und PROZEßSIMULATION
Industrielle Temperaturmessung I+II University of Applied Sciences
0.Ziel und Zweck
Druck und Temperatur sind Zustandsgrößen, die in der Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und der (konventionellen und alternativen) Energieerzeugung zur Prozessführung häufig gemessen werden. Als Beispiel für die Anwendung und die Probleme der Meßtechnik in diesen Branchen soll die Temperaturmessung näher untersucht werden.
Für den Einsatz in einer technischen Anlage sind folgende Informationen zu den verschiedenen indus-triellen Temperaturmeßsystemen wichtig, die auch in der Übung erarbeitet werden sollen:
• Bauweise und Abmessungen der Sensoren (Meßfühler), Einbaumöglichkeiten,
• Einsatzbedingungen (zulässige Drücke und Temperaturen), Meßbereiche, Störeinflüsse, • Berührungs- oder berührungslose Meßsysteme, Dynamik der Meßsysteme (Zeitverhalten), • Meßwertübertragung, Auswerteverfahren, Korrekturen, Kalibrierung, Eichung
• Fehlereinflüsse, Auflösung und erzielbare Genauigkeit der Temperaturmessungen.
Lernziel: Verschaffen Sie sich einen Einblick in den Aufbau, die Einsatzweise, die Genauigkeit, die
Fehler- und Korrekturmöglichkeiten, die Auswertemöglichkeiten der verschiedenen Temperaturmeß- systeme. Dazu messen Sie vorgegebene Temperaturen mit den verschiedenen Sensoren und werten die Ergebnisse normgerecht aus (lesen Sie dazu Kapitel 5 vor dem Versuch!).
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 (nicht immer lineare) Beziehung, so z.B. mit den Größen
• Länge, Volumen, Dichte • Druck
• Elektrische Kontaktspannungen bzw. Ladungsverteilung • Elektrischer Widerstand, Strom-Spannungs-Kennlinie • Magnetischer Widerstand
• Elektrisches Rauschen • Emission von Strahlung
• Lichtbrechung, Lichtabsorption, Reflexion • Aggregatzustand bzw. Kristallstruktur
• Schwingungsverhalten (Resonanz, Eigenfrequenz, Dämpfung) • Schallgeschwindigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Dielektrizitätskonstante
Zur Festlegung einer allgemeingültigen Temperaturskala sind diese Größen aber wenig geeignet, weil die Zusammenhänge stoffspezifisch sind.
Thermodynamisch wird die Temperatur T daher über den Wirkungsgrad eines idealen Carnot-Prozesses definiert. Da Wärmemengen Q als eine Form der Energie prinzipiell meßbar sind, ist der Temperaturwert damit bis auf einen Proportionalitätsfaktor α bestimmbar (Hinweis: im Wirkungsgrad hebt sich α im Zähler und Nenner heraus, es bleiben nur Temperaturen übrig):
Q = α*(T2-T1) ==> T2-T1 = Q/α ==> η = 1- T 2/T1 = 1 – Qab/Qzu
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 technische Temperaturmessungen eignet sich die o.a. Definition wegen der aufwendigen Meß-technik und der nicht immer idealen Prozessbedingungen wenig.
Die thermodynamische Temperaturskala wird daher im Labor mit geeigneten Gasthermometern aufgrund der Zustandsgleichung eines Gases bestimmt. Da einige Gase (He, H2) nahezu ideales Verhalten zeigen, kann durch Druck- und Volumenmessung bei entsprechendem Aufwand die Tem-peratur 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 die ITS zugleich gesetzliche Temperaturskala.
Thermodynamische 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 keine Fixpunkte der ITS '90!).
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 `90
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 wird in den angelsächsischen Ländern die Temperatureinheit Grad Fahrenheit [°F] benutzt: T[°C] = 5(T[°F] - 32)/9 T[°F] = (9T[°C]/5)+ 32
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 erforderliche Messunsicherheiten in der Praxis
Wie genau müssen Temperaturen in der industriellen Praxis bestimmt werden? 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. Aufgrund der Abmessungen des Sensors kann nur die über das Sensorvolumen gemittelte Temperatur angezeigt werden. 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/vom 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 des Objektes 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, Temperaturverteilung großer Flächen oder von Temperaturen über 1000°C.
Mit einem Thermometer kann die Temperatur eines Punktes gemessen werden, ein Infrarot-Scanner tastet eine größere Struktur ab (mechan. Infrarot-Scanner) oder bildet sie mit Linsensystemen ab (Infrarotkamera) und zeigt ein 2D- oder auch 3D-Bild der Temperaturverteilung.
Im Rahmen dieser Übung werden zur Messung verschiedene (nicht kompensierte) Berührungsthermo- meter eingesetzt, zum Vergleich der Meßverfahren stehen auch ein Infrarot-Thermometer und eine Infrarotkamera 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 und teilweise eintauchend kalibrierten Thermometern zu unterscheiden. Ganz eintauchend kalibrierte 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)
Tw in K bzw. °C die wahre Temperatur des zu messenden Stoffes Ta 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 TF in K bzw.°C mittlere Temperatur des herausragenden Fadens (kann mit einem
Fadenthermometer bestimmt oder geschätzt werden, z.B. (Ta + Tumg)/2)).
Der Faktor k hängt von der thermometrischen Flüssigkeit und in geringem Maße auch von der Glas-sorte ab. Für die wichtigsten Thermometerflüssigkeiten 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), die Auflösung beträgt meist 0,1°C.
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 Uth (Thermospannung) zwischen den beiden Leiterenden:
Utho =
∫
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*ΔT
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 sich möglichst stark unterscheiden. 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 wenig 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 entsprechende Kalibrierkurve erst erstellt werden.
Hat die Vergleichsstelle bei der Messung die gleiche Temperatur wie die Bezugstemperatur der Normtabelle (= Vergleichsstellentemperatur der Norm oder bei der Kalibrierung), kann die gesuchte Temperatur unmittelbar der Kalibriertabelle/-kurve entnommen werden. Weicht dagegen die
Vergleichsstellentemperatur bei der Messung von der Bezugstemperatur ab, ist die gemessene
Thermospannung zu berichtigen, bevor eine Kalibriertabelle (Norm) bzw. Kalibrierkurve angewendet wird:
Uth = Utha + ΔUth = Utha + c*(TVergl - TBezug) Uth = korrigierte Thermospannung
Utha = gemessene Thermospannung (abgelesener Wert)
c = mittl. c-Wert (mittl. Steigung der Kalibrierkurve) zwischen TVergl und TBezug ,z.B. in mV/°C TVergl = Vergleichsstellentemperatur bei der Messung
TBezug = Bezugstemperatur (= Vergleichsstellentemperatur der Kalibriertabelle)
Konstanten, sondern selbst wieder temperaturabhängig. Dadurch wird die Kennlinie der Thermoele- mente 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 Tempera- turen. Für eine bestimmte Temperaturdifferenz ergeben sich deshalb je nach Höhe der Vergleichs- stellentemperatur verschiedene Thermospannungen.
Beispiel (s. Norm-Tabelle für Fe-Konst. im Anhang):
bei jeweils 10°C Differenz zwischen Meß- und Vergleichsstelle ist zwischen 0°C und 10°C die messbare Thermospannung = 0,52 mV zwischen 200°C und 210°C die messbare Thermospannung = 0,56 mV zwischen 800°C und 810°C die messbare 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 Klasse 2 ______________________________________________ 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 beträgt einige MΩ, damit der Spannungs-abfall in den Zuleitungen klein bleibt und sich das Thermoelement durch den Meßstrom nicht
erwärmt (Hinweis: bei einer Thermospannung von 1 mV und einem Messgerätewiderstand von 1 MΩ ist der Messstrom 1 nA). 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 Bild 8a.), wird die Vergleichsstelle ( = anderes Ende des Leiters bzw. zweite Verbindungsstelle der beiden Leitermaterialien) physisch an die Anschlußklemmen des Meßgerätes 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 daher nur für überschlägige Messungen geeignet.
hinderlich; eine zentrale Vergleichsstelle (z.B. in der Meßwarte) erfordert lange, teure und störanfällige Kabelverbindungen.
Die Probleme können umgangen werden (Schaltung Bild 8g.), 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 er die passende Spannung erzeugt.
Die Genauigkeit der Kompensation (nicht der Temperaturmessung insgesamt!), also der Unterschied zwischen einer Kompensations- 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 T0 = 0°C
K1, K2 = Materialkonstanten
Bei kleinen Temperaturänderungen ΔT <10 K gilt folgende Näherung: RT = Ro(1 + αΔT) Î ΔT = (RT/R0 –1)/α
α = mittlerer Temperaturbeiwert des elektr. Widerstandes [1/K] im Temperaturbereich ΔT
Als R0 wird meist 100 Ω verwendet (Pt 100), aber auch andere Werte sind möglich (Pt 1000, Pt 400).
Material Verwendungsbereich α0 (für T0 = 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. Mit zunehmender
Verkleinerung der Sensoren spielen die Materialkosten keine entscheidende Rolle mehr.
Halbleiter-Widerstandsthermometer (Thermistoren) werden wegen ihres höheren Temperaturbeiwer-tes α 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 Î T = B/ln(R/A)
R = Widerstand in Ω T = absolute Temperatur in K A,B = Materialkonstanten
Neben "Heißleitern" auf Metalloxidbasis werden auch "Kaltleiter" angeboten, die meist aus halbleitender ferroelektrischer Keramik bestehen. Kaltleiter haben einen positiven Temperatur- koeffizienten (= 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 das 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 ΔU am Widerstand (s. Bild 10). Der Widerstand der Zuleitungen hat daher keinen Einfluß auf das Meßergebnis. Es gilt das Ohm’sche Gesetz : R = ΔU/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 0,30 + 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 würde (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 (Hinweis: die in Wärme umgesetzte Verlustleistung P = R*I2
beträgt dann nur 0,01 W), üblich sind Messgeräte mit 0,4 mA (also Verlustleistung 0,00016 W). Damit bleibt der Erwärmungsfehler deutlich unter den oben angegebenen Toleranzen.
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.
Eine neuere Entwick-lung sind Temperatur IC. Dabei befinden sich der Temperat sensor, die Messwert-verarbeitung,
gegebenenfalls die Digitalisierung (A/D-Wandler) und die Kommunikations-schnit
ratursensor werden dabei Halbleiterwiderstände, Dioden oder Transistoren (Abhängigkeit der Diodenspannung oder der Basis-Emitter-Spannung von
ur-
tstelle gemein- e
der Temperatur→ BandGap Sensor) verwendet. Der Einsatz solcher IC zur Temperatur-essung und –regelung von Prozessoren (z.B. im PC). Nachteilig ist der eingeschränkte
und der Temperaturempfindlichkeit des IC. sam auf einem IC. Als Temp
erfolgt zur Temperaturmessung auf Platinen und in elektron. Schaltungen sowie m
2.4 Schwingquarzthermometer
Die elektrische Temperaturmeßtechnik (Widerstandsthermometer, Thermoelemente) stützt sich noch hauptsächlich auf Sensoren mit analogem Ausgangssignal (Spannungen, Ströme, Widerstände). Analoge Meßgrößen erfordern bei hohen Ansprüchen an die Genauigkeit einen großen Aufwand au der Meßgeräteseite und sind durch interne und externe Störquellen leicht beeinflußbar, wobei sich Nutz- und Störsignal manchmal nur schwer unterscheiden lassen (die Th
f ermospannung beträgt z.B.
in arz-Sensor. In Bild 9 werden die wesentlichen ehlereinflüsse bei der Messung mit Widerstandsthermometern und mit Quarzmeßsystemen in ihrer
alb e
in tem eratur 16,75 Hz und steigt mit der Temperatur stark an. Die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz fR von der
o o
erden us dieser Gleichung kann, wenn die α bekannt sind, zu einer gemessenen Frequenz f die
m Dicke (Bild 7). Die st
lung des uarzes gesichert wird. Die Systemgenauigkeit (Sensor+Übertragungsleitung+Auswerteelektronik)
as dynamische Verhalten ist mit dem üblicher Widerstandsthermometer vergleichbar, d.h. des Sensors ergeben sich Zeitkonstanten im Sekundenbereich.
en Menschen ungefährlich und ann mit verschiedenen Infrarotdetektoren (Halbleiter wie HgCdTe, PbSnTe, InSb, Thermoelement-
5 ers steigt die ungsgesetz).
inweis: im Bereich des sichtbaren Lichtes ist dieser Frequenzänderungseffekt auch bekannt; ein Metallstück erscheint eiß).
häufig nur einige µV, nie mehr als einige mV). Ein Ausweg ist der Einsatz von zusätzlichen Meßum- formern, die das Analogsignal direkt an der Messstelle digitalisieren.
Dagegen besitzen Sensoren mit frequenz-analogem oder digitalem Ausgangssignal den Vorteil der einfachen Meßtechnik durch Impulszählung. Da die Information nicht in der Amplitude sondern der Frequenz (bzw. der Periodendauer) des Signals enthalten ist, ergibt sich eine höhere elektrische Störsicherheit. Ein solches Meßsystem ist der Qu
F
Größenordnung beispielhaft gegenübergestellt.
Ausgangsmaterial der Quarz-Temperatursensoren ist synthetischer kristalliner Quarz, der unterh der Curie-Temperatur von 573°C piezoelektrische Eigenschaften zeigt. Oberhalb 573°C erfolgt di 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 Resonanz. Bei dem verwendeten Meßquarz beträgt die Resonanzfrequenz bei Raum p
M
Temperatur T ist nichtlinear (Bild 6) und läßt sich durch ein Polynom beschreiben:
f = Bezugsfrequenz bei Bezugstemperatur T fR(T) = fo⋅[1 + Σαi⋅(T-To)i] α i = Faktoren, die aus der Kennlinie bestimmt w
A i R
zugehörige Temperatur T errechnet werden, d.h. die primäre Meßgröße ist die Resonanzfrequenz. Der Sensor besteht aus einer runden Quarzscheibe von 4,5 mm ø und 0,1 m
Dauer eines Meßzyklus beträgt 1s, d.h. alle 1s wird ein neuer Meßwert geliefert. Die Meßdauer selb ist 0,5 s , 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 Vorbehand
Q
beträgt im Bereich -20°C bis +130°C ±0,1°C, im Bereich -40°C bis +300°C ±0,3°C. D
aufgrund der großen Masse 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 (IR) im Wellenlängenbereich zwischen 0,78 µm und 1 mm ist für d
k
säulen, Widerstandsthermometer (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 zeigt die Aussage des Planck´schen Gesetzes: mit steigender Temperatur des Körp
Intensität der Strahlung und das Maximum der Strahlungsintensität verschiebt sich zu kürzeren Wellenlängen λ, wobei λmax ⋅T = const. ist (Wien’sches Verschieb
(H
Nach Stefan-Boltzmann gilt für einen „schwarzen Körper“:
t Intensität) in W/cm2
ge in W/cm2μm -2K-4
h der n, der langwellige für tiefe Temperaturen.
r IR-Strahlung) auch über
st
IR-durchläs-e
llischen W =
∫
W dλ λ = σ ⋅ T4W = Strahlungsleistung pro Flächeneinheit (= S rahldichte = W = spektrale Strahldichte bezogen auλ f die Wellenlän
σ = Stefan-Boltzmann-Konstante = 5,6697*10-12 Wcm
λ = Wellenlänge der Strahlung in μm
T = absolute Temperatur des schwarzen Körpers in K
Wird die Strahlungsleistung W gemessen, kann daraus also die Temperatur des Körpers berechnet werden.
Dieser einfache Zusammenhang wird in der praktischen Anwendung komplexer, 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 andererseits 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 sic kurzwellige Bereich eher zur Messung hoher Temperature
Der Wellenlängenbereich wird in der Regel durch selektive Filter weiter eingeschränkt, um Meßfehler und Umgebungseinflüsse zu vermeiden, z.B.:
• im Bereich 8 -14 μm werden Einflüsse der Luftfeuchte (Absorption de 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 son sig sind
• bei 3,86 μm werden Interferenzen mit CO2 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 Oberfläch 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-meta
immt nur Strahlung auf, es kann also nicht „hindurchsehen“ (z.B. Temperatur hkeiten bei 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
Emissionsfaktor bei 0,01 bis 0,1.
Der Emissionsfaktor für ein zu messendes Objekt kann Tabellenwerken entnommen, oder durch eine Vergleichsmessung ermittelt werden (Hinweis: Dazu wird die Temperatur des Meßobjekts mit einem anderen Temperaturfühler gemessen und der Emissionsfaktor am IR-Thermometer so eingestellt, daß sich die gleiche Tempera-turanzeige ergibt). Der Faktor kann bei den meisten Messgeräten direkt eingegeben werden, so daß das Gerät die wahre Temperatur des Körpers anzeigt.
Grundsätzlich können auch nur Oberflächentemperaturen gemessen werden. Das Gerät sendet keine Strahlung aus sondern n
der Flüssigkeit in einer Rohrleitung), mit Ausnahme der oben erwähnten speziellen Möglic Glas oder Kunststoff.
Zu beachten ist bei der Infrarotmessung auch, daß bei einem optischen Messverfahren ein
Strahlengang wie bei einer optischen Linse auftritt. Mit wachsendem Abstand des Messgerätes vom essobjekt wird daher der Messfleck zunehmend größer (die Temperatur wird über eine größere
einige cm) gemessen werden, onst reicht der Messfleck über das Objekt hinaus und die Temperaturanzeige wird verfälscht.
t
, Datenanalyse z.B. ourier, Fuzzy, Neuronale Netze) effektiv und schnell erledigt werden. Es besteht auch die
ie meßtechnische Entwicklung geht in die Richtung, keine speziellen Meßgeräte mehr einzusetzen.
l) ,
zur Kommunikation überlagert ird. Neuere Sensor- und Feldgeräteentwicklungen ersetzen die Analogsignale vollständig durch busfähige Digitalsignale,
r) oder das zunächst analoge Signal direkt m Sensor durch einen Meßumformer digitalisiert wird (Beispiel Temperatur-IC)).
möglich, für den Meßgeräte- oder Sensoranschluß am PC
eine Standard-Schnittstelle (seriell, parallel, USB, Firewire) des Rechners zu nutzen n.
ine iedene > Datenübertragung ist deutlich schneller.
inweis: eine Zahl als Datenwort hat mindestens 8 bit, bei höheren Genauigkeitsanforderungen (= mehr Dezimalstellen)
rm n. Sie müssen zunächst
r nsmit-et. Sie erlauben eine Vorverarbeitung der Meßwerte und Steuerung der Meßgeräte, ohne den Rechner zu elasten. 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 Prozessorleistung M
Fläche gemittelt). Kleine Objekte müssen mit geringem Messabstand ( s
3. Rechnergestützte Messdatenerfassung (DAQ, Data Acquisition)
Umfangreiche Meßaufgaben sind besonders rationell zu erledigen, indem die Meßwerte nicht notier oder mit einem Schreiber aufgezeichnet, sondern direkt in einen Rechner übernommen werden. Damit kann die Auswertung sowohl quantitativ (Umfang der zu berücksichtigenden Meßwerte) als auch qualitativ (spezielle Auswerteformeln, Ausgleichsrechnung, Statistik
F
Möglichkeit, gleitende Mittelwerte zu bilden oder Analysen von Teildaten noch während der Messung durchzuführen und so Meßfehler und -probleme rechtzeitig zu erkennen.
D
Der Sensor (mit digitaler Schnittstelle) wird direkt am Rechner angeschlossen, das passende Meßgerät (z.B. Spannungs- oder Widerstandsmessung) 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, Stecker, Anschlußbuchsen) als auch das dazugehörige Datenübertragungsprotokoll (Schnittstellenprotokol 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 Proto-koll durch ein Stück Software oder Firmware, was die Datenübertragung steuert (Treiber, Driver). (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
w
indem ein Sensor mit digitalem Ausgangssignal eingesetzt (Beispiel Quarzsenso a
Es ist • oder
• eine spezielle Schnittstellenkarte nachzurüste
Serielle Schnittstelle: Die einzelnen bit einen Datenwortes werden nacheinander über nur e Signalleitung übertragen (Beispiel: PC-Maus).
Parallele Schnittstelle: Die einzelnen bit eines Datenwortes werden gleichzeitig über versch Signalleitungen übertragen (Beispiel: Drucker).=
(H
12, 16 oder mehr bit. Die serielle USB-Schnittstelle hat heute eine so hohe Datenübertragungsrate, daß sie die Parallelschnittstelle in den meisten Fällen ersetzen kann).
Für alle Standard-Schnittstellen am Rechner müssen die einzulesenden Signale in digitaler Fo vorliegen, z.B. von einem digitalen Sensor. Analoge Daten (z.B. 0...10 V Spannung oder 0 ..20 mA Strom) können nicht direkt über eine Standard-Schnittstelle eingelesen werde
mit einem A/D-Wandler in digitale Form überführt werden. Das kann in einem Meßgerät (mit digitalem Ausgang), in einem speziellen Meßwertübertrager/Meßwertumformer (Transmitter) ode mit einer A/D-Wandlerkarte geschehen, die in den Rechner eingesetzt wird.
(Hinweis: Messwertübertrager/-umformer mit Intelligenz, d.h. eigener Prozessorleistung, werden als SMART-Tra ter bezeichn
b "
Außerdem wird eine Software benötigt, die das Datenmanagement, d.h. das Anfordern und Einle der Daten, sowie das Abspeichern auf der Festplatte oder einem anderen Speichermedium sowie die sen
uswertung bewerkstelligt. Je nach Einsatzfall ist auch eine Steuerung des Meßgerätes (z.B. Start
rafischer enutzeroberfläche, als Standard auf dem Markt erhältlich (LabVIEW, Lab Windows, HP-VEE,
tebook, Net-, u.s.w.). systemen an den PC zu unterscheiden, ob eine Punkt-zu-Punkt Verbindung vom Sensor oder Meßgerät zum Rechner A
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 g B
signalys, FlexPro, DataEngine, ASYST, VIEWDAC, EASYEST, DAGO, Labtech No DAQ, DASYLab, DADiSP, ProVIEW, TestPoint, Virtual Bench, Visual Designer Grundsätzlich ist beim Anschluß von Meß
•
• 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
ren e) des Multiplexer als eigenes Gerät benötigt eine zusätzliche Steuersoftware, alle Meßgeräte und Senso sind über eigene Kabel anzuschließen. Die Standardschnittstellen (seriell V24, parallel, Firewir 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
ie Geräte nicht gegenseitig stören. „Intelligente“ Meßsysteme (SMART) können auch direkt Übernahme es Messwertes des Temperatursensors).
d
miteinander über den Bus kommunizieren (z.B. Temperaturkorrektur von Druckmessungen durch d
Häufig zur Meßwerterfassung eingesetzte Schnittstellen/Datenübertragungssysteme:
V.24 : sehr einfache kostengünstige Verbindung zwischen Meßgerät und Computer; serielle Standard-C Schnittstelle wurde mit unwesentlichen Änderungen
s-Struk-r möglich, Kabellänge max.15 m,
t-sgerüstet, die hardwareseitig die serielle V.24
ter Geräte aufgebaut werden. RS 485 wird genutzt z.B. beim Profibus, CAN, Bitbus, IN Meßbus, Rackbus oder dem InterBus S.
Schnittstelle am PC; Bezeichnung nach amerikanischem E/A-Standard RS 232C für Übertragungen bis 19200 Baud (bit/sec). Die RS 232
übernommen und in Europa als V.24 Schnittstelle bezeichnet.
Nachteil: niedrige Übertragungsgeschwindigkeit, nur ein Gerät anschließbar, keine direkte Bu tu
Vorteil: größere Entfernungen durch einfache Umsetzer auf Stromschnittstelle realisierbar, 2-Drah Leitung; wird auch als Hardware-Schnittstelle für den Anschluß von Bus-Systemen benutzt. RS 485: Meßumformer bzw. Endgeräte im Industriebereich werden oft mit „Intelligenz“ (eigene Prozessorleistung) und RS 485 Schnittstelle au
Schnittstelle am PC nutzt. Über die Schnittstellensoftware kann ein Bussystem für 32, mit Repea auch für 64 bis 256
D
Vorteil: Buslänge bis 1200m, 2-Draht-Leitung, hohe Übertragungsgeschwindigkeit (insbes. bei kurzen Leitungen)
IEC-Bus: noch weit verbreitetes Verbindungssystem von Meßgeräten zum Computer; parallele Datenübertragung; 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 (IEEE =
n werden (15 Meßgeräte und der PC als Bus-ontroller), je nach Busausbau auch 32, 64, 128,...
le achteil: nur kurze Buslänge zulässig, teure Hardware
Institute of Electric and Electronic Engineers, amerikan. Normungsbehörde)genormtes Bussystem. Innerhalb eines IEEE Bus Systems können min.16 Geräte betriebe
C
Vorteil: hohe Übertragungsgeschwindigkeit (im Vergleich zu V.24) durch parallele Schnittstel N
Busanschlusses dar (physisch ist es kein BUS, es wird immer ein Hub gebraucht!). Die Version 1.1 ist wegen der seriellen Arbeitsweise und der geringen Datentransferrate von max. 12 M für schnelle Datenübertragung bei vielen gleichzeitig arbeitenden Geräten geeignet. Die Version U 2.0 hat eine Datentransferrate von bis zu 480 Mbit/s und kann bis zu 31 angeschlossene Geräte verarbeiten. Damit eignet sie sich auch für den Anschluß von Geräte
USB bit/s nicht
SB n, die bisher parallele
chnittstellen genutzt haben (Drucker, Scanner, Festplatten). In Kürze wird das WUSB (Wireless t/s S
USB) erscheinen, das mit Funkdatenübertragung (UWB-Ultrawideband) Transferraten bis 480 Mbi bei Abständen bis zu 3 m garantiert, sowie USB 3.0 mit 4,8 Gbit/s.
Für den Feldbereich, d,h, die Kommunikation von Meß- und Automatisierungsgeräten beliebige Hersteller(!) an der Anlage („im Feld“) und mit der Leitwarte existieren heute mehr als
spezifische Bussysteme, z.B. ASI (Aktor Sensor-Interface), Bitbus, CAN (Control Area Networ DIN-Meßbus, FIP (Factory Instrumentation Protocol), InterBus, MODBUS, Rackbus, Profibus (Process Field Bus), Profinet (Industrial E
r 60
hersteller-k), thernet), DeviceNet, ARCNET, ControlNet,
kompatibel sind, bzw. nicht immer erlauben, Geräte oder Steuerungen bus“
geben herstellerunabhängige
ikation unkgestütztes Feldbussystem) über WLAN oder Bluetooth kostengünstig umgesetzt werden. Der
als bei drahtgebunde- en LAN (100Mbit/s Vollduplex), bei Bluetooth beträgt die Nettodatenrate etwa 750 kBit/s.
n Ebene für die Automation, jetzt endung in der Prozeßtechnik mit Übertragung digitalisierter Analogwerte und Ex-Schutz, u.a. von SIEMENS, FESTO, PEPPERL & FUCHS, SCHNEIDER Automation,
2-Draht-g zum Anschluß von Sensoren/Aktoren an eine E/A –Bau2-Draht-gruppe. Leitun2-Draht-gslän2-Draht-ge 20m, ngeschirmt 2/3-Draht. Kommunikation als serielles UART-Protokoll. Stromversorgung für Sensor
rwendet u.a. von SIEMENS, FESTO, PEPPERL & FUCHS, PHOENIX CONTACT,
chaften, erfüllt Bauartzulassung für ichpflichtige Geräte, aber bewußt einfach gehalten und jedermann, auch kleineren Firmen,
x. 500m, max. 3 Geräte pro Bus, 2 Bus gleichzeitig unterstützt,
ROFIBUS (PROcess FIeld BUS)
von der PROFIBUS Nutzerorganisation entwickelt, entspricht DIN 19245 T4, verwendet von SIEMENS, BOSCH, FESTO, KLÖCKNER-MÖLLER, PEPPERL & FUCHS, SCHNEIDER, RS- FOUNDATION Fieldbus, S-Net, LON (Local Operating Network), Sensor Loop, P-Net, ATM (Asynchronous Transfer Mode), CC-Link, IO-Link… und für Funkdatenübertragung Bluetooth, W-LAN, Zig-Bee, WiMAX, GSM, GPRS....
Der Einsatz der Feldbussysteme führt oft zu Insellösungen oder mehreren miteinander gekoppelten Netzen, die untereinander nicht
verschiedener Hersteller an einen Bus anzuschließen. Hier ist ein neuer Markt für Geräte entstanden, die Kopplungen zwischen heterogenen Rechner- und Feldbusnetzen erlauben (z.B. Konzept „Any unter www.hms-networks.de).
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. In letzter Zeit wird verstärkt daran gearbeitet, die Schnittstellen kompatibel zu machen bzw. an Messgeräten und Sensoren solche Schnittstellen zu installieren, die mit einer Vielzahl von Bussystemen arbeiten können. Hilfestellung
Stellen, die Kompatibilitätstests durchführen, um z.B. sicherzustellen, daß Leitsystem und Feldgeräte problemlos zusammenspielen. Feldbusschnittstellen sind nicht standardmäßig am PC vorhanden, es muß jeweils ein entsprechender Bus-Controller eingesetzt werden.
Mit dem Einzug von Industrial Ethernet in die Prozessautomation kann die drahtlose Kommun (f
Datendurchsatz ist jedoch mit 6 oder 25 Mbit/s (Halbduplex) deutlich geringer n
Gängige Feldbussysteme zum Messen und Regeln in der Verfahrenstechnik: ASI (Aktor Sensor-Interface)
entwickelt vom ASI Verein, zunächst binärer Feldbus der unterste auch Anw
verwendet
Leitung ungeschirmt, max. 100m, max. 31 Geräte, Baumstruktur IO-Link
Entwickelt vom Arbeitskreis IO-Link der Profibus-Nutzerorganisation. Serielle Point-to-Point- Verbindun
u
bis 200 mA. Ve TURCK. DIN-Meßbus
In DIN 66348 genormtes Schnittstellenprotokoll, entwickelt von Hochschulen mit der PTB, Konkur-renzentwicklung zum PROFIBUS mit ähnlichen Eigens
e
zugänglich, RS 485-Schnittstelle, ma
Gerätetreiber nicht in allen Softwarepaketen erhältlich P
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
it 32 Teilnehmern und niedrigerer Datenrate
e m bis 13 m, max. 255 Geräte, unterstützt von AEG, BOSCH, KLÖCKNER-MÖLLER, SIEMENS.
aht-Lei-ng verdrillt, Linienstruktur, RS 485-Schnittstelle, max. 500 m, max. 32 Geräte je Segment
S 485-Schnittstelle, max. 1200m, max. 64 eräte, sehr große Palette von unterstützten Sensoren.
x. Sternkoppler, einheitliches Netz für Anlagenbetrieb und sonstiger nternehmenskommunikation . Literatur gen hermopaare U u. L ände ür Thermoelemente eichungen usprofile kationssystem lle Anwendungen
dustrie, Springer Verlag, Berlin in
Interest Verlag
rfahrenstechnik trieb, Oldenbourg Verlag
g lektrischer Größen, VDI Verlag aspers/Küfner: Messen-Steuern-Regeln, Vieweg Verlag
m
InterBus-S
entwickelt von Phoenix Contact, Sensor-Aktor-Bus nach DIN 19258, überträgt digitale und analog Informationen über eine Ringstruktur, 5-adriges (InterBus-Fernbus) oder 2-adriges ungeschirmtes (InterBus-Loop) Kabel paarweise verdrillt, RS 485-Schnittstelle, sehr hohe Datenrate, 1200 k
MODBUS Plus
entwickelt von Herstellern von Prozeßleitsystemen, verwendet von AEG, SCHNEIDER, 2-Dr tu
Rackbus
entwickelt und verwendet von ENDRESS+HAUSER, R G
Industrial Ethernet (PROFINET)
Entwickelt von Siemens, Erweiterung des für die Rechnerkopplung verwendeten Ethernet, Linien-Ring-Stern-Struktur, max. 100 Teilnehmer je Segment, Koaxialkabel mit doppelter Schirmung, ma 500 m ohne Repeater, 4 km mit
U 4
VDI 3511 Technische Temperaturmessungen
VDI 3512 Bl.2 Meßanordnungen für Temperaturmessun VDI 3522 Zeitverhalten von Berührungsthermometern DIN 43710 Grundwerte der Thermospannungen für T DIN 43760 Grundwerte für Nickel-Meßwiderst DIN 43732 Thermopaare f
DIN 16160 Thermometer
DIN 12770 Flüssigkeits-Glasthermometer
DIN 12775 Laborthermometer, Skalenwerte 0,1°C, 0,2°C und 0,5°C
DIN EN 60751 Platin-Widerstandsthermometer und Platin-Meßwiderstände DIN EN 60584 Grundwerte d. Thermospannungen u. Grenzabw
DIN EN 61158 Industrielle Kommunikationsnetze - Feldbusse DIN EN 61784 Industrielle Kommunikationsnetze - Feldb DIN EN 50170 Universelles Feldkommuni
DIN V 12900 Labordatenkommunikation
VDI 3687 Auswahl von Feldbussystemen für industrie ISA 100 Wireless Systems for Industrial Automation
Profos, P.(Hrsgb.): Handbuch der industriellen Meßtechnik, Oldenbourg Verlag Hengstenberg, J., et al.: Messen und Regeln in der chemischen In
Körtvelyessy, L.: Thermoelement Praxis, Vulkan Verlag, Essen
Schumny, H.: PC in Labor, Versuchs- und Prüffeld, Springer Verlag, Berl Preuß, L., Musa, H.: Computer-Schnittstellen, Hanser Verlag, München Maier, H., Piotrowski, A.: Messen, Steuern, Regeln mit PC,
Weber,H.: Rechnergestützte Meßverfahren, Vogel Verlag
Schnell, G.: Bussysteme in der Automatisierungs- und Prozeßtechnik, Vieweg Endress+Hauser Meßtechnik (Hrsgb.): Kommunikation für die Ve
Merz, L.: Grundkurs der Meßtechnik Teil II, Oldenbourg Verlag, Strohrmann, G.: Meßtechnik im Chemiebe
Schöne, A.: Meßtechnik, Springer Verlag
Berndt, H..; Kainka, B.: Messen, Steuern und Regeln mit WORD und EXCEL, Franzis Verla Jüttemann, H.: Einführung in das elektrische Messen nichte
K
5. Aufgabenstellung Temperatur I
5.1 Messung mit Berührungsthermometern
• men aus
der mit einem C) zu betreiben.
h DIN 43760) ltleiter)
•
ie Meßstelle wird mit einem Thermostaten auf Temperaturen im Bereich 10°C bis 80°C eingestellt. essen=> Thermospannung und elektrische Widerstände mit einem Multimeter
gegeben und dort im Excel-Format rüfen, damit Fehler rkannt und die betreffende Meßreihe notfalls wiederholt werden kann.
.2 Auswertung
und Erläuterungen aus dem Umdruck sollen in der Ausarbeitung nicht Als Meßfühler stehen in der Meßstelle zur Verfügung:
3 FeKonst-Thermoelemente (nach DIN 43 710). Die Thermoelemente 1 und 2 stam derselben Charge, Thermoelement 3 ist wahlweise in Sparschaltung o
Vergleichsstellenkompensator (Bezugstemperatur 0° • Widerstandsthermometer Pt 100 (nac
• NTC (Heißleiter), PTC (Ka • Schwingquarzmeßsystem
• Präzisions-Labor(-glas-)thermometer
Vergleichsstelle: Dewar-Gefäß mit Wasser von Raumtemperatur. Die Temperaturen der
Vergleichsstelle können mit Glasthermometer und Schwingquarzthermometer kontrolliert werden. D
M
Die Meßwerte werden on-line in einen PC übertragen bzw. ein abgespeichert. Der Meßvorgang wird über den PC gesteuert.
Alle Meßwerte sind noch während der Messung auf Plausibilität zu überp e
5
Aussagen wiederholt
erden.
ie schriftliche Ausarbeitung soll enthalten: 1)
en – Ihnen gewählten Messprogramm und dem derzeitigen Versuchsaufbau, bevor Sie Aussagen übernehmen!)
) Original- Meßprotokoll (Rechner-Ausdruck) 3)
w D
Skizze des Versuchsaufbaus (Geräteparameter notieren, z.B. Eintauchtiefe der Thermometer, Kabellänge bei Widerständen, Zwei- oder Vierleiteranschluß, usw.) (Hinweis: Prüfen Sie Vorlag auch im Internet - auf Übereinstimmung mit dem von
2
Zusammenstellung aller ermittelten Temperaturwerte für die Meßstelle in einer Tabelle stellentemperatur in °C, keine Differenzangaben gegen die
Vergleichsstelle!).
4) T) von Pt 100,
NTC und PTC . Tragen Sie zusätzlich die Kennlinie nach Norm DIN 43 760 ein!
5) iters
(Angaben der Meß
Diagramm=> Graphische Darstellung der aufgenommenen Meßergebnisse R = f(
Bestimmen=> Größen A und B in der Näherungsgleichung für den Widerstand des Heißle R = A*eB/T Einzeichnen der damit berechneten Kurve R = f(T) in die Grafik nach 4. 6)
ompensation) (Achtung: Bezugstemperatur nach DIN und Vergleichsstellentemperatur beach-ten; Korrektur !).
7) ie
nktion der Meßstellentemperatur. Zulässige Toleranz nach Norm in die Darstellung eintragen!
8) ler in der
industriellen Praxis zu beachten oder von vernachlässigbarer Größenordnung?
9) ern eine
Diagramm=> gemessene Kalibrierkurven U = f(T) der Thermoelemente 1 bis 3 (Thermoelement 3 mit und ohne K
Diagramm=> Darstellung der Abweichungen der Kalibrierkurven nach 6. von der Normkennlin nach DIN 43710 als Fu
Berechnen=> Größe der Fadenkorrektur für den ungünstigsten Fall. Ist der Feh
Berechnen=> Einfluß der Zuleitungen bei der Widerstandsmessung, sof Zweileiterschaltung verwendet wurde. Ist der Fehler vernachlässigbar?
Normkurve in unserem Versuch (nicht: rein theoretisch, was grundsätzlich alles sein könnte!) ssung, wenn die Kennlinie eines Meßaufnehmers von der entsprechenden Normkurve abweicht?
12) eratur)
11) Überlegen => Welche Folgen hat es für eine Me
Ermitteln => Gründe, die für die unterschiedlichen Meßergebnisse (der Messstellentemp mit den verschiedenen Sensoren in unserem Versuch verantwortlich sein können (keine
allgemeinen Aussagen, die grundsätzlich überall zutreffen könnten!). Orientieren Sie sich an der Größe der Abweichungen, d.h. auf die wesentlichen Abweichungen und die Gründe dafür kommt es an, nicht auf die dritte Stelle nach dem Komma!
Wichtiger Hinweis:
Aus Diagrammen sollen Werte ablesbar sein. Jedes Diagramm muss daher mindestens die Größe DIN A5 (1/2 DIN A4) haben! Achten Sie bei Ihren Ausführungen auf die unterschiedlichen
Bedeutungen der Begriffe „Fehler“, „Genauigkeit“, „Auflösung“, „Empfindlichkeit“, „Toleranz“.
n „Trendlinie
Punkte verbinden“ ist für die Darstellung (fehlerbehafteter, streuender)
sind zudem häufig mängelbehaftet. Von einer Übernahme dieser exte wird abgeraten.
. Aufgabenstellung Temperatur II
Verwenden Sie beim Zeichnen der Diagramme mit Excel immer die Funktio hinzufügen“ , um eine Ausgleichskurve durch die Messpunkte zu legen! Die einfache Funktion „
Meßwerte ungeeignet!
Die im Internet verfügbaren Versionen von Ausarbeitungen erfüllen die genannten Bedingungen nicht und
T
6
.1 Messung mit Infrarotthermometern und Infrarotkamera
d, Genauigkeitsangaben zu den Meßgeräten, Wellenlängenbereich der Messgeräte, usw.)
graphisch darzustellen. Die Kurven sind zu vergleichen und die Abweichungen u diskutieren.
phisch darzustellen. Die Kurven sind zu vergleichen und die Abweichungen zu diskutieren.
e Gründe für diesen Einfluß sind anzugeben, das Messergebnis ist dazu in Bezug zu setzen
e 6
- Skizze des Versuchsaufbaus (Geräteparameter notieren, z.B. Messbereich, Messabstan
- Für die vorhandenen Infrarotsysteme sind bei gleichem Emissionsfaktor Kalibrierkurven aufzunehmen und
z
- An den vorhandenen Infrarotsystemen sind die Einflüsse des Emissionsfaktors auf das Meßergebnis bei verschiedenen Kalibriertemperaturen aufzunehmen und gra
- Mit dem Handmessgerät ist der Einfluss des Meßabstandes auf das Meßergebnis zu ermitteln und graphisch darzustellen. Di
- Mit der Thermokamera oder dem Infrarotthermometer wird die Temperatur durch verschieden Glas- und Kunststoffsorten hindurch gemessen. Die Messergebnisse sind sinnvoll graphisch
eantworten Sie die Frage: könnte mit dem Handmessgerät ein besseres Ergebnis erzielt werden? . Aufgabenstellung Datenerfassung
darzustellen und in ihrer Aussagekraft zu bewerten, dazu Vergleich mit Bild 11. B
7
Mithilfe der Datenerfassungssoftware DASY-Lab ist ein Programm zu erstellen, daß Meßwerte von menten, Widerstands- und Quarzthermometern
net und die richtigen Einheiten zuordnet
as erstellte Programm ist in der Ausarbeitung zu dokumentieren.
Thermoele - einliest - umrech - mittelt - darstellt - abspeichert
- als Excel-Tabelle ausgibt
Bild 11: Transmission von SCHOTT AR-Glas Schnittstelle
logisch 0 logisch Leitungslänge Leitungen Schnittstelle
Eigenschaften Anwendung V 24 +3 V -3...-15 V 15...30 m 2 Daten 1 Messung Signal 1 ...+15
max. Zahl der Geräte pro
(RS 232) Schnittstelle Regelung 1 Masse Standard PC-seriell 2 Handshake RS 485 0 V 5 V 1500 m 2 Daten 32 Messung
seriell 1 Masse busfähig Regelung
IEC 5 V 0 V 2...20 m 8 Daten 16 schnell Messung
(IEEE 488) 3 Handshake störempfindl. Steuerung
parallel 5 Control busfähig Labor
Centronics 0 V 5 V 2 m 8 Daten 1 schnell Drucker
parallel 3 Handshake störempfindl.
Schnittstelle Vorteile Nachteile Anwendung
ISA-Karte nfache Ansteuerung ht e , eß- und Prüfplätze
Preisgünstig, ei Nachrüstung notwendig, Steckplätze in neuen PC nic mehr vorhanden, schlecht Windows-Unterstützung
Maschinensteuerung automat. M
PCI-Karte Höhere Leistung, Plug&Play
dig Nachrüstung notwendig, spezielle Treiber erforderlich, I/O-Programmierung aufwen
Schnelle Messdaten- erfassung, Prüfstände, Anlagenüberwachung PCMCIA-Karte Schnell, leistungsfähig
lige te
ng mit Notebooks Steckplatz nicht in allen PC
vorhanden, mechan. anfäl Anschlüsse, beschränk Auswahl von Karten
wie PCI, für mobile Datererfassu
Parallel (Centronics) Standardmäßig vorhanden,
-
ng weniger Größen langsam, Schnittstelle auf
Notebooks teilw. nicht mehr vorhanden, nur kurze Verbin dungskabel , nicht busfähig
mobile und stationäre Messdatenerfassu
Seriell RS232 en,
einfache Ansteuerung
sehr langsam, nicht busfähig
Standardmäßig vorhand Erfassung weniger, nicht
zeitkritischer Daten von einzelnen Meßgeräten USB , r Sensoren integriert, busfähig , ion der on mehreren Meist standardmäßig vorhanden
gute Windows-Unterstützung, Stromversorgung fü
nur kurze Verbindungskabel erlaubt, Schnittstelle nicht sehr fehlertolerant, USB 1.1 langsam keine Buskommunikat
Geräte untereinander
mobile und stationäre Messdatenerfassung und Steuerung v Meß- und Peripheriegeräten Ethernet htlos erbindung Zusatzmaßnahmen echtzeitfähig , Funkdatenübertragung, Hohe Geschwindigkeit, lange
Anschlußkabel möglich, dra mit WLAN, kaskadierbar, Einheitlichkeit und V zum Firmenetzwerk
hohe Kosten, nur mit Mobile und stationäre Messdatenerfassung Netze mit über 100 Kanälen,
