Platzierung von Thermoelementen und Widerstandsthermometern

Inhalt

1. Einführung
2. Schlüsselprinzipien für eine genaue Sensorplatzierung
3. Wärmeübertragungsmechanismen – Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung
4. Stagnationstemperatur in Hochgeschwindigkeits-Gasströmungen
5. Zusammenfassung

Genaues Temperaturmessen setzt voraus, dass der Sensor so platziert wird, dass er die gleiche Temperatur wie das zu messende Medium annimmt. Mit anderen Worten: Ein guter thermischer Kontakt und minimale Wärmeverluste entlang des Schutzrohrs, der Halterungen oder der internen Verdrahtung sind entscheidend (siehe Abbildung 4.1).

Schlüsselprinzipien für eine genaue Sensorplatzierung

Um zuverlässige Temperaturmessungen zu erzielen, befolgen Sie diese drei grundlegenden Prinzipien:

1. Sorgen Sie für eine gute thermische Kopplung
   Für Fluide:
   
   • Platzieren Sie den Sensor in dem Bereich mit der höchsten Strömungsgeschwindigkeit.
   • Bevorzugen Sie Querstrom- Orientierung für eine bessere Ansprechzeit.
   • Bei langsam strömenden Fluiden ziehen Sie außenliegende Rippen in Betracht, um den Wärmeübergang zu verbessern.
   Für Feststoffe:
   
   • Setzen Sie Sensoren in passgenaue Bohrungen ein.
   • Verwenden Sie Wärmeleitmittel wie Zemente, Füllstoffe, Wärmeleitfett oder hochleitfähige Flüssigkeiten.
   Für Oberflächen:
   • Verwenden Wärmeleitpads, Wärmeleitpasten , oder angelötete Befestigungen für besseren thermischen Kontakt.
2. Fehler durch Wärmeleitung minimieren

   Verhindern Sie den Wärmefluss entlang von Halterungen und Leitungen durch:

   • Maximierung der Sensoreintauchtiefe (siehe Abbildung 4.2).
   • Verwendung dünnwandiger Edelstahl-Tauchhülsen oder Halterungen mit hohem axialem thermischen Widerstand.
   • Auswahl von Anschlussleitungen mit kleinem Durchmesser und geringer Wärmeleitfähigkeit.
   • Leitungen zunächst über eine gewisse Strecke entlang der Oberfläche führen, bevor sie weggeführt werden, um die Wärmeleitung zu verringern.

Abbildung 4.2 : Bedeutung der Sensoreintauchtiefe


3. Sensorbedingte Temperaturstörungen minimieren

   In einigen Fällen kann der Sensor selbst die natürliche Temperaturverteilung des Mediums stören

   • Halten Sie die Sensorgröße klein im Verhältnis zum Messbereich.
   • Passen Sie die Sensorform an die Oberflächengeometrie an.
   • Verwenden Isolierung oder Abschirmung um den Sensor von äußeren Einflüssen zu isolieren.

   Beispiel:

   Für Oberflächenmessungen an einem Rohr, wenn das Rohr:
   • dünnwandig und leitfähig ist
   • Flüssigkeiten mit ausreichendem Temperaturunterschied und stabilem Durchfluss transportiert
   ...dann kann ein oberflächenmontierter Sensor mit Isolierung genaue Messwerte liefern.

   ⚠️ Hinweis : Widerstandsthermometer (RTDs) können aufgrund von Unterschieden in der Wärmeausdehnung zwischen Sensor und Montageoberfläche mechanischen Spannungen ausgesetzt sein. Dies kann zu Widerstandsänderungen und Messfehlern führen.

Mechanismen des Wärmeübergangs

Das Verständnis dafür, wie sich Wärme bewegt, hilft bei der Auslegung besserer Installationen. Die drei grundlegenden Arten des Wärmeübergangs sind:

Wärmeleitung

Wärmeleitung ist der Wärmetransport durch molekulare Bewegung innerhalb eines Materials.

• Metalle wie Silber und Kupfer leiten Wärme sehr gut.
• Luft und andere Gase sind schlechte Wärmeleiter.
• Sensorelemente und ihre Schutzhülsen beruhen meist auf Wärmeleitung .

Konvektion

Konvektion tritt auf, wenn Wärme zwischen einem Körper und einem strömenden Fluid (Flüssigkeit oder Gas) ausgetauscht wird.

• Erzwungene Konvektion verwendet Pumpen, Ventilatoren oder Rührer.
• Natürliche Konvektion beruht auf Auftrieb durch temperaturbedingte Dichteänderungen.

Strahlung

Alle Körper oberhalb des absoluten Nullpunkts emittieren Wärmestrahlung.

• Die abgestrahlte Energie steigt mit der vierten Potenz der Temperatur .
• Der Effekt wird kritisch bei hohen Temperaturen , zum Beispiel in Öfen.

Strahlung hängt ab von:

• Oberflächentemperatur und Emissionsgrad
• Abstand und Winkel zwischen Oberflächen
• Abschattungen und Abschirmungen

Unerwünschte Strahlungseffekte:
In langsam strömenden heißen Gasen können Sensoren Wärme an die Umgebung verlieren und die tatsächliche Gastemperatur zu niedrig anzeigen. Umgekehrt können Sensoren in kühleren Strömungen, die von heißeren Wänden umgeben sind, zu hohe Werte anzeigen.

Lösungen:

• Verwenden Sie niedrig emittierende Sensorgehäuse
• Isolieren Sie den Sensor von seiner Umgebung, indem Sie Strahlungsschilde hinzufügen.

Stagnationstemperatur in Hochgeschwindigkeits-Gasströmungen

In schnell strömenden Gasen kann der Sensor durch die Strömungsgeschwindigkeit dynamisch aufgeheizt werden.

Es gibt zwei Temperaturarten:

• Statische Temperatur (T _s ) : die tatsächliche Gastemperatur
• Gesamttemperatur (Stagnationstemperatur) (T _t ) : beinhaltet die Erwärmung durch die Gasgeschwindigkeit

Spezielle Stagnationssonden können zur Messung von Tt verwendet werden; daraus wird Ts berechnet mit:

wobei:

• γ = Verhältnis der spezifischen Wärmekapazitäten (Cp/Cv)
• M = Mach-Zahl des Gases

Beispielhafte Erwärmungseffekte in Luft (Atmosphärendruck):

Zusammenfassung

Genaue Temperaturmessung hängt von gutem thermischem Kontakt und einer sachgemäßen Installation ab. Sensoren sollten in schnell strömenden Fluidbereichen platziert oder mithilfe wärmeleitender Verbindungen in feste Materialien eingebettet werden. Wärmeverluste entlang von Halterungen und Leitungen sollten durch den Einsatz von Leitungen mit geringer Wärmeleitfähigkeit und ausreichender Eintauchtiefe minimiert werden. Die Anwesenheit des Sensors kann die zu messende Temperatur ebenfalls beeinflussen, insbesondere an Oberflächen; daher sind kleine, gut anliegende und isolierte Sensoren am besten geeignet.

Die Wärmeübertragung an den Sensor erfolgt durch Wärmeleitung , Konvektion , und Strahlung . Jede Art wirkt sich je nach Einbaubedingungen unterschiedlich auf die Genauigkeit aus. In schnell strömenden Gasströmungen auftretende  Stagnationstemperatur- Effekte können die gemessene Temperatur erhöhen.

Weiterführende Informationen

RTD vs. Thermoelement – den richtigen Sensor wählen
Entdecken Sie die Eigenschaften und Merkmale von Thermoelementen und RTDs

RTD-Ausgabetabellen
Sehen Sie sich Widerstand-Temperatur-Tabellen für alle Pt100-Sensoren an.

Wie lauten die RTD-Farbcodes?
Entdecken Sie RTD-Farbcodes und Verdrahtungskonfigurationen.