Die Gründe für die Verwendung von elektrischen Thermometern mit kurzen Ansprechzeiten sind vielfältig: Optimierung des Wirkungsgrades, effizientere Ausnutzung des Arbeitsbereiches eines Prozesses, Vermeidung einer thermischen Überbeanspruchung des Prozessmediums. Doch wie erfolgt die Messung der Ansprechzeiten, was bildet die normative Grundlage derselben und worauf muss dabei geachtet werden?
Die Grafik zeigt ein zu träges Thermometer (rot)
Speziell konstruierte Thermometer stellen sicher, dass die gemessene Temperatur der tatsächlichen Prozesstemperatur nicht „hinterherläuft“. In der Grafik rechts entspricht die blaue Linie bspw. der Prozesstemperatur. Die rote Linie zeigt hingegen die vom elektrischen Thermometer übertragene Temperaturangabe.
Der optimale konstruktive Aufbau eines „schnellen“ Widerstandsthermometers oder Thermoelementes ist essentiell für eine schnelle Ansprechzeit. Ebenfalls gilt es die immer vorhandene Wärmeableitung zu minimieren.
Ermittlung der Ansprechzeiten
Dies führt zu der Frage wie die Messung der Ansprechzeiten bei elektrischen Thermometern erfolgt und auf welcher normativen Grundlage dies geschieht.
Gleich mehrere Normen und Richtlinien bilden die Grundlage für die Messung:
- VDI/VDE 3522 Blatt 1: Dynamisches Verhalten von Berührungsthermometern – Grundlagen und Kennwerte
- VDI/VDE 3522 Blatt 2: Zeitverhalten von Berührungsthermometern – Experimentelle Bestimmung von Zeitprozentkennwerten
- IEC 60751: Industrielle Platin-Widerstandsthermometer und Platin-Temperatursensoren (Begriffsdefinition der Thermischen Ansprechzeit – Angabe der Messparameter)
In von Nordamerika geprägten Teilen der Welt bilden die ASTM E644-11 „Standard Test Methods for Testing Industrial Resistance Thermometers“ und die ASTM E839-11 „Standard Test Methods for Sheathed Thermocouples and Sheathed Thermocouple Cable“ dahingegen die Basis der Messungen und deren Messmethoden.
Genereller Unterschied zwischen der Messung in Wasser und in der Luft:
Ausschnitt Diagramm Ansprechzeiten
Die Messung der Ansprechzeit in Luft ist der in Wasser insofern natürlich prinzipiell ähnlich. Auch hier wird ein Temperatursprung (von T1 auf T2) erzeugt sowie der zeitliche Verzug gemessen. Allerdings sind die physikalischen Rahmenbedingungen – wie der Wärmeübergangswiderstand von Luft zu Metall, oder die spezifische Wärmekapazität der Luft – anders als die von Wasser. Die Ansprechzeiten in Luft sind – gemessen mit dem gleichen Thermometer – dadurch generell größer als in Flüssigkeiten.
Wichtige Schwellenwerte sind die Temperatur-Prozentwerte 50 % (t0,5), 63 % (t0,63) und 90 % (t0,9). Diese Werte geben an, nach welcher Zeit sich der Prüfling 50 %, 63 % oder 90 % der Wassertemperatur beziehungsweise Lufttemperatur angeglichen hat. Es erfolgt allerdings keine Ermittlung des Werts für 100 %. Aufgrund von Wärmeableitungseffekten kann dieser praktisch nie erreicht werden.
Wasserbad mit gleichmäßiger, laminarer Strömung
- Messung der Ansprechzeit in Wasser
Eine Pumpe versetzt gleichmäßig temperiertes Wasser in eine gleichmäßige (laminare) Strömung. Der temperaturempfindliche Teil des Prüflings wird dabei mittels einer beweglichen Vorrichtung sehr schnell aus dem Bereich von der Umgebungstemperatur (T1) in den Bereich der Wassertemperatur (T2) versetzt (Temperatursprung).
Grafische Darstellung der Sprungantwort
Der zeitliche Verzug (die Ansprechzeit), bis der Prüfling die (bekannte) Wassertemperatur erreicht hat, wird ermittelt und dementsprechend aufgezeichnet (Sprungantwort).
Parameter für Messmedium Wasser (IEC 60751):
- Fließgeschwindigkeit vmin: 0,3 m/s ± 0,1 m/s
- Temperatursprung: 10 … 30 K
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Messung der Ansprechzeit in Luft
Vorrichtung zur Messung der Ansprechzeiten in Luft
Ein Gebläse versetzt gleichmäßig temperierte Luft (T1) in eine gleichmäßige (laminare) Strömung. Der Prüfling ist dabei in eine Haltevorrichtung im Luftstrom montiert. Ein elektrisches Heizgitter erzeugt schließlich schlagartig eine höhere Temperatur (T2) des Luftstromes.
Parameter für Messmedium Luft (IEC 60751):
- Strömungsgeschwindigkeit vmin: 3 m/s ± 0,3 m/s
- Temperatursprung: 10 … 30 K
Hinweis
Weitere Informationen zu unseren Widerstandsthermometern und Thermoelementen finden Sie auf der WIKA-Webseite. Sie möchten Widerstandsthermometer oder Thermoelemente kaufen? In unserem WIKA Online-Shop finden Sie einige unserer Standard-Ausführungen. Bei Fragen steht Ihnen Ihr Ansprechpartner gerne zur Verfügung.
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