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Thermoelemente in der Praxis

Thermoelemente in der Praxis. Temperaturmessung mit Thermoelementen. Übersicht der Themen. Das thermoelektrische Prinzip Die Messstelle Das Driftverhalten. Cu +. Cu +. Cu +. Cu +. Cu +. Cu +. Cu +. Cu +. Cu +. Cu +. Cu +. Cu +. Cu +. Cu +. Cu +. Cu +. Cu +. Cu +. Cu +.

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Presentation Transcript

  1. Thermoelemente in der Praxis Temperaturmessung mit Thermoelementen

  2. Übersicht der Themen • Das thermoelektrische Prinzip • Die Messstelle • Das Driftverhalten 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin

  3. Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Das thermoelektrische Prinzip 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin

  4. Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- Das thermoelektrische Prinzip des Thermoelementes Bei gleichmäßiger Körpertemperatur sind die freien Elektronen gleichmäßig verteilt! 20°C 20°C 20°C Elektronenbewegung bei 20°C 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin Das thermoelektrische Prinzip

  5. Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- Das thermoelektrische Prinzip des Thermoelementes Durch die einseitig erhöhte Temperatur werden die freien Elektronen durch die erhöhte brownsche Bewegung zur kalten Seite gedrückt. 569°C 20°C 988°C Elektronenbewegung bei 988°C e- Elektronenbewegung bei 20°C 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin Das thermoelektrische Prinzip

  6. Das thermoelektrische Prinzip des Thermoelementes Durch den Elektronenmangel (ECu,988°C) auf der heißen Seite und den Elektronenüberschuss (ECu, 20°C) auf der kalten Seite entsteht eine Thermospannung UCu T. Diese versuchen wir nun zu messen: ECu, 988°C ECu, 20°C 0.0mV 0.0mV UCu T 20°C 988°C 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin Das thermoelektrische Prinzip

  7. Das thermoelektrische Prinzip des Thermoelementes Lösung: Die Drähte zum Abgreifen der Spannung sind ebenfalls aus Kupfer! Durch die gleiche Spannung UCuT kann kein Strom fließen. 0.0mV UCu T 988°C 20°C UThermo = UCu – UMessdraht = 80mV – 80mV =0mV 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin Das thermoelektrische Prinzip

  8. Das thermoelektrische Prinzip des Thermoelementes Schlussfolgerung: Es bedarf es zwei unterschiedlicher Metalle! Damit ist eines der Potentiale (Elektronendruck) höher und es entsteht eine Spannungsdifferenz, welche als Thermospannung bezeichnet wird. NiCr 988°C 20°C 40.0mV 40.0mV UNiCr-NiAl T NiAl UThermo = UNiCr – UNiAl = 140mV – 100mV =40mV 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin Das thermoelektrische Prinzip

  9. Das thermoelektrische Prinzip des Thermoelementes Frage: Beeinflusst der Lötpunkt die Thermospannung? 988°C 20°C NiCr 0.0mV 40.0mV Sn UNiCr-NiAl T NiAl Der Lötpunkt ist auf gleicher Temperatur wie die Enden der Messdrähte. Also gibt es keine zusätzliche Thermospannung ab! 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin Das thermoelektrische Prinzip

  10. Typ S Thermoelement nach 14 Jahren bei 1260°C Die Messstelle 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin

  11. 4,320mV M7 4.320mV 520,0°C 520°C 4,133mV M6 490.,0°C 0,376mV M5 64,0°C 0,169mV M4 48,7°C 0,030mV M3 25,5°C 0,000mV M2 20,0°C 0,000mV M1 0,0°C Wo entsteht die Thermospannung? Gedankenversuch nach Fenton1969 4.320mV 520.0°C 7 4.133mV 490.0°C 20°C 0.376mV 64.0°C 0.169mV 503°C Isolierung 48.7°C 517°C 520°C 0.030mV ±3K-Raum 25.5°C 1 2 3 4 5 6 520°C 0.000mV 520°C ±3K 20.0°C 50°C 482°C 0.000mV Cu 20.0°C 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin Die Messstelle

  12. Zusammenfassung des Gedankenversuches • Die Thermospannung entsteht nicht in der Messspitze! • 92% der Thermospannung entstehen im Bereich mit dem größten Temperaturgradienten, z.B. in der Isolation des Ofens! Daraus ergeben sich folgende Konsequenzen: • Ein gebrauchtes Thermoelement immer an der gleichen Stelle (Tiefe) anbringen (2 mm)! • Ein gealtertes Thermoelement niemals ein Stück heraus ziehen! • Ein Ofen zur nachträglichen Kalibrierung von gealterten Thermoelementen muss den gleichen Temperaturgradienten haben, damit die Messung nicht verfälscht wird! 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin

  13. Isolierung ±3K-Raum 520°C Tauchmessung Oberflächenmessung Wichtige Aspekte für eine korrekte Messung • Unterscheidung in Tauchmessung (zwischen zwei Phasengrenzen) und Oberflächenmessung (auf einer Phasengrenze) erzwingen unterschiedliche Messstellenvorbereitung • Berücksichtigung der virtuellen Messstelle. Gegebenenfalls Bestimmung durch Messversuch. (Sehr wichtig für Oberflächenmessung!) • Die Lage des Thermoelementes nach Möglichkeit parallel zur Isotherme setzen. 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin Die Messstelle

  14. 5mm Der virtuelle Messpunkt durch Wärmeabfluss 778°C 748°C 718°C 10 mm 10 mm LV M V Wärmeabführung Virtueller Messpunkt 778°C 748°C 718°C 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin Die Messstelle

  15. Faktoren zur Beeinflussung der virtuellen Messstelle Die Entfernung der virtuellen Messstelle zum Messpunkt hängt im wesentlichen von der Wärmeleitfähigkeit der verwendeten Materialien ab und ist direkt proportional zum vorhandenen Temperaturgradienten. [35] Murdock, E. G. 1973 [41] Körtvélyessy, L. Messen Steuern, Regeln Nr. 9 /1969 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin Die Messstelle

  16. Die Lage des Thermoelementes • Das Thermoelement sollte so wenig Isothermen schneiden wie möglich • Experimentelle Bestimmung des virtuellen Messpunktes Tipp: • Für thermo-control Thermoelemente sollte die freie Eintauchstrecke der Schutzrohre in den Arbeitsraum des Ofens mind 50mm betragen • Berücksichtigung der Chargenbewegung um Brüche weitgehend zu vermeiden • Koaxialität der Durchführungen beachten, sonst besteht Gefahr des Wurzelbruches! 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin Die Messstelle

  17. Die Messspitze des Regel-Thermoelements wird in die Heizung gesetzt. Das Thermoelement steht senkrecht zur Isotherme. Der virtuelle Messpunkt liegt am äußeren Rand der Heizung und führt so zu Mess- bzw Regelfehler Position des Regelthermoelementes: Traditionell mittig Heizung Durchführung Isolierung LV 3K Zone LHeizung 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin

  18. Das Thermoelement liegt nun tangential zur Isotherme. Der virtuelle Messpunkt liegt so viel wie möglich auf der Isotherme. Position des Regelthermoelementes: Besser versetzt Neue Durchführung Heizung Isolierung LV 3K Zone 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin

  19. Die Zeitkonstante • Die rote Kurve entstand aus einer Messung eines Thermoelementes: • Offenes PtRh10 – Pt Thermopaar • 3mm Kapillarrohr aus Al2O3 • Eintauchzeit in Präzisionsrohrofen 0,3-0,5 s • Aus der Steigungstangente bestimmt man die Zeitkonstante des Thermoelementes: • 1T = 5,6s • 25°C + 218,75 K/S  5,6s = 1250°C • Wieso nimmt man diese Zahl und nicht die Einstellzeit bis zum Erreichen der 1250°C? 5,6s 218,75 K/s 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin Die Messstelle

  20. Die Zeitkonstante Nach der Durchwärmung der Teile wächst die Zeitkonstante von 5,6 auf T=15,7s Überlegung: t = 1T(15,7s): nach 1T sind 63% des Temperatur erreicht 799,35°C. Respektive 37% Messfehler, also 450,65K! t = 2T (31,4s): Die angezeigte Temperatur ist 1.084,21 °C, Rest 165,79K (~1/3 von 450,65K) t = 3T (47,1s): 95% der Temperatur ist erreicht. ~61K Fehler, was die Genauigkeit von Seger-Kegeln oder ältere Strahlungs- pyrometer erreicht. t = 6T (1min 35s): 99,75%, und damit die 3K Grenze erreicht. Entspricht der Genauigkeit Analog-Messgeräte. Bei billigen Digital- Messgeräten würde jedoch die Anzeige noch zwischen 1247°C und 1248°C schwanken, demnach ist die Einstellung noch nicht vollendet! t = 8T (~2min): 99,966% -> 0,41K Fehler. Ein Messgerät mit 0,1-°C Stelle würde noch springen  keine Einstellung erreicht. 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin Die Messstelle

  21. Die Zeitkonstante Überlegung zu Ende gedacht: t = 25T (6,5min): Die Nachweisgrenze ist erreicht bei 17µK (=0,000017K). Wie viel sind 17µK Temperaturunterschied? t = 100T (~26min): Grenzwertbetrachtung. Fehler läge rechnerisch bei 4,510-41K. Wie viel sind 4,510-41K Temperaturunterschied? Hochhaus 109g wird mit einem Streichholz erwärmt Die Milchstraße 1044g wird mit einer Tasse Tee erwärmt 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin Die Messstelle

  22. Temperatursprung [K] Anfangsgeschwindigkeit [K/s] = Zeitkonstante [s] Die Anfangsgeschwindigkeit Die Zeitkonstante allein kann nicht maßgebend sein, da in der Praxis die Temperatur immer schwankt. Das Thermoelement läuft immer der Temperatur hinterher. Eine hohe Anfangsgeschwindigkeit bedeutet eine schnelle Reaktion auf Temperaturschwankungen! Für Regelthermoelemente ist eine hohe Anfangsgeschwindigkeit sehr wichtig! Die Konstruktion ist maßgeblich für die Anfangsgeschwindigkeit! Thermoelement mit offener Messstelle Thermoelement mit 5mm Keramik-Schutzrohr Thermoelement mit 10mm Keramik-Schutzrohr V0 = 0 K/min 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin Die Messstelle

  23. H H H Elektrische Quellen für Messfehler Kontakt 100% Thermoelektron 20% Induktiv 100% K V + + + 520°C - - Galvanoelement - 0,5V Ionisierung 220V 20% 220V 30.000V 10% Reibungselektrizität Kapazitiver Strom 10% 2% Die Messstelle 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin

  24. Schaltbild für Kriechströme in Thermoelementen Beispiel an einem Thermoelement mit nur einer Kapillarführung L Große Kontaktflächen entlang des Kapillares Schutzrohr Trafo N Regler L Ein Kapillar (Schnitt) für alle 4 Thermodrähte Thermodraht Trafo N Schreiber Durch die große Kontaktfläche kann es leicht zu einem geschlossenem Stromkreis kommen  Es entsteht ein hoher Kriechstrom! 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin Die Messstelle

  25. Schaltbild für Kriechströme in Thermoelementen Beispiel an einem Thermoelement mit getrennter Kapillarführung N Kaum Kontaktflächen entlang der beiden Schutzrohre Schutzrohr Trafo L Regler L Eigenes Kapillar (Schnitt) für jedes Thermopaar Trafo Thermodraht N Schreiber Durch die getrennte Schutzrohre und Kapillare können fast keine Kontaktflächen entstehen  Es entsteht kaum Kriechstrom! 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin Die Messstelle

  26. 50 µm Typ S Thermoelementdraht Ausbildung der Korngrenzen durch Verunreinigungen SEM Aufnahme 2500x Das Driftverhalten 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin

  27. Das Prinzip der Drift Frage: Beeinflusst der Lötpunkt die Thermospannung? 988°C 20°C NiCr 0.0mV 40.8mV Sn UNiCr-NiAl T NiAl Das Stück Zinn ist auf gleicher Temperatur wie die Enden der Messdrähte. Also gibt es keine zusätzliche Thermospannung ab! 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin Das thermoelektrische Prinzip

  28. Das Prinzip der Drift Nach 200 h Betrieb macht sich aber doch was bemerkbar! 988°C 20°C NiCr 0.0mV 41.0mV Sn UNiCr-NiAl T NiAl Das Zinn diffundiert den Thermodraht entlang und verändert dessen thermoelektrische Eigenschaft! 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin Das thermoelektrische Prinzip

  29. Die Drift bei unedlen Thermodrähten • Beispiel für die Drift bei unedlen Thermodrähten Typ K Draht Ø 0,5 mm bei 900°C 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin

  30. Die Drift bei Edelmetall Thermodrähten • Beispiel für die Drift bei gleich dicken Edelmetall - Thermodrähten Typ S Ø 0,35 mm bei 1200°C 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin

  31. Verwendung unterschiedlich dicker Thermodrähte • Durch Anpassung der Draht-Durchmesser wird die Alterungsgeschwindigkeit angepasst. Es entsteht keine Drift mehr. • Beispiel für die Drift bei unterschiedlich dicken Thermodrähten bei 1200°C 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin

  32. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

  33. Kontakt Dipl.-Ing(FH) Daniel Körtvélyessy Geschäftsführer thermo-control Körtvélyessy GmbH Grünspechtweg 19 D-13469 Berlin Telefon: +49 (0)30 40 586 940 Telefax: +49 (0)30 40 586 941 E-Mail: info@thermo-control.com Internet: http://www.thermo-control.com 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin

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