Druck und Temperatur sind Zustandsgrößen, die in der Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und der alternativen Energieerzeugung häufig gemessen werden. Als Beispiel für die Anwendung der

und PROZEßSIMULATION

Industrielle Temperaturmessung University of Applied Sciences

0.Ziel und Zweck

Druck und Temperatur sind Zustandsgrößen, die in der Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und der alternativen Energieerzeugung häufig gemessen werden. Als Beispiel für die Anwendung der

Meßtechnik in diesen Branchen sollen die Möglichkeiten der Temperaturmessung untersucht werden.

Für den Einsatz in einer technischen Anlage sind folgende Informationen zu den verschiedenen indus- triellen Temperaturmeßsystemen wichtig:

• Bauweise und Abmessungen der Sensoren (Meßfühler), Einbaumöglichkeiten,

• Einsatzbedingungen (zulässige Drücke und Temperaturen), Meßbereiche,

• Dynamik der Meßsysteme (Zeitverhalten),

• Meßwertübertragung, Auswerteverfahren (SW), Korrekturen, Kalibrierung,

• Fehlereinflüsse, erzielbare Genauigkeit der Temperaturmessungen.

Die Übung gibt auch einen Einblick in die Methoden der rechnergestützten Meßwerterfassung.

1.Grundlagen

1.1. Thermodynamische Temperaturskala

Die Temperatur ist als Maß für die innere Energie eines Körpers eine Zustandsgröße. Zwischen der Temperatur und anderen physikalischen Eigenschaften eines Körpers besteht in vielen Fällen eine ein- deutige (aber nicht immer lineare) Beziehung, so z.B. mit den Größen

• Länge, Volumen, Dichte

• Druck

• Kontaktspannungen bzw. Ladungsverteilung

• Elektrischer Widerstand

• Magnetischer Widerstand

• Elektrisches Rauschen

• Emission von Strahlung

• Lichtbrechung

• Aggregatzustand bzw. Kristallstruktur

• Schwingungsverhalten (Resonanz, Eigenfrequenz, Dämpfung)

• Schallgeschwindigkeit

Zur Festlegung einer allgemeingültigen Temperaturskala sind diese Größen aber wenig geeignet, weil sie stoffspezifisch sind.

Thermodynamisch wird die Temperatur T über den Wirkungsgrad eines Carnot-Prozesses defi- niert. Da Wärmemengen als eine Form der Energie prinzipiell meßbar sind, ist der Temperaturwert damit bis auf einen Proportionalitätsfaktor α bestimmbar:

Q = α

(T2-T1) ==> T2-T1 = Q/α

Durch Kalibrierung an einem Fixpunkt, z.B. dem Tripelpunkt von Wasser mit Ttr = 273,16 K , ist die gesamte thermodynamische Temperaturskala eindeutig und reproduzierbar festgelegt.

1.2 Temperaturskala des Gasthermometers

Für allgemeine Temperaturmessungen eignet sich die o.a. Definition wegen der aufwendigen Meß- technik wenig. Die thermodynamische Temperaturskala wird daher im Labor mit geeigneten Gasthermo-

metern aufgrund der Zustandsgleichung eines Gases bestimmt. Da einige Gase (He, H2) nahezu idea- les Verhalten zeigen, kann durch Druck- und Volumenmessung bei entsprechendem Aufwand die Temperatur sehr genau bestimmt werden:

aus p*V = m*R*T folgt: T = p*V/m*R 1.3 Internationale Temperaturskala (ITS)

Für Messungen in der industriellen Praxis wird eine empirische, leicht reproduzierbare Skala benutzt:

die Internationale Temperaturskala (ITS '90), die die IPTS (Internat. Praktische Temperaturskala) von 1968 abgelöst hat. In Deutschland ist sie zugleich gesetzliche Temperaturskala. Thermodynami- sche und gesetzliche Temperaturskala stimmen im Rahmen der möglichen Meßgenauigkeit überein.

Die Skala der ITS wird durch eine Anzahl von Gleichgewichtstemperaturen (Temperaturen beim Phasengleichgewicht) als Fixpunkte definiert, die überall auf der Erde herstellbar sind und zum Kalibrieren der Meßgeräte genutzt werden. Temperaturen zwischen den Fixpunkten werden mit Hilfe genormter Meßinstrumente und in der ITS festgelegter Interpolationsformeln ermittelt.

( Hinweis: Der Siedepunkt von Wasser bei 100°C und der Eispunkt bei 0°C sind nach der ITS '90 keine Fixpunkte!).

Fixpunkt FP-Art IPTS-68 ITS-90 in °C in °C ---

Argon TP -189,352 -189,3442

Sauerstoff TP -218,789 -218,7916

Quecksilber TP -38,842 -38,8344

Wasser TP +0,01 +0,01

Gallium SP 29,772 29,7646 Fixpunkte der ITS

Indium EP 156,634 156,5985

Zinn EP 231,9681 231,928

Blei EP - 327,502

Zink EP 419,58 419,527

Aluminium EP 660,46 660,323

Silber EP 961,93 961,78

Gold EP 1064,43 1064,18

Kupfer EP 1084,88 1084,62

--- TP=Tripelpunkt EP=Erstarrungspunkt SP=Siedepunkt

Oberhalb des Gold- bzw. Kupferpunktes ist die Temperaturskala durch Messung der spektralen Strahldichten L(T) der von Körpern ausgesandten Strahlung festgelegt (Strahlungspyrometrie).

1.4 Temperatur-Einheiten

Die Maßeinheit für die vom absoluten Nullpunkt aus gerechnete Temperatur T ist das Kelvin [K]. Der Zusammenhang mit der vom Eispunkt aus gezählten Celsius-Temperatur in Grad Celsius [°C] ist T[K] = T[°C] + 273,l5

Temperaturdifferenzen auf der Celsius- und Kelvin-Skala sind gleich groß.

Daneben existiert noch die in den angelsächsischen Ländern verwendete Temperaturskala in Grad Fahrenheit [°F]:

T[°C] = 5(T[°F] - 32)/9

Temperaturdifferenzen auf der Celsius- und Fahrenheit-Skala sind nicht gleich groß.

( Hinweis: 0°C = 32°F, -40°C = -40°F, 0 K = -273,15°C = -459,67°F )

1.5 Meßbereiche und gewünschte Messunsicherheiten

Wie genau müssen Temperaturen in der industriellen Praxis bestimmt werden? Die folgende Tabelle gibt dazu einige Hinweise. Gründe für die Genauigkeitsanforderungen sind die Sicherung der

Produktqualität, Energieeinsparung sowie die Verhinderung unerwünschter Nebenreaktionen oder Gefahren.

Anwendung Temp.-Bereich in °C Meßunsicherheit in K

Stahlguß 1400 bis 1700 1 bis 5

Stahlvergütung 400 bis 800 1 bis 3

Kraftwerke 550 bis 600 1

Kernkraftwerke 250 bis 350 0,1 bis 0,25 Chem. Reaktoren 200 bis 350 0,3 bis 1 Chemiefaser 200 bis 250 0,3 bis 0,5

Zuckerproduktion 100 bis 125 0,1

Bioreaktoren 35 bis 45 0,1

Heizung/Lüftung -30 bis 120 0,5

Wärmemengenmessung 30 bis 150 0,1 bis 0,5

Kühltruhen -30 bis 0 0,5

Medizin 35 bis 42 0,1

2. Meßverfahren und -geräte

Bild 1 und 2 stellen eine Übersicht der gebräuchlichen Temperaturmeßverfahren und ihrer Anwen- dungsbereiche dar. In Bild 2 sind auch die Fixpunkte der gesetzlichen Temperaturskala eingetragen.

Bei den Berührungsthermometern wird der Temperaturfühler (Sensor) mit dem Stoff in Berührung gebracht, dessen Temperatur gemessen werden soll. Um die Störung des Temperaturfeldes durch den Temperaturfühler klein zu halten und um Temperatursprünge zwischen Medium und Fühler zu vermeiden, sind folgende Bedingungen einzuhalten:

• Die Wärmeübertragung zwischen dem zu untersuchenden Körper bzw. Medium und dem Tempe- raturfühler muß begünstigt werden (guter Kontakt, Wärmeleitpaste, kein Luftspalt).

• Die Abfuhr oder Zufuhr von Wärme zum Meßobjekt durch den Temperaturfühler muß so weit wie möglich verhindert werden. Gegebenenfalls ist dazu der Fühler selbst zu kühlen oder zu heizen (thermisch kompensierter Meßfühler).

Strahlungsthermometer arbeiten dagegen berührungslos, indem sie die von dem zu untersuchenden Körper ausgehende Strahlung zur Temperaturmessung nutzen. Die Strahlung kann im sichtbaren Bereich ausgewertet werden (Beobachten der Farbe des Körpers =>rotglühend/weißglühend, Strah- lungspyrometer) oder es wird die Infrarotstrahlung gemessen (Infrarotthermografie, Wärmebildka- meras, Infrarot-Scanner). Vorteilhaft ist, daß das Temperaturfeld nicht gestört wird und ein nahezu trägheitsloses und punktweises Messen möglich ist. Einsatzbereiche sind die Messung der Temperatur kleiner, bewegter oder unzugänglicher Objekte, Vorgänge in dynamischen Prozessen oder von

Temperaturen über 1000°C.

Mit einem Infrarot-Thermometer kann die Temperatur eines Punktes gemessen werden, ein Infrarot- Scanner tastet eine größere Struktur ab und zeigt ein 2D- oder auch 3D-Bild der Tempe-

raturverteilung.

Im Rahmen dieser Übung werden zur Messung (nicht kompensierte) Berührungsthermometer einge- setzt, zum Vergleich der Meßverfahren stehen auch ein Infrarot-Thermometer und ein Infrarot- Scanner zur Verfügung.

2.1 Flüssigkeits-Glasthermometer

Es wird die thermische Ausdehnung einer Flüssigkeit (genauer: die Ausdehnungsdifferenz Flüssigkeit-Glas) zur Temperaturmessung ausgenutzt und die Temperatur aus dem Stand des Flüssigkeitsfadens in einer Glaskapillare ermittelt.

Zur Verringerung von Meßfehlern ist zwischen ganz eintauchend justierten und teilweise eintau- chend justierten Thermometern zu unterscheiden. Ganz eintauchend justierte Thermometer zeigen richtig an, wenn das Thermometer sich mindestens bis zur Ablesestelle auf der zu messenden Tempe- ratur befindet (also der Faden ganz eingetaucht ist).

Kann diese Bedingung nicht erfüllt werden (z.B. aus räumlichen Gründen), so ist zu der abgelesenen Temperatur Ta eine Berichtigung ( Fadenkorrektur) zu addieren, weil der nicht eingetauchte Teil des Thermometers durch die Umgebungstemperatur beeinflußt wird. Die wahre Temperatur ist dann in erster Näherung:

Tw = Ta + k

n

(Ta - TF)

T

in K bzw. °C die wahre Temperatur des zu messenden Stoffes T

in K bzw. °C die am Thermometer abgelesene Temperatur

k in 1/K Differenz der Ausdehnungskoeffizienten von Füllflüssigkeit und Thermometerglas n in K bzw.°C Länge des herausragenden Fadens, angegeben in Grad der Thermometerskala T

in K bzw.°C mittlere Temperatur des herausragenden Fadens (kann mit einem

Fadenthermometer

bestimmt oder geschätzt werden, z.B. (T

+ T

)/2)).

Der Faktor k hängt von der thermometrischen Flüssigkeit und in geringem Maße auch von der Glas- sorte ab. Für die wichtigsten Flüssigkeiten gelten folgende Durchschnittswerte:

Quecksilber, Quecksilber-Thallium k = 0,16* 10-3 1/K Galliumlegierung k = 0,1 * 10-3 1/K Pentangemisch, Alkohol, Toluol k = 1 * 10-3 1/K .

Teilweise eintauchend justierte Thermometer sind mit teilweise herausragendem Faden bei

vorgeschriebener Eintauchtiefe und vorgegebener mittlerer Fadentemperatur kalibriert. Diese beiden Werte sind auf dem Thermometer angegeben. Sie sind für eine genaue Messung einzuhalten. Können die Thermometer nicht mit der Eintauchtiefe und/oder der mittleren Fadentemperatur benutzt werden, mit der sie kalibriert sind, so sind die abgelesenen Werte ebenfalls zu korrigieren (Fadenkorrektur).

Die Korrekturformeln für diesen Fall können der Literatur entnommen werden.

Bei Beachtung dieser Meß- bzw. Korrekturvorschriften haben Präzisions-Laborthermometer eine Genauigkeit von ±0,2°C . (siehe DIN Normen).

Der Messwert lässt sich aber nur aufwendig von der Messstelle in die Leitwarte übertragen, aufzeich- nen oder speichern. Für den industriellen Einsatz sind daher Meßsysteme, die ein elektrisches Aus- gangssignal erzeugen, besser geeignet.

2.2 Thermoelemente

Das Meßprinzip beruht auf dem Seebeck-Effekt. Ein elektrischer Leiter (Metall) oder Halbleiter (A in Bild 3) als Messfühler befindet sich in einem Temperaturfeld, d.h. seine Enden haben

unterschiedliche Temperaturen T(0) und T(L). Aufgrund ihrer höheren thermischen

Bewegungsenergie werden dann mehr freie Leitungselektronen von der warmen Seite zur kalten Seite gelangen als umgekehrt. An der kalten Seite tritt also ein Elektronenüberschuß, an der warmen Seite ein Elektronenmangel auf, d.h. in dem Leiter entsteht eine Potentialdifferenz und damit eine meßbare elektrische Spannung U

(Thermospannung) zwischen den beiden Leiterenden:

Uth = ∫ ^kdT = k * (T(L) - T(0))

wenn der Seebeck-Koeffizient k in erster Näherung als konstant, d.h. unabhängig von der Temperatur betrachtet werden kann.

Zur Messung dieser Spannung muß eine Zuleitung (B in Bild 3) verwendet werden, die zwangsläufig auch im Temperaturfeld liegt und in der - ungewollt - ebenfalls eine Thermospannung entsteht. Die insgesamt meßbare Spannung ist die Differenz dieser beiden Thermospannungen, d.h. die Meßglei- chung lautet:

Uth = UthA - UthB = (kA - kB)(T(L) - T(0)) = c

∆T Index "A" = Meßfühler Index "B" = Zuleitung

Aus dieser Gleichung läßt sich ablesen:

• Eine Thermospannung kann nur entstehen, wenn eine Temperaturdifferenz vorhanden ist

• Über die Messung der Thermospannung kann daher zunächst auch nur eine Temperaturdifferenz bestimmt werden

• Eine Thermospannung ist nur dann meßbar, wenn Meßfühler und Zuleitung aus verschiedenen Materialien bestehen (d.h. unterschiedliche Seebeck-Koeffizienten haben, kA ≠ kB).

Die Materialien für Meßfühler und Zuleitung werden so gewählt, daß eine möglichst hohe Thermo- spannung entsteht, d.h. die Seebeck-Koeffizienten der beiden Materialien möglichst stark voneinander abweichen. Weitere Material-Auswahlkriterien sind: Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit, Alterungsbeständigkeit, Linearität der Kalibrierkurve, Preis.

Gebräuchliche Stoffpaarungen:

Materialpaarung (Meßfühler-Zuleitung) Norm-Typ* c bei 100°C Einsatzbereich °C --- Kupfer-Konstantan (Cu-CuNi) U, T 4,25 mV/100°C -270 bis 350 Eisen-Konstantan (Fe-CuNi) J, L 5,37 mV/100°C -210 bis 750/900 Nickel-Nickelchrom (Ni-NiCr od.NiAl) K 4,1 mV/100°C -270 bis 1300 Platin-Platinrhodium (Pt-PtRh) R 0,64 mV/100°C -50 bis 1600

* DIN 43710, DIN 60584 (DIN IEC 584)

Bei den oberen Grenztemperaturen kann nur kurzzeitig gemessen werden.

Soll nicht eine Temperaturdifferenz, sondern "nur" die Temperatur einer Meßstelle (z.B. Temperatur in einem Flüssigkeitsbehälter) bestimmt werden, muß die zweite Temperatur künstlich geschaffen werden, damit eine Thermospannung entsteht: die Bezugs- oder Vergleichsstelle.

Die Vergleichsstellentemperatur sollte zweckmäßigerweise konstant sein (muß aber nicht!), damit aus der gemessenen Temperaturdifferenz (TMeß-TVergl) die gesuchte Temperatur TMeß leicht errechnet werden kann.

Häufig wird dafür der Eispunkt 0°C verwendet, der sich mit geringem Aufwand herstellen läßt (Dewar-Gefäß mit Eiswasser), aber auch jede andere Temperatur (z.B mit einem thermostatisierten Wasserbad) ist möglich.

Um aus der gemessenen Thermospannung auf die Temperatur schließen zu können, muß für das ver- wendete Thermoelement eine Kalibrierkurve oder -tabelle vorliegen bzw. aufgenommen werden.

Bei normgerechten Thermoelementen (DIN 43710, IEC 584) sind diese Kurven bzw. Tabellen in den Normen enthalten und können direkt verwendet werden, wenn die erwünschte Meßgenauigkeit inner- halb der in der Norm angegebenen Toleranzen liegt. Ist eine höhere Meßgenauigkeit notwendig, muß eine eigene Kalibrierkurve erstellt werden.

Hat die Vergleichsstelle bei der Messung die gleiche Temperatur wie die Bezugstemperatur der Normtabelle (= Vergleichsstellentemperatur bei der Kalibrierung), kann die gesuchte Temperatur unmittelbar der Kalibriertabelle/-kurve entnommen werden. Weicht dagegen die

Vergleichsstellentemperatur von der Bezugstemperatur der Norm ab, ist die gemessene

Thermospannung zu berichtigen, bevor eine Kalibriertabelle bzw. Kalibrierkurve angewendet wird:

Uth = Utha + ∆ Uth = Utha + c*(TVergl - TBezug)

Uth = korrigierte Thermospannung

U

= gemessene Thermospannung (abgelesener Wert)

c = mittl. Steigung der Kalibrierkurve zwischen TVergl und TBezug ,z.B. in mV/°C TVergl = Vergleichsstellentemperatur bei der Messung

TBezug = Bezugstemperatur der Kalibriertabelle

Grund für die Korrektur:

Die Seebeck-Koeffizienten sind für die meisten Materialien keine Konstanten, sondern selbst wieder temperaturabhängig. Dadurch wird die Kennlinie der Thermoelemente Uth = f(T) keine Gerade und die Thermospannung ist nicht nur von der Temperaturdifferenz zwischen Meß- und Vergleichsstelle abhängig, sondern auch von der absoluten Höhe dieser Temperaturen. Für eine bestimmte

Temperatur-

differenz ergeben sich deshalb je nach Höhe der Vergleichsstellentemperatur verschiedene Thermo- spannungen.

Beispiel (s. Norm-Tabelle im Anhang):

bei jeweils 10°C Differenz zwischen Meß- und Vergleichsstelle ist bei Fe-Konst.

zwischen 0°C und 10°C die Thermospannung = 0,52 mV zwischen 200°C und 210°C die Thermospannung = 0,56 mV zwischen 800°C und 810°C die Thermospannung = 0,67 mV

Nach der neuen Norm DIN 60584 sind die standardisierten Thermoelemente bezüglich der zulässigen Grenzabweichungen (Toleranzen) in drei Klassen eingeteilt. Üblicherweise wird im industriellen Bereich die Klasse 2 verwendet, für die gilt:

Typ zulässige Grenzabweichung ______________________________________________

J -40...333°C ± 2,5°C

333...750°C ± 0,0075*T in °C

K -40...333°C ± 2,5°C T = gemessene Temperatur in °C

333...1200°C ± 0,0075*T in °C L 0...400°C ± 3°C

400...700°C ± 0,75%

Thermoelemente müssen nach einiger Betriebsdauer nachkalibriert werden, da sich ihr thermoelektri- sches Verhalten durch Korrosion, Gefügeänderungen durch Alterung usw. verändert. Dies gilt beson- ders beim Einsatz unter hohen Temperaturen oder hoher Strahlenbelastung (z.B. in Kernreaktoren).

Thermoelemente können sehr klein und mit geringer Wärmekapazität ausgeführt werden. Sie haben daher kurze Ansprechzeiten (s. Tabelle 1) und geringe Rückwirkungen auf das Meßobjekt. Es sind aktive Sensoren, d.h. sie benötigen keine Hilfsenergie, sondern geben selbst Energie ab (die sie aller- dings dem zu messenden System entziehen).

Die Standardmeßschaltung des Thermoelements mit Vergleichsstelle zeigt Bild 8 unter b).

(Hinweis: das ganze System ist ein Thermoelement, weil definitionsgemäß die Enden eines Thermoelementes immer auf verschiedenen Temperaturen sein müssen; es gibt also nicht ein Thermoelement der Meß- und eines der Vergleichsstelle!).

Damit in den Verbindungsleitungen zwischen Meß- und Vergleichsstelle nicht zusätzliche störende Thermospannungen entstehen, sollen die Thermoelementdrähte unverändert mindestens bis zur Vergleichsstelle geführt werden. Dies würde bei einigen Materialien (z.B. Platin) hohe Kosten verursachen. Deshalb kann diese Verbindung durch eine Ausgleichsleitung ersetzt werden, die ähnliche thermoelektrische Eigenschaften aber geringere Kosten aufweist (z.B. einfacheres Material, nicht säurebeständig, etc).

Thermospannungen werden im einfachen Fall im Ausschlagverfahren mit Verwendung hochohmiger

Voltmeter gemessen. Der Innenwiderstand des Meßgerätes wird sehr hoch gewählt, damit der Span-

nungsabfall in den Zuleitungen klein bleibt und sich das Thermoelement durch den Meßstrom nicht

erwärmt. Für genauere Messungen werden Kompensationsschaltungen verwendet, bei denen der Meß-

kreis durch Abgleich mit einer Gegenspannung stromlos wird (keine Erwärmung!).

Wird das Thermoelement direkt, also ohne gesonderte Vergleichsstelle an das Meßgerät

angeschlossen (Sparschaltung a, Bild 8), wird die Vergleichsstelle ( = anderes Ende des Leiters bzw.

zweite Verbindungsstelle der beiden Leitermaterialien) physisch an die Anschlußklemmen des Gerätes verlegt. Diese Vergleichsstellentemperatur ist nicht mehr konstant sondern von der Umgebungstemperatur und der

Erwärmung des Meßgerätes während des Betriebes abhängig, so daß aus der Meßgröße TMeß-TVergl nicht mehr einfach auf TMeß geschlossen werden kann. Diese Schaltung ist nur für überschlägige Messungen geeignet.

In einer technische Anlage ist der Aufbau einer temperaturkonstanten Vergleichsstelle im Feld häufig hinderlich; eine zentrale Vergleichsstelle (z.B. in der Meßwarte) erfordert lange, teure und

störanfällige Kabelverbindungen.

Die Probleme können umgangen werden (Schaltung g, Bild 8), wenn das Thermoelement an einen Vergleichsstellenkompensator angeschlossen wird. Diese elektronische Schaltung gibt eine elektri- sche Spannung ab, die der Thermospannung an einer "echten" Vergleichsstelle entspricht, simuliert also eine Vergleichsstelle (Standardausführung für 0°C, andere Temperaturen lieferbar ).

(Hinweis: der Kompensator simuliert eine Spannung, er ist keine elektrisch geheizte Temperaturstelle!)

Die Kompensationsspannung wird der Thermospannung des angeschlossenen Thermoelementes hinzugeschaltet und so ein Thermoelement mit z.B. 0°C-Vergleichsstelle nachgebildet. Der Kompensator muß dazu auf die jeweilige Materialpaarung des Thermoelementes abgestimmt sein, damit die passende Spannung erzeugt wird.

Die Genauigkeit der Kompensation (nicht der Temperaturmessung insgesamt!), also der Unterschied zwischen einer Kompensator- und einer echten Vergleichsstelle, liegt bei guten Kompensatoren im Bereich von 0,02°C (Abweichung Anschlußstellentemperatur zu Bezugstemperatur < 3°C) bis 0,2°C (Abweichung < 50°C). Die Kompensatoren sind entweder in die Temperaturmeßgeräte integriert (Temperaturmeßgerät mit interner Vergleichsstelle) oder als separate Geräte lieferbar.

2.3 Widerstandsthermometer

Ausgenutzt wird die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes. Die Temperatur kann damit bei sehr hohem apparativen Aufwand (im Labor) mit einer Genauigkeit von bis zu l0 ^-4 °C bestimmt werden. Als Materialien werden metallische Werkstoffe bevorzugt, insbesondere Platin und Nickel, deren Widerstandswerte gut reproduzierbar mit der Temperatur ansteigen.

Es gilt mit guter Näherung für den Widerstand bei der Temperatur T:

RT = R0*(1 + K1T + K2T2)

RT, R0 = Widerstand bei der Temperatur T bzw. bei T

= 0°C K1, K2 = Materialkonstanten

Bei kleinen Temperaturänderungen ∆T <10 K gilt folgende Näherung:

RT = R0(1 + α∆T)

α = mittlerer Temperaturbeiwert des elektr. Widerstandes [1/K] im Temperaturbereich ∆T Material Verwendungsbereich α 0 (für T

= 0°C) in 1/K

________________________________________________________

Nickel - 60°C bis 150°C 6,17*10-3 Kupfer - 50°C bis 150°C 4,27*10-3 Platin -220°C bis 850°C 3,85*10-3

________________________________________________________

Der Vorteil von Metallwiderstandsthermometern liegt in der guten Reproduzierbarkeit und Genau- igkeit der Messungen aufgrund der Konstanz der Materialeigenschaften.

Halbleiter-Widerstandsthermometer (Thermistoren) werden wegen ihres höheren Temperaturbeiwer-

tes und ihrer kleinen Zeitkonstante verwendet, wenn geringere Genauigkeit ausreicht. "Heißleiter"

haben einen negativen Temperaturbeiwert (Widerstand fällt mit zunehmender Temperatur) und werden daher auch NTC-Widerstände (negative temperature coefficient) genannt. Näherungsweise gilt dafür als Meßgleichung:

R = A*eB/T R = Widerstand in Ω A,B = Materialkonstanten T = absolute Temperatur in K

Neben "Heißleitern" auf Metalloxidbasis werden auch "Kaltleiter" angeboten, die aus halbleitender ferroelektrischer Keramik bestehen. Kaltleiter haben einen positiven Temperaturkoeffizienten (=PTC), der in einem bestimmten Temperaturbereich sehr hohe Werte annimmt (Bild 4). Der steile Widerstandsanstieg ist aber materialbedingt einer starken Streuung unterworfen, so daß jeder PTC einzeln kalibriert werden muß. PTC werden daher weniger für reine Meßzwecke als für die

Automatisierung und Sicherheitstechnik sowie regelungstechnische Anwendungen benutzt.

Der Anschluß eines Meßwiderstandes an ein Meßinstrument kann mit zwei Anschlußleitungen erfolgen (Zweileiterschaltung). Allerdings beeinflussen die Widerstände der Zuleitungen das

Meßergebnis, weil sie zwangsläufig mitgemessen werden. Ein möglicher Abgleich (es werden nur die Zuleitungen angeschlossen und das Instrument dann auf Null eingestellt) stimmt bei Temperatur- änderungen der Zuleitungen nicht mehr.

Vorteilhaft und weit verbreitet ist daher die Vierleiterschaltung (der Meßwiderstand und das Meßge- rät verfügen über je vier Anschlüsse) zur Widerstandsmessung: über zwei Leiter wird dem

Widerstand ein konstanter Strom I aus dem Meßgerät zugeführt, die anderen zwei Leiter dienen zur Messung des Spannungsabfalls U am Widerstand (s. Bild 10). Der Widerstand der Zuleitungen hat daher keinen Einfluß auf das Meßergebnis. Es gilt das Ohm’sche Gesetz : R = U/I.

(Hinweis: Meßwiderstände werden nicht nur zur Messung der Temperatur benutzt, sondern auch zur Messung von Kraft, Druck, Drehmoment, mechan. Spannung, Dehnung, Beschleunigung, Feuchte, Lichtstärke, magnet. Feldstärke, Gaskon- zentration, Strömungsgeschwindigkeit, Durchfluß, Füllstand, usw. Alle diese Sensoren werden daher auch in Vierleiter- Ausführung geliefert).

Aus dem gemessenen Widerstand kann mit den angegebenen Formeln oder aus Kalibrierkurven bzw.

-tabellen (z.B. DIN 43760, IEC 751) die zugehörige Temperatur bestimmt werden.

Nach der Norm DIN IEC 751 werden Meßwiderstände in den Güteklassen A und B angeboten. Die zulässigen Grenzabweichungen (Toleranzen) betragen für einen Meßwert T in °C:

Klasse A 0,15 + 0,002*T in °C Klasse B 0,3 + 0,005*T in °C

Im Handel erhältlich sind auch Meßfühler mit eingeschränkten Toleranzen von ½ DIN, 1/3 DIN bis zu 1/10 DIN.

Der Meßstrom erwärmt den Widerstand bei der Messung, so daß immer eine etwas zu hohe Tempera- tur gemessen wird (Fehler 1.Ordnung). Um den Erwärmungsfehler des Meßwiderstandes möglichst klein zu halten, soll der Meßstrom bei 100-Ohm-Widerstandsthermometern handelsüblicher Bauart etwa 10 mA keinesfalls überschreiten (die in Wärme umgesetzte Verlustleistung P = R*I

beträgt dann 0,01 W), üblich sind 0,4 mA.

Widerstandsmeßfühler sind passive Sensoren, sie benötigen eine Versorgungsspannung bzw. -strom.

Die für die Messung erforderliche Energie wird der Stromquelle, nicht dem zu messenden System ent- nommen.

Die neueste Entwick- lung sind Temperatur IC. Dabei befinden sich der

Temperatursensor, die

Messwertverarbeitung,

gegebenenfalls die

Digitalisierung (A/D-

Wandler) und die Kommunikationsschnittstelle gemeinsam auf einem IC. Als Temperatursensor werden Halbleiterwiderstände, Dioden (Abhängigkeit der Diodenspannung von der Temperatur) oder Transistoren (Abhängigkeit der Basis-Emitter-Spannung von der Temperatur) eingesetzt. Der Einsatz solcher IC erfolgt zur Temperaturmessung auf Platinen und in elektron. Schaltungen sowie zur Temperaturmessung und-regelung von Prozessoren (z.B. im PC). Nachteilig ist der eingeschränkte Messbereich bis max. 150°C.

2.4 Schwingquarzthermometer

Die elektrische Temperaturmeßtechnik (Widerstandsthermometer, Thermoelemente) stützt sich z.Z.

noch hauptsächlich auf Sensoren mit analogem Ausgangssignal (Spannungen, Ströme, Widerstände).

Analoge Meßgrößen erfordern bei hohen Ansprüchen an die Genauigkeit einen großen Aufwand auf der Meßgeräteseite und sind durch interne und externe Störquellen leicht beeinflußbar, wobei sich Nutz- und Störsignal manchmal nur schwer unterscheiden lassen (die Thermospannung beträgt z.B.

häufig nur einige µV, nie mehr als einige mV).

Dagegen besitzen Sensoren mit frequenz-analogem oder digitalem Ausgangssignal den Vorteil der einfachen Meßtechnik durch Impulszählung. Da die Information nicht in der Amplitude sondern in der Frequenz (bzw. der Periodendauer) des Signals enthalten ist, ergibt sich eine höhere elektrische Störsicherheit. Ein solches Meßsystem ist der Quarz-Sensor. In Bild 9 werden die wesentlichen Fehlereinflüsse bei der Messung mit Widerstandsthermometern und mit Quarzmeßsystemen in ihrer Größenordnung beispielhaft gegenübergestellt.

Ausgangsmaterial der Quarz-Temperatursensoren ist synthetischer kristalliner Quarz, der unterhalb der Curie-Temperatur von 573°C piezoelektrische Eigenschaften zeigt. Oberhalb 573°C erfolgt die Phasenumwandlung in die nicht piezoelektrische Kristallstruktur, der Sensor gibt kein Meßsignal mehr ab. Eine aus einem Quarzkristall geschnittene Platte kann zu mechanischen Schwingungen angeregt werden, wenn über zwei Elektroden Wechselspannung angelegt wird (piezoelektrischer Effekt). Sind Anregungs- und Eigenfrequenz des Quarzschwingers gleich, befindet sich das System in Resonanz.

Bei dem verwendeten Meßquarz beträgt die Resonanzfrequenz bei Raumtemperatur 16,75 MHz und steigt mit der Temperatur stark an. Die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz fR von der Temperatur T ist nichtlinear (Bild 6) und läßt sich durch ein Polynom beschreiben:

fo = Bezugsfrequenz bei Bezugstemperatur To

fR(T) = fo*[1 + Σα

*(T-To)

] α

= Faktoren, die aus der Kennlinie bestimmt werden Aus dieser Gleichung kann zu einer gemessenen Frequenz fR die zugehörige Temperatur T errechnet werden, d.h. die primäre Meßgröße ist die Resonanzfrequenz.

Der Sensor besteht aus einer runden Quarzscheibe von 4,5mm ø und 0,1mm Dicke (Bild 7). Die Dauer eines Meßzyklus beträgt 1s, d.h. alle 1s wird ein neuer Meßwert geliefert. Die Meßdauer selbst ist 0,5s, über diesen Zeitraum findet also eine Temperaturmittlung statt.

Die Absolutgenauigkeit der Temperatursensoren wird durch die Genauigkeit der Kalibrierung (ca.

0,02°C) und die Konstanz der Eigenschaften bestimmt, die durch thermische Vorbehandlung des Quarzes gesichert wird. Die Systemgenauigkeit (Sensor, Übertragungsleitung, Auswerteelektronik) beträgt im Bereich -20°C bis +130°C ±0,1°C, im Bereich -40°C bis +300°C ±0,3°C.

Das dynamische Verhalten ist mit dem üblicher Widerstandsthermometer vergleichbar, d.h.

aufgrund der großen Masse des Sensors ergeben sich Zeitkonstanten im Sekundenbereich.

2.5 Infrarotthermografie

Jeder Körper mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt sendet elektromagnetische

Strahlung aus, deren Stärke und Wellenlänge von seiner Temperatur abhängen. Die Infrarotstrahlung

im Wellenlängenbereich zwischen 0,78 µm und 1 mm ist für den Menschen ungefährlich und kann

mit verschiedenen Infrarotdetektoren (Halbleiter wie HgCdTe, PbSnTe, InSb, Thermoelementsäulen,

Widerstands- thermometer (Bolometer)) gemessen werden.

Der Zusammenhang zwischen der Temperatur des Körpers und der ausgesandten Strahlung wird durch das Planck´sche Strahlungsgesetz und das Stefan-Boltzmann-Gesetz beschrieben. Bild 5 zeigt die Aussage des Planck´schen Gesetzes: mit steigender Temperatur des Körpers steigt die Intensität der Strahlung und das Maximum der Strahlungsintensität verschiebt sich zu kürzeren Wellenlängen, wobei λ

*T = const. ist (Wien´sches Verschiebungsgesetz).

Hinweis: im Bereich des sichtbaren Lichtes ist dieser Effekt auch bekannt, denn ein Körper erscheint zunächst rot, mit wachsender Temperatur gelb und dann weiß ).

Nach Stefan-Boltzmann gilt für einen schwarzen Körper:

W = ∫ W d

λ ^{= σ * T}

W = Strahlungsleistung pro Flächeneinheit (Strahldichte, Intensität) in W/cm

W

= spektrale Strahldichte bezogen auf die Wellenlänge in W/cm

µm

σ = Stefan-Boltzmann-Konstante = 5,6697*10

Wcm

K

λ = Wellenlänge der Strahlung in µm

T = absolute Temperatur des schwarzen Körpers in K

Wird die Strahlungsleistung gemessen, kann daraus also die Temperatur des Körpers berechnet wer- den.

Dieser einfache Zusammenhang wird in der praktischen Anwendung komplizierter, weil einerseits die meisten technischen Objekte keine „schwarzen Körper“ sind, also Strahlung auch reflektieren bzw.

durchlassen (und damit ein geringeres Emissionsvermögen haben als schwarze Körper) und anderer- seits die meßbare Strahlung eines Objektes durch Umgebungseinflüsse verfälscht wird (z.B. durch teilweise Absorption in der Luft).

Zur Messung kann nur der Wellenlängenbereich von 0,7 µm bis 20 µm genutzt werden, weil die Detektoren bei größeren Wellenlängen nicht empfindlich genug sind. Grundsätzlich eignet sich der kurzwellige Bereich eher zur Messung hoher Temperaturen, der langwellige für tiefe Temperaturen.

Der Bereich wird in der Regel durch selektive Filter weiter eingeschränkt, um Meßfehler und Umge- bungseinflüsse zu vermeiden, z.B.:

• im Bereich 8 -14 µm werden Einflüsse der Luftfeuchte (Absorption der IR-Strahlung) auch über größere Entfernungen ausgeschlossen (3. atmosphärisches Fenster)

• bei 5,1 µm ist Glas IR-undurchlässig

• bei 1 bis 4 µm kann durch ein Glasfenster hindurch gemessen werden

• bei 3,43 µm und 7,9 µm können dünne Kunststoff-Folien gemessen werden, die sonst IR-durchläs- sig sind

• bei 3,86 µm werden Interferenzen mit CO

und Wasserdampf (in Flammen, Verbrennungsabgasen) unterdrückt (2. atmosphärisches Fenster von 3,2 - 4,3 µm)

Da reale Objekte keine „schwarzen Körper“ sind, ergibt die Auswertung der Messung nach der o.a.

Gleichung nicht die wahre Körpertemperatur an sondern die „schwarze Temperatur“, also die Tempe- ratur, die ein „schwarzer Körper“ hätte, wenn er dieselbe Energie abstrahlen würde wie das reale Objekt. Zur Korrektur wird der Emissionsfaktor der Objektoberfläche benötigt, d.h. das Verhältnis der thermischen Strahlung, die das reale Objekt und ein „schwarzer Körper“ bei gleicher Temperatur abgeben.

Der Emissionsfaktor ist sowohl vom Material, von der Wellenlänge als auch von der Temperatur und der Oberflächenbeschaffenheit (Rauhigkeit, Reflexionsvermögen) abhängig. Die Farbe der

Oberfläche spielt keine Rolle, sofern das Farbmaterial nicht deutlich vom Grundmaterial abweicht (bei Metallic-Lackierungen mit Al-Partikeln ist das allerdings der Fall). Starkes Reflexionsverhalten (polierte Oberfläche) hat immer einen geringeren Emissionsfaktor zur Folge als eine rauhe Oberfläche des gleichen Materials.

Je geringer die zur Messung benutzte Bandbreite (Frequenzbereich) der Filter ist, desto geringer ist auch der Einfluß des Emissionsfaktors auf das Ergebnis. So reicht dann häufig die Annahme eines konstanten Emissionsfaktors von 0,90±0,05 bei den meisten undurchsichtigen, nicht-metallischen Materialien für eine Meßgenauigkeit von 1 bis 2% aus. Nicht-oxidierte metallische Werkstoffe haben Emissionsfaktoren im Bereich von 0,2 bis 0,5 , bei Gold, Silber und Aluminium liegt der Wert bei 0,02 bis 0,05.

Der Emissionsfaktor für ein zu messendes Objekt kann Tabellenwerken entnommen, oder durch eine

Vergleichsmessung ermittelt werden. Dazu wird die Temperatur des Meßobjekts mit einem anderen

Temperaturfühler gemessen und der Emissionsfaktor am IR-Thermometer so eingestellt, daß sich die

gleiche Temperaturanzeige ergibt.

Zu beachten ist bei der Messung unbedingt, daß bei einem optischen Messverfahren ein Strahlengang wie bei einer Linse auftritt. Mit wachsendem Abstand des Messgerätes vom Messobjekt wird daher der Messfleck zunehmend größer, d.h. kleine Objekte müssen mit geringem Messabstand (einige cm) gemessen werden.

3. Rechnergestützte Messdatenerfassung (Data Acquisition DAQ)

Umfangreiche Meßaufgaben sind besonders rationell zu erledigen, indem die Meßwerte nicht notiert oder mit einem Schreiber aufgezeichnet, sondern direkt in einen Rechner, z.B. in einen PC, übernom- men werden.

Damit kann die Auswertung sowohl quantitativ (Umfang der zu berücksichtigenden Meßwerte) als auch qualitativ (spezielle Auswerteformeln, Ausgleichsrechnung, Statistik, Datenanalyse z.B. Fourier, Fuzzy, Neuronale Netze) effektiv und schnell erledigt werden. Es besteht auch die Möglichkeit, glei- tende Mittelwerte zu bilden oder Analysen von Teildaten noch während der Messung durchzuführen und so Meßfehler und Probleme rechtzeitig zu erkennen.

Die messtechnische Entwicklung geht in die Richtung, keine speziellen Meßgeräte mehr einzusetzen.

Der (digitale) Sensor wird direkt am Rechner angeschlossen, das passende Meßgerät wird per Software nachgebildet (virtuelle Meßgeräte).

Die Datenübernahme vom Sensor oder Messgerät erfordert eine freie Schnittstelle im Rechner.

Unter dem Begriff "Schnittstelle" wird allgemein sowohl die reine Hardware (Kabelverbindung, Stec- ker, Anschlußbuchsen) als auch das dazugehörige Datenübertragungsprotokoll (Schnittstellenproto- koll) verstanden. Dieses Protokoll ist eine Vereinbarung, die Anzahl und Art der zu übertragenden Signale, die Reihenfolge der Signale, Anzahl und Art der Prüfzeichen usw. festlegt. Realisiert wird das Protokoll durch ein Stück Software oder Firmware, was die Datenübertragung steuert.

(Hinweis: Weit verbreitet in der Meßtechnik ist die Datenübertragung nach dem HART (Highway Adressable Remote Transducer)-Protokoll, wobei dem analogen Meßsignal des Sensors ein digitales Signal zur Kommunikation überlagert wird. Neuere Sensor- und Feldgeräteentwicklungen ersetzen die Analogsignale vollständig durch busfähige Digitalsignale, indem ein Sensor mit digitalem Ausgangssignal eingesetzt (Beispiel Quarzsensor) oder das zunächst analoge Signal direkt am Sensor durch einen Meßumformer digitalisiert wird).

Es ist möglich, für den Meßgeräte- oder Sensoranschluß

• eine Standard-Schnittstelle (seriell, parallel, USB, Firewire) des Rechners zu nutzen oder

• eine spezielle Schnittstellenkarte nachzurüsten.

Serielle Schnittstelle: Die einzelnen bit einen Datenwortes werden nacheinander über nur eine Signalleitung übertragen (Beispiel: PC-Mouse).

Parallele Schnittstelle: Die einzelnen bit eines Datenwortes werden gleichzeitig über verschiedene Signalleitungen übertragen (Beispiel: Drucker).=> Datenübertragung ist deutlich schneller.

(Hinweis: ein Datenwort hat mindestens 8 bit, bei höheren Genauigkeitsanforderungen 12, 16 oder mehr bit).

Für alle Standard-Schnittstellen am Rechner müssen die einzulesenden Signale in digitaler Form vorliegen. Analoge Daten (z.B. 0...10 V Spannung oder 0 ..20 mA Strom) können nicht direkt über eine Standard-Schnittstelle eingelesen werden. Sie müssen zunächst mit einem A/D-Wandler in digitale Form überführt werden. Das kann in einem Meßgerät (mit digitalem Ausgang), in einem speziellen Meßwertübertrager/Meßwertumformer (Transmitter) oder mit einer A/D-Wandlerkarte geschehen, die in den Rechner eingesetzt wird.

(Hinweis: Messwertübertrager/-umformer mit Intelligenz, d.h. eigener Prozessorleistung, werden als SMART-Transmit- ter bezeichnet. Sie erlauben eine Vorverarbeitung der Meßwerte und Steuerung der Meßgeräte, ohne den Rechner zu belasten. Damit kann die Leistungsfähigkeit der Meßwerterfassung deutlich verbessert werden. Die Zusatzbezeichnung

"SMART" hat sich in der Meßtechnik für alle Arten von Geräten eingebürgert, die über eigene Intelligenz verfügen).

Außerdem wird eine Software benötigt, die das Datenmanagement, d.h. das Anfordern und Einlesen der Daten, sowie das Abspeichern auf der Platte oder einer Diskette sowie die Auswertung bewerk- stelligt. Je nach Einsatzfall ist auch eine Steuerung des Meßgerätes (z.B. Start einer Messung,

Umschalten des Meßbereiches, Meßwerte übertragen, Ende der Messung) vom Rechner her über diese Software möglich oder nötig.

Solche Meßwerterfassungs-Software ist in einer Vielzahl von Versionen, meist schon mit grafischer Benutzeroberfläche, als Standard auf dem Markt erhältlich (LabVIEW, Lab Windows, HP-VEE, signalys, FlexPro, DataEngine, ASYST, VIEWDAC, EASYEST, DAGO, Labtech Notebook, Net- DAQ, DASYLab, DADiSP, ProVIEW, TestPoint, Virtual Bench, Visual Designer, u.s.w.).

Grundsätzlich ist beim Anschluß von Meßsystemen an den PC zu unterscheiden, ob

• eine Punkt-zu-Punkt Verbindung vom Sensor oder Meßgerät zum Rechner oder

• ein Bus-System (Mehrpunkt-Verbindung) für die Meßdatenerfassung gewählt wird.

Die einfache Punkt-zu-Punkt-Verbindung erlaubt zunächst nur den Anschluß eines Messgerä- tes/Sensors. Durch Einsatz eines Multiplexers kann die Schnittstelle vervielfacht werden. Der

Multiplexer als eigenes Gerät benötigt eine zusätzliche Steuersoftware, alle Meßgeräte und Sensoren sind über eigene Kabel anzuschließen. Die Standardschnittstellen (seriell V24, parallel, Firewire) des Rechners eignen sich nur für Punkt-zu-Punkt Verbindungen.

An einen Bus (technisch ein Kabel mit einer zusätzlichen Rechnerschnittstelle) können mehrere Geräte

angeschlossen werden, deren Meßdaten alle über die eine Kabelverbindung übertragen werden. Dies vereinfacht und verbilligt den Aufwand zum Anschluß aller Meß- und Steuerelemente an einen zentralen Leitrechner erheblich. Die Bus-Software steuert die Datenübertragung, so daß sich die Geräte nicht

gegenseitig stören. Intelligente Meßsysteme (SMART) können auch direkt miteinander über den Bus kommunizieren.

Die Standardschnittstelle USB (Universal Serial Bus) des PC stellt einen solchen Busanschluß dar, ist allerdings wegen der seriellen Arbeitsweise nicht für hohe Datenübertragungsraten bei vielen gleich- zeitig arbeitenden Geräten geeignet.

Häufig zur Meßwerterfassung eingesetzte Schnittstellen/Datenübertragungssysteme:

V.24

sehr einfache kostengünstige Verbindung zwischen Meßgerät und Computer; serielle Standard- Schnittstelle am PC; Bezeichnung nach amerikanischem E/A-Standard RS 232C für Übertragungen bis 19200 Baud (bit/sec). Die RS 232C Schnittstelle wurde mit unwesentlichen Änderungen

übernommen

und in Europa als V.24 Schnittstelle bezeichnet.

Nachteil: niedrige Übertragungsgeschwindigkeit, nur ein Gerät anschließbar, keine direkte Bus-Struk- tur möglich, Kabellänge max.15 m,

Vorteil: größere Entfernungen durch einfache Umsetzer auf Stromschnittstelle realisierbar, 2-Draht- Leitung; wird auch als Schnittstelle für den Anschluß von Bus-Systemen benutzt.

RS 485

Meßumformer bzw. Endgeräte im Industriebereich werden oft mit Intelligenz (eigene Prozessorleis- tung) und RS 485 Schnittstelle ausgerüstet, die hardwareseitig die serielle V.24 Schnittstelle am PC nutzt. Über die Schnittstellensoftware kann ein Bussystem für 32, mit Repeater auch für 64 bis 256 Geräte aufgebaut werden. RS 485 wird genutzt z.B. beim Profibus, CAN, Bitbus, DIN Meßbus, Rack- bus oder dem InterBus S.

Vorteil: Buslänge bis 1200m, 2-Draht-Leitung, hohe Übertragungsgeschwindigkeit (insbes. bei kurzen Leitungen)

IEC-Bus

am meisten verbreitetes Verbindungssystem von Meßgeräten zum Computer; parallele Schnittstelle;

spezielle Schnittstellenkarte im Rechner notwendig.

Der IEC 625 Bus, auch HP-IB (HP-Interface Bus), GPIB (General Purpose Interface Bus) oder IEEE 488 Bus genannt, ist ein von der Firma Hewlett Packard entwickeltes, 1975 von der IEEE* genormtes Bussystem. Innerhalb eines IEEE Bus Systems können min.16 Geräte betrieben werden (15

Meßgeräte und der PC als Bus-Controller) oder mehr, je nach Busausbau.

Vorteil: sehr hohe Übertragungsgeschwindigkeit durch parallele Schnittstelle Nachteil: nur kurze Buslänge zulässig, teure Hardware

* IEEE = Institute of Electric and Electronic Engineers, amerikan. Normungsbehörde

Für den Feldbereich, d,h, die Kommunikation von Meß- und Automatisierungsgeräten beliebiger Hersteller(!) an der Anlage („im Feld“) und mit der Leitwarte existieren heute mehr als 60 hersteller- spezifische Bussysteme, z.B. ASI (Aktor Sensor-Interface), Bitbus, CAN (Control Area Network), DIN-Meßbus, FIP (Factory Instrumentation Protocol), InterBus S, MODBUS, Rackbus, Profibus (Process

Field Bus), DeviceNet, ARCNET, FOUNDATION Fieldbus, Industrial ETHERNET, S-Net, LON (Local Operating Network), Sensor Loop, P-Net, ATM (Asynchronous Transfer Mode), ....

Der Einsatz dieser Feldbussysteme führt jedoch oftmals zu Insellösungen oder mehreren miteinander gekoppelten Netzen, die untereinander nicht kompatibel sind, bzw. die nicht immer erlauben, Geräte oder Steuerungen verschiedener Hersteller an einen Bus anzuschließen.

In den Feldbusnormen DIN 19245 und DIN EN 61158 sind zwar Vereinbarungen getroffen, um das Schnittstellenprotokoll vollständig und eindeutig zu beschreiben, doch ist die Anwendung dieser Normen nicht vorgeschrieben.

Gängige Feldbussysteme zum Messen und Regeln in der Verfahrenstechnik:

ASI (Aktor Sensor-Interface)

entwickelt vom ASI Verein, zunächst binärer Feldbus der untersten Ebene für die Automation, jetzt auch Anwendung in der Prozeßtechnik mit Übertragung digitalisierter Analogwerte und Ex-Schutz, verwendet u.a. von SIEMENS, FESTO, PEPPERL & FUCHS, SCHNEIDER Automation, 2-Draht- Leitung ungeschirmt, max. 100m, max. 31 Geräte, Baumstruktur

DIN-Meßbus

In DIN 66348 genormtes Schnittstellenprotokoll, entwickelt von Hochschulen mit der PTB, Konkur- renzentwicklung zum PROFIBUS mit ähnlichen Eigenschaften, erfüllt Bauartzulassung für

eichpflichtige Geräte, aber bewußt einfach gehalten und jedermann, auch kleineren Firmen,

zugänglich, RS 485-Schnittstelle, max. 500m, max. 3 Geräte pro Bus, 2 Bus gleichzeitig unterstützt, Gerätetreiber nicht in allen Softwarepaketen erhältlich

PROFIBUS (PROcess FIeld BUS)

von der PROFIBUS Nutzerorganisation entwickelt, entspricht DIN 19245 T4, verwendet von

SIEMENS, BOSCH, FESTO, KLÖCKNER-MÖLLER, PEPPERL & FUCHS, SCHNEIDER, RS 485-Schnittstelle, Linienstruktur, geschirmte 2-Draht-Leitung verdrillt geschirmt, max. 1200m

(1900m bei Typ PA), max. 126 Geräte, eigensichere Variante für die Prozeßtechnik PROFIBUS PA mit 32 Teilnehmern und niedrigerer Datenrate

InterBus-S

entwickelt von Phoenix Contact, Sensor-Aktor-Bus nach DIN 19258, überträgt digitale und analoge Informationen über eine Ringstruktur, 5-adriges (InterBus-Fernbus) oder 2-adriges ungeschirmtes (InterBus-Loop) Kabel paarweise verdrillt, RS 485-Schnittstelle, sehr hohe Datenrate, 1200 m bis 13 km, max. 255 Geräte, unterstützt von AEG, BOSCH, KLÖCKNER-MÖLLER, SIEMENS.

MODBUS Plus

entwickelt von Herstellern von Prozeßleitsystemen, verwendet von AEG, SCHNEIDER, 2-Draht-Lei- tung verdrillt, Linienstruktur, RS 485-Schnittstelle, max. 500 m, max. 32 Geräte je Segment

Rackbus

entwickelt und verwendet von ENDRESS+HAUSER, RS 485-Schnittstelle, max. 1200m, max. 64

Geräte, sehr große Palette von unterstützten Sensoren.

Industrial Ethernet

Entwickelt von Siemens, Erweiterung des für die Rechnerkopplung verwendeten Ethernet, Linien- Ring-Stern-Struktur, max. 100 Teilnehmer je Segment, Koaxialkabel mit doppelter Schirmung, max.

500 m ohne Repeater, 4 km mit Sternkoppler 4. Literatur

1 VDI 3511 Technische Temperaturmessungen

2 VDI 3512 Bl.2 Meßanordnungen für Temperaturmessungen 3 VDI 3522 Zeitverhalten von Berührungsthermometern

4 DIN 43710 Grundwerte der Thermospannungen für Thermopaare U u. L 5 DIN 43760 Grundwerte für Nickel-Meßwiderstände

6 DIN 43732 Thermopaare für Thermoelemente 7 DIN 16160 Thermometer

8 DIN 12770 Flüssigkeits-Glasthermometer

9 DIN 12775 Laborthermometer, Skalenwerte 0,1°C, 0,2°C und 0,5°C

10 DIN EN 60751 Platin-Widerstandsthermometer und Platin-Meßwiderstände 11 DIN EN 60584 Grundwerte d. Thermospannungen u. Grenzabweichungen 12 DIN 19245 Messen, Steuern, Regeln - PROFIBUS

13 DIN EN 61158 Feldbus für industrielle Leitsysteme 14 DIN EN 50170 Universelles Feldkommunikationssystem

15 Profos, P.(Hrsgb.): Handbuch der industriellen Meßtechnik, Oldenbourg Verlag 16 Mesch, F.: Meßtechnisches Praktikum, BI-Hochschultaschenbuch Nr.736/736a

17 Hengstenberg, J., et al.: Messen und Regeln in der chemischen Industrie, Springer Verlag, Berlin 18 Körtvelyessy, L.: Thermoelement Praxis, Vulkan Verlag, Essen

19 Schumny, H.: PC in Labor, Versuchs- und Prüffeld, Springer Verlag, Berlin 20 Preuß, L., Musa, H.: Computer-Schnittstellen, Hanser Verlag, München 21 Maier, H., Piotrowski, A.: Messen, Steuern, Regeln mit PC, Interest Verlag 22 o.V.: Software für die Meßtechnik, Messen, Sept.1988

23 Weber,H.: Rechnergestützte Meßverfahren, Vogel Verlag

24 Schnell, G.: Bussysteme in der Automatisierungs- und Prozeßtechnik, Vieweg 25 Endress+Hauser Meßtechnik (Hrsgb.): Kommunikation für die Verfahrenstechnik 26 Merz, L.: Grundkurs der Meßtechnik Teil II, Oldenbourg Verlag,

27 Strohrmann, G.: Meßtechnik im Chemiebetrieb, Oldenbourg Verlag 28 Schöne, A.: Meßtechnik, Springer Verlag

29 Berndt, H..; Kainka, B.: Messen, Steuern und Regeln mit WORD und EXCEL, Franzis Verlag 30 Jüttemann, H.: Einführung in das elektrische Messen nichtelektrischer Größen, VDI Verlag 5. Aufgabenstellung

5.1 Messung

Als Meßfühler stehen in der Meßstelle zur Verfügung:

• 3 FeKonst-Thermoelemente (nach DIN 43 710). Die Thermoelemente 1 und 2 stammen aus dersel- ben Charge.

Als Vergleichsstelle dient ein Dewar-Gefäß mit Wasser von Raumtemperatur. Die Thermospannung wird mit einem Multimeter gemessen. Die Temperaturen der Vergleichsstelle können mit einem Glasthermometer und einem Schwingquarzthermometer kontrolliert werden.

Thermoelement 3 ist in Sparschaltung oder mit einem Vergleichsstellenkompensator (Bezugstemperatur 0°C) zu betreiben.

• ein Widerstandsthermometer Pt 100 (nach DIN 43760),

• ein NTC (Heißleiter)

• ein PTC (Kaltleiter)

Die elektrischen Widerstände werden mit einem Multimeter ermittelt.

• ein Schwingquarzmeßsystem

• ein Präzisions-Labor(-glas-)thermometer

Die Meßstelle wird mit einem Thermostaten auf Temperaturen im Bereich 10°C bis 80°C eingestellt.

Die Meßwerte werden on-line in einen PC übertragen bzw. eingegeben und dort im Excel-Format abgespeichert. Der Meßvorgang wird über den PC gesteuert.

Alle Meßwerte sind noch während der Messung auf Plausibilität zu überprüfen, damit Fehler erkannt und die betreffende Meßreihe notfalls wiederholt werden kann.

Zu Beginn der Übung ist ein Meßprogramm aufzustellen, um die zu untersuchenden

Temperaturmeßsysteme hinsichtlich ihrer Einsatzmöglichkeiten und ihrer Genauigkeit zu ver- gleichen. Dieses Programm (=> was soll/muß bei welcher Temperatur gemessen werden?) ist Grundlage der Messung und der Auswertung.

Berücksichtigen Sie bei der Auswahl der Meßpunkte die Temperaturbereiche besonders, in denen stärkere Änderungen der Kalibrierkurven zu erwarten sind!

5.2 Auswertung

Allgemeine Aussagen aus dem Umdruck sollen in der Ausarbeitung nicht wiederholt werden.

(Hinweis: Prüfen Sie Ihnen zugängliche Vorlagen –auch im Internet - auf Übereinstimmung mit dem von Ihnen gewählten Messprogramm und dem heutigen Versuchsaufbau! )

Achten Sie bei Ihren Ausführungen auf die unterschiedlichen Bedeutungen der Begriffe

„Fehler“, „Genauigkeit“, „Auflösung“, „Toleranz“.

Achten Sie bei den Diagrammen darauf, daß eine Ausgleichskurve durch die Meßpunkte gelegt wird, nicht einfach die Punkte verbinden!

Die Ausarbeitung soll enthalten:

1. kurze Beschreibung und Begründung des Meßprogrammes (Wahl der Temperaturen)

2. Skizze des Versuchsaufbaus (Geräteparameter notieren, z.B. Eintauchtiefe der Thermometer, Kabellänge bei Widerständen, Zwei- oder Vierleiteranschluß, usw.)

3. Original- Meßprotokoll (Rechner-Ausdruck).

4. Zusammenstellung aller ermittelten Temperaturwerte für die Meßstelle in einer Tabelle (Angaben der Meßstellentemperatur in °C, keine Differenzangaben gegen die Vergleichsstelle!).

5. Graphische Darstellung der in Ihrem Meßprogramm aufgenommenen Meßergebnisse R = f(T) von Pt 100, NTC und PTC . Tragen Sie zusätzlich die Kennlinie nach Norm DIN 43 760 ein!

6. Bestimmung der Größen A und B in der Näherungsgleichung für den Widerstand des Heißleiters R = A*eB/T

Einzeichnen der so berechneten Kurve R = f(T) in die Grafik nach 5.

7. Diagramm der gemessenen Kalibrierkurven U = f(T) der Thermoelemente 1 bis 3 (Thermoelement 3 mit und ohne Kompensation) , ( Achtung: Bezugstemperatur nach DIN und Vergleichsstellentemperatur beachten; Korrektur ! ). Wozu werde Kalbrierkurven benötigt? Was sind „Kennlinien“?

8. Darstellung der Abweichungen der Kalibrierkurven von der Normkennlinie nach DIN 43710 als Funktion der Meßstellentemperatur. Zulässige Toleranz nach Norm in die Darstellung eintragen!

9. Rechnerische Abschätzung der Größe der Fadenkorrektur für den ungünstigsten Fall.

Ist der Fehler zu beachten oder von vernachlässigbarer Größenordnung?

10. Rechnerische Abschätzung des Einflusses der Zuleitungen bei der Widerstandsmessung, sofern

eine Zweileiterschaltung verwendet wurde. Ist der Fehler vernachlässigbar?

11. Nennen Sie Gründe, die für die Abweichung der Kennlinien der Thermoelemente von der Normkurve in unserem Versuch (nicht: rein theoretisch!) maßgebend sein könnten.

Welche Folgen hat es für einen Meßeinsatz, wenn die Kennlinie eines Meßaufnehmers von der entsprechenden Normkurve abweicht?

12. Nennen Sie Gründe, die für die unterschiedlichen Meßergebnisse (der Meßstellentemperatur mit den verschiedenen Sensoren) in unserem Versuch maßgebend sein können. Gehen Sie dabei systematisch vor:

a-Fehler der Sensoren b-Fehler infolge der Meßfühleranordnung

c-Fehler der Meßwertübertragung d-Fehler der Meßgeräte bzw. der Auswertegeräte