auch als Pyrometer, IR-Thermometer oder berührungslose Temperatursensoren bekannt. Berührungsloses Messen der Temperatur ist vorteilhaft, wenn Kontaktmethoden unmöglich oder unpraktisch sind, zum Beispiel wenn das Messobjekt unzugänglich oder so heiß ist, dass ein Kontaktfühler des Temperaturmessgeräts beschädigt werden könnten.
Infrarot-Temperatursensoren nutzen das Prinzip, dass jedes Objekt eine Energiemenge abgibt, die von seiner Temperatur abhängt.
Die Berechnung der Temperatur eines Objekts anhand der gemessenen Strahlungsenergie scheint einfach zu sein. Die von einem Objekt abgestrahlte Energiemenge ist jedoch nicht nur eine Funktion der Temperatur.
Die andere Variable neben der Temperatur, ist der Emissionsgrad.
Für den Einsatz eines Infrarot-Thermometers ist es wichtig zu wissen, dass der in der Regel einstellbare Emissionsgrad ein Korrekturfaktor ist, größer als 0, aber kleiner als 1.
Das ermöglicht dem Infrarot-Temperaturmessgerät, die richtige Oberflächentemperatur zu ermitteln.
Die Auswahl eines passenden Temperaturmessgeräts richtet sich einerseits nach den zu messenden Temperaturbereichen – und damit auch nach der Art des Fühlers – andererseits nach den zur Verfügung stehenden Funktionen des Messgeräts.
Zunächst ist es wichtig zu wissen, ob das Messgerät für den Wechsel des Sensors eingerichtet ist. Einige Geräte, häufig aus den unteren Preisklassen, besitzen lediglich einen einzigen, fest integrierten Sensor. Andere Modelle für den Einsatz externer Sensoren sind wiederum nur für die Verwendung wechselbarer Thermoelementfühler ausgelegt, beispielsweise für den K-Typ.
Hinsichtlicher der Speichermöglichkeiten sollte das Temperaturmessgerät auch die sogenannte Hold-Funktion besitzen: Durch Drücken der Thermometer-Taste mit der Aufschrift "Hold" lässt sich der gemessene Wert auf dem Display sozusagen einfrieren und durch erneutes Drücken wieder freigeben. Vorteilhaft sind außerdem die Unterstützung von SD-Karten zum Speichern der Messwerte sowie drahtlose oder drahtgebundene Schnittstellen zur Datenübertragung an Smartphones, Tablets oder PCs.
Soll das Temperaturmessgerät in staubigen Umgebungen arbeiten, ist eine hohe IP-Klasse notwendig, zum Beispiel IP50. Für rechtlich relevante Messungen bieten sich Kalibrierungen durch DakkS-akkreditierte Labore, nach ISO oder durch einen zertifizierten Werksstandard an.
Ähnlich bedeutend für professionell eingesetzte Temperaturmessgeräte sind die Genauigkeit der Messung, die Auflösung und – bei Messumformern – die Anzahl der kalibrierten Werte.
Mit welchem Thermometer lässt sich die Temperatur von Flüssigkeiten messen?
Grundsätzlich sind dafür alle Kontaktsensoren geeignet, es kommt nur auf die Dichtigkeit des Sensorelements an. Besonders beliebt sind allerdings Fühler nach der PTC-Technik, also Kaltleiter, hier besonders die Platin-Widerstandsfühler der Kategorien Pt100 und Pt1000. Für das Testen der Temperaturen im Lebensmittelbereich, zum Beispiel von Frittieröl, sind besondere Standards zu beachten, vor allem der HACCP-Standard. Er sorgt für die Lebensmittelsicherheit von Küchengeräten und Utensilien.
Was gehört zu den typischen Einsatzbereichen von Temperaturmessgeräten?
Neben dem direkten Messen und Ablesen analog zu einem normalen Thermometer, lassen sich hochwertige Messgeräte auch mit einer Prozesssteuerung verbinden. Sie dienen hier als Messumformer und senden Werte direkt an die Steuerzentrale. Für dauerhafte Messungen lassen sich bestimmte Messgeräte auch als Datenlogger einsetzen. Darunter ist ein elektronisches Gerät zu verstehen, das Daten über die Zeit oder in Bezug auf den Ort über externe Sensoren aufzeichnet. Einige Datenlogger sind mit einem PC verbunden und verwenden Software, um die gesammelten Daten anzuzeigen und zu analysieren.