Ist es heiß hier drin, oder fühle ich es nur? Ungeachtet dessen, lassen Sie uns über den Temperatursensor sprechen! Diese Basisvariable ist für eine Vielzahl von Prozessen und Abschnitten notwendig.

In den meisten Fällen müssen Sie die genauen Temperaturen überwachen, und in einigen Fällen benötigen Sie sogar eine präzise Steuerung. Wenn Sie sich über den Temperatursensor aus Wartungssicht informieren, werden Sie feststellen, dass Sie nur bestimmte Punkte berücksichtigen müssen, um den richtigen Sensor für Ihre Anwendung auswählen zu können.

Mittlerweile haben Sie wahrscheinlich schon von externen Temperatursensoren gehört. Anbieter wissen, dass sich einfache Lösungen verkaufen, deshalb entwickeln sie komplexe Geräte, um die Temperaturüberwachung zu vereinfachen.

Jedenfalls beziehen diese neuen Geräte Daten aus Ihrem Prozess, wie Material und Dicke des Rohres, Umgebungstemperatur und mehr. Anschließend berechnen sie mit speziellen Algorithmen die richtige Temperatur für die Rohre.

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Leider überwachen oder regeln diese Geräte nur die Temperatur in Rohren. Im Moment fehlen uns ähnliche Lösungen für andere Temperaturanwendungen. In diesem Artikel werden wir die gängigsten Temperatursensoren auf dem Markt ausfindig machen und erörtern. Wir gehen ihre grundlegenden Konzepte und Bauarten durch und geben Ihnen dann Beispiele, wo Sie sie einsetzen können.

Die am häufigsten verwendeten Typen

Wussten Sie, dass fast jedes elektronische Gerät einen Temperatursensor besitzt? Nehmen wir zum Beispiel Ihr Smartphone. Wahrscheinlich verwendet es einen halbleiterbasierten Sensor auf seinen integrierten Schaltungen, um die Temperaturen zu überwachen, auf die Ihr Telefon trifft.

Sie haben eine Vielzahl von verschiedenen Temperatursensoren auf dem Markt, viel zu viele, um in diesem Artikel darauf eingehen zu können. Aber vor allem zwei zeichnen sich in den meisten Prozessanwendungen aus, der Widerstandstemperaturdetektor (RTD) und das Thermoelement. Sie hatten wahrscheinlich mindestens einmal in Ihrem Leben Kontakt mit diesen beiden Temperatursensoren.

Von den anderen auf dem Markt, werden wir noch einige weitere erörtern, den Infrarotsensor und den bimetallischen Sensor. Sie haben weniger Anwendungen in der Prozessautomatisierung, aber Sie sollten auch ein wenig über sie Bescheid wissen. Beginnen wir mit dem RTD.

Widerstandstemperaturfühler (RTD)

Dieser Sensor hat sich einen ausgezeichneten Ruf als einer der genauesten Sensoren auf dem Markt erworben und bietet eine hervorragende Genauigkeit in einer Vielzahl von Anwendungen. Darüber hinaus bietet er Ihnen eine ausgezeichnete Stabilität und Wiederholbarkeit. Wie macht er das alles?

Dieser Temperatursensor überwacht die Temperatur durch Erfassen des Widerstands in einem elektrischen Strom. Wenn sich die Temperatur ändert, ändert sich der Widerstand auf uneinheitliche und messbare Weise. Daher kann der Sensor diese Abweichungen in Zahlen übersetzen, die wir lesen können.

Wenn Sie einen RTD skalieren, spezifiziert der Hersteller in der Regel den Sensor entsprechend seinem Widerstand bei Null Grad Celsius. Auf dem Markt gibt es viele Sensoren, die mit 100 Ohm spezifiziert sind. Das bedeutet, dass der Sensor bei Null Grad Celsius einen Widerstand von 100 Ohm anzeigt.

Arten von RTDs

Okay, jetzt wissen Sie mehr über RTDs und wie sie funktionieren. Aber wenn man den Markt durchsucht, sieht man so viele verschiedene Typen. Wie kann man diese Unterschiede berücksichtigen? Nun, beginnen wir mit Sensor Elementen wie Platin, Nickel und Kupfer, den drei am häufigsten verwendeten.

Die meisten Industrien betrachten Platin als das beste Element für RTDs, da er über einen breiten Temperaturbereich eine stabile Beständigkeit bietet. Nickel hat eine begrenzte Reichweite, da es nach 150 Grad Celsius keine lineare Antwort mehr bietet.

Zu guter Letzt haben wir noch Kupfer. Dieses Material bietet sehr lineare Widerstandsänderungen über den gesamten Messbereich. Sie können jedoch kein Kupfer über 150 Grad Celsius verwenden, da der Sensor oxidieren würde.

Sie können auch auf verschiedene Bauarten von RTDs stoßen, wie Dünnschicht, Drahtgewickelt und Spulenelement, die in der Industrie am häufigsten vorkommen. Für bestimmte Anwendungen benötigen Sie spezielle Sensoren, wie zum Beispiel Kohlenstoff-Widerstandselemente für extrem niedrige Temperaturwerte.

Zwei, drei und vier Drähte

Sie haben diese Option wahrscheinlich auch schon einmal gesehen. Mehr zu kennen ist besser, nicht wahr? Aber halt, nicht so schnell! Das hängt davon ab, was Sie brauchen. Hier haben wir den entscheidenden Wettstreit zwischen Kosten und Genauigkeit.

Wenn wir über RTDs sprechen, wissen wir, dass die Widerstandsänderung eine proportionale Änderung des Temperaturwertes anzeigt. So weit, so gut. Jetzt haben wir hier ein kleines Geheimnis. Ein Platin-Temperatursensor ist nicht vollständig mit Platin aufgebaut. Normalerweise verbindet sich das Sensorelement bei einem Platinsensor mit dem Sender über ein Kabel aus einem anderen (günstigeren) Material, wie beispielsweise Kupfer.

Ja, in der Tat. Das Kabel hat einen Widerstandswert, der den vom Sensorelement kommenden Wert verändern kann. Und hier haben wir die Bedeutung der Anzahl der Kabel. Diese Kabel kompensieren den Wert des Widerstandes und reduzieren Störungen.

Zweileiter-RTDs haben diese Art der Kompensation nicht, also verwenden Sie einen Zweileiter, wenn Sie nur einen Näherungswert für Ihre Anwendung benötigen. Die meisten Feldanwendungen verwenden Dreileiter-RTDs.

Diese Art von Sensor verwendet die Wheatstone Brückenschaltung, um die Widerstands- Verschiebung in Ihrem Sender auszugleichen. Und natürlich eliminiert der Vierleiter-RTD den größten Spannungsabfall in Ihren Messungen und reduziert seinen Beitrag zu Ihrer Fehlerquote.

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Thermoelement

Tauchen wir nun in das Universum der Thermoelemente ein! Industrien auf der ganzen Welt verwenden diese gemeinsame Lösung zur Temperaturmessung, aber wissen Sie, wie sie funktioniert? Wenn ja, dann haben Sie etwas Nachsicht mit mir, während ich es dem Rest der Leserschaft erkläre.

Ein Thermoelement verwendet zwei verschiedene Metalle, um das Phänomen des “thermoelektrischen Effekts” zu erzeugen. Das heißt, der Sensor erzeugt eine Spannung, wenn die Temperatur von einem Ende des Thermoelements zum anderen abweicht. Das Gerät übersetzt diese Spannung dann in – Sie haben es erraten – Zahlen, die wir lesen können.

Nun, für diese Art von Sensor benötigen Sie eine Referenztabelle, um diese Zahlen zu interpretieren. Die Referenztabelle zeigt Ihnen die Temperatur in Abhängigkeit von der von Ihrem Sensor gemessenen Spannung an, und jede Art von Thermoelement auf dem Markt verwendet eine andere Tabelle. Achten Sie daher darauf, dass Sie die richtige Tabelle für das vorliegende Thermoelement verwenden.

Wie ich bereits erwähnt habe, steht Ihnen eine große Auswahl an Thermoelementen zur Verfügung. Sie unterscheiden sich durch Haltbarkeit, Temperaturbereich, Chemikalienbeständigkeit, Vibrationsfestigkeit und Kompatibilität. Sie verwenden auch Buchstaben als Bezeichnungen, wie Typ K oder R. Lassen Sie uns die Details der gängigsten Thermoelemente auf dem Markt überprüfen.

Arten von Thermoelementen

Thermoelemente haben einen größeren Temperaturmessbereich als RTDS und können bis zu dreimal weniger kosten. Wenn Sie jedoch eine hohe Genauigkeit und Stabilität benötigen, dann müssen Sie sich an RTDs halten. Wenn Sie dies nicht tun, dann kann eines davon für Ihre Anwendung geeignet sein.

Typ K

Der Typ K, der aus Nickel-Chrom und Nickel-Aluminium gefertigt ist, überzeugt durch seine Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Flexibilität, um ein breites Anwendungsspektrum abzudecken.

Er hat einen Bereich von -270 bis 1260 Grad Celsius, und das Verlängerungskabel deckt 0 bis 200 Grad Celsius ab. Außerdem weist er eine Genauigkeit von +-0,75 Prozent und spezielle Fehlergrenzen (SLE) von +-0,4 Prozent auf.

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Typ J

Der Typ J verwendet Eisen und Konstantan, hat einen kleineren Temperaturbereich und eine kürzere Lebensdauer bei hohen Temperaturen als der Typ K. Dieser Temperatursensor-Typ hat einen Bereich von -210 bis 760 Grad Celsius und Verlängerungskabel von 0 bis 200 Grad Celsius. Die Standardgenauigkeit liegt bei 0,75 Prozent und die SLE bei 0,4 Prozent, wie beim Typ K.

Typ T

Der Typ T erscheint hauptsächlich bei der Niedrig-Temperaturmessung. Er verwendet Kupfer und Konstantan und hat einen Bereich von -270 bis 370 Grad Celsius, mit Verlängerungskabeln von 0 bis 200 Grad Celsius. Die Genauigkeit und der SLE-Wert liegen im gleichen Bereich wie bei den ersten beiden, nämlich +-0,75 Prozent bzw. +-0,4 Prozent.

Typ E

Dieses Thermoelement bietet im Vergleich zu Typ K eine bessere Genauigkeit und Signalqualität und einen guten Temperaturmessbereich. Mit Nickel-Chrom und Konstantan als Materialien reicht dieser Sensor von -270 bis 870 Grad Celsius und das Verlängerungskabel von 0 bis 200 Grad Celsius. Obwohl es ein ähnliches SLE wie die anderen drei hat, weist es eine Genauigkeit von +-0,5 Prozent auf.

Typ N

Das N hat eine ähnliche Genauigkeit und einen ähnlichen Temperaturbereich wie der Typ K, obwohl es als seine Materialien Nicrosil und Nisil enthält, was es teurer macht als den Typ K. Dieser Typ unterstützt einen Bereich von -270 bis 1300 Grad Celsius, mit dem gleichen Verlängerungskabel wie die anderen, 0 bis 200 Grad Celsius. Die Genauigkeit beträgt +-0,75 Prozent und SLE +-0,4 Prozent.

Typ S

Der Typ S unterstützt einen hohen Temperaturbereich mit hoher Genauigkeit und Stabilität. Diese aus Platin und 10 Prozent Rhodium gefertigte Qualität kann -50 bis 1480 Grad Celsius und das Verlängerungskabel 0 bis 200 Grad Celsius abdecken. Mit einer Genauigkeit von 0,25 Prozent und einem SLE von 0,1 Prozent handelt es sich um einen der genauesten Sensoren in unserer Produktpalette.

Typ R

Der Typ R misst auch hohe Temperaturen in verschiedenen Anwendungen. Er unterscheidet sich vom Typ S nur durch das Verhältnis der Metalle, nämlich 13 Prozent Rhodium statt 10. Dieser Typ reicht von -50 bis 1480 Grad Celsius, mit einer Genauigkeit von +-0,25 Prozent und einem SLE von 0,1 Prozent, genau wie der Typ S.

Sie können viele andere Arten von Thermoelementen auf dem Markt finden, wenn Sie einige der weniger verbreiteten Varianten ausprobieren möchten.

Thermoelement-Verbindungen

Die Konstruktion der Anschlüsse an einem Thermoelement kann auch dessen Funktionen und Merkmale verändern.

Geerdet: Bei dieser gemeinsamen Verbindungsart sind der Mantel und das Thermoelement miteinander verschweißt, um eine Verbindung an der Sondenspitze zu bilden. Sie reagiert schneller auf Temperaturänderungen als ungeerdet, kann aber transientes Rauschen auf der Schaltung aufnehmen.

Ungeerdet: Diese Verbindung ist mineralisoliert, was sie vor transienten Geräuschen schützt, aber gleichzeitig ihre Reaktionszeit verlangsamt.

Exponiert: Das Verschweißen der Drähte des Thermoelements kann es Ihnen ermöglichen, den Sensor direkt in den Prozess einzuführen, was die Reaktionszeit verlängert. Dieser Sensor kann sich jedoch schnell verschlechtern oder korrodieren.

Ungeerdet ungewöhnlich: Dieser hat zwei Sensoren, die durch einen Mantel voneinander isoliert sind. Es isoliert auch seine Elemente voneinander.

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Infrarotsensoren

Eines dieser Geräte haben Sie in Ihrem täglichen Leben gesehen, auch wenn Sie es nicht wussten. Supermärkte verfügen in der Regel über Pyrometer, um die Temperatur ihrer Gefriertruhen zu überwachen. Ein Infrarotsensor erfasst die von Geräten oder Materialien abgegebene Wärmestrahlung. Dieses Gerät hat die nützliche Eigenschaft der berührungslosen Messung, das heißt, Sie können Temperaturen aus der Ferne messen.

Wie funktioniert es eigentlich? Grundsätzlich fokussiert eine Linse im Inneren des Senders die Wärmestrahlung auf einen Detektor. Der Detektor wandelt die Strahlungsleistung in ein elektrisches Signal um, und der Sender zeigt auf seiner Anzeige die Temperatur in den richtigen Einheiten an.

Natürlich ist es notwendig, den Emissionsgrad oder die Menge an Infrarot Energie, die Ihre Geräte oder Materialien emittieren können, zu kennen, um die Temperatur zu ermitteln. Daher verfügt das Gerät über eine Datenbank mit Materialien und deren Emissionsgraden. Es kompensiert auch die Umgebungstemperatur bei der Messung.

Bimetallische Sensoren

Metalle dehnen sich aus und ziehen sich bei einer Temperaturänderung zusammen. Bimetallische Sensoren nutzen diese Eigenschaft, um die Temperatur zu messen, indem sie die mechanische Verschiebung in – ja! – Zahlen umwandeln, die Sie ablesen können.

Der Temperatursensor besteht aus einem Band mit zwei verschiedenen Metallen, die sich bei Temperaturschwankungen, meist Stahl und Kupfer, unterschiedlich schnell ausdehnen und zusammenziehen. In der Regel in Form eines Spiralrohres gebaut, führt die mechanische Ausdehnung der Materialien zu einer Drehung. Ein Punkt des bimetallischen Systems bewegt sich nicht, während die andere Seite einen Zeiger dreht, um die Temperatur anzuzeigen.

Alles Übrige

Sie können so viel weitere Temperatursensoren auf dem Markt finden, wie Siliziumdioden, Thermistoren und andere. Aber für die täglichen Aktivitäten des Instrumentierungsingenieurs sind vor allem RTD und Thermoelement wichtig. Dennoch planen wir, später mehr Inhalte zu erstellen, um andere Sensoren zu erklären.

Wenn Sie mehr über solche Produkte erfahren möchten, please ask our engineers!

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