11 Jul

Diskussion: Einflüsse und Ansprechzeiten von technischen Thermometern

Thermo Scientific ELEMENT XR HR-ICP-MS

 Im Rahmen eines Versuches werden im folgenden äußere Einflüsse auf Messungen mit Thermometern eingegangen. Außerdem werden die gemessenen Ansprechzeiten verschiedener Thermometer mit den theoretischen Vermutungen verglichen. 

(Die Abbildungen dürfen aus Eigentumsrechtlichen Gründen hier leider nicht veröffentlicht werden.)

1. Einflüsse auf Thermometer
1.1 Umpolung des Thermoelements

(Abbildung 1: TE bei Umpolung )

Bei der Temperaturmessung mit einem Thermoelement kann es zu einer Verwechselung der Kontakte kommen. In dem Versuch wird die Umpolung simuliert. Von der 1. Bis zur 31. Messung ist die Umpolung des Thermoelements nur gering ersichtlich. Wie in Abbildung (1) zu sehen, ist bis zur 31. Messung der Wert des fehlerhaften Sensors konstant. Die Daten der Temperatur liegt im Mittel 0,160 K unter der Referenzmessung. Durch den Seebeck-Effekt tritt bei einer Temperaturdifferenz zwischen Messungsstelle und Referenzstelle eine Spannung ein: Bei Umpolung gilt der Seebeck-Koeffizient KAB aus Gleichung (1) für die Berechnung der Temperatur nicht mehr alleine. Bei Umpolung müsste wie bei Gleichung (2) der Koeffizient KBA zusätzlich verwendet werden. Nur dann kann eine korrekte Temperatur berechnet werden.

UAB =UA-UB= KA·(JM -JV)-KB·(JM -JV)= (KA -KB)·(JM -JV)= KAB·(JM -JV)    (1)

UBA = KAB·(JM – JK) + KBA·(JK – JV)   (2)

Ab der 30. Messung wird, nach Versuchsbeschreibung, die Kontaktfläche mit einer Hand berührt. Die Referenztemperatur bleibt konstant, dabei sinkt die Temperatur des fehlerhaften Thermoelements. Nach kurzer Einschwingphase, fällt die Temperaturmessung des TEs linear bis zur 59. Messung. Die Auflegung der Hand bringt einen zusätzlichen Wiederstand in das System. Bei korrektem Anschluss wird dadurch eine höhere Temperatur gemessen, da die Spannung an der Messstelle steigt. Es würde ein höheres Spannungsgefälle entstehen. Bei falschen Anschluss tritt ein rückläufiger Effekt auf: Bei der 59. Messung ergibt sich der globale Minimalwert von 57,88 °C.

1.2 Leitungsverlängerung bei einem Thermoelement

(Abbildung 2: 50-Meterkabel bei TE)

 Bei einem Thermoelement wird der Stromfluss im Leiter, des 2-Phasigen Systems, gemessen. Mit der Verlängerung der Leitung steigt auch der Eigenwiederstand der Leitung an. Aus Gleichung (3) folgt, bei höherem Wiederstand verringert sich bei gleicher Stromstärke der Spannungsfluss.

 

U = R·I                                                                                                        (3)
Die Referenzmessung hat das globale Maximum bei Messung 43. Beim Thermoelement kann der Temperaturzuwachs hier nicht verzeichnet werden. Durch den hohen Leitungswiederstand ist die Spannungsdifferenz an der Temperaturmessstelle höher als an der Spannungsmessstelle. Dadurch wird nur ein geringerer Spannungszuwachs verzeichnet. Bei der Berechnung der Thermospannung müsste zusätzlich der Leitungswiederstand miteinberechnet werden.

1.3 Leitungsverlängerung bei einem Platin-Wiederstand

(Abbildung 3: Einflüsse auf das PT100)

Wie bei der manuellen Messung des Kohlewiederstandes hat die Leitungsveränderung Einflüsse auf das Messergebnis. Bei einem 2-Leiter-System wird die Spannung an der Stromquelle gemessen. Dadurch besteht der Gesamtwiederstand aus Leitungswiederstand und dem Messwiederstand des Pt-100. Bei Leitungsverlängerung (und bei Temperaturerhöhung der Leitung) ändert sich der Leitungswiederstand [2]. Der Wiederstand eines Platinwiederstandes erhöht sich bei Temperaturerhöhung annährend linear. Bei Spannungsabfall an der Messstelle, geht das Messgerät von einer steigenden Temperatur aus. In unserem Fall bewirkt der zusätzliche Wiederstand des Kabels einen erhöhten Gesamtwiederstand, das führt zu einem Spannungsabfall. Der Spannungsabfall wird vom Messgerät falsch interpretiert und wird als Temperaturerhöhung aufgefasst. Wie in Abbildung 4 zu sehen, entsteht dadurch die höchste Temperaturänderung mit einer Gesamttemperatur 108,30 °C.

Auch der kürzere 2-Phasen-Anschluss des Platin-Wiederstandes erwirkt einen registrierten Wiederstand. Beim 4-Phasen-Anschluss kann hier der Unterschied festgestellt werden:

Durch eine Trennung des Speisestroms und der Spannungsmessung durch einen hochohmigen Wiederstand, kann der bereinigte Spannungsabfall an dem Platinwiederstand, ohne dem Zuleitungswiederstand gemessen werden. Da in der Leitung der Spannungsmessung, ein vernachlässigbar kleiner Messstrom durchfließt (hochohmiger Wiederstand) fällt sehr geringe Spannung über die Leitung ab, ein genauer Wert kann bei der 4-Leiter-Schaltung gemessen werden.

 

2. Diskussion der Ansprechzeitenaufnahme

(Abbildung 4: Ansprechzeiten der Sensoren)

Bei gleichem Versuchsaufbau sollten die Ansprechzeiten einen konstanten Verlauf zeigen. Durch zufällige und systematische Fehler sind im Versuch Abweichungen entstanden. Die Temperaturmessgeräte wurden vor der Messung nicht kalibriert. Das Temperiergerät des Thermostats wurde nicht kalibriert. Als weiteren systematischen Fehler ist eine falsche Anzeige des Thermostates nicht auszuschließen. Die Fehler sind über den Verlauf des Versuchs konstant und können teilweise bis vollständig eliminiert werden. Bei den Ansprechzeiten sind durchaus systematische Fehler vorhanden. Da die Fehler eine konstante Temperaturdifferenz zur realen Temperatur hervorrufen, kann der Fehler nicht die Abweichung der Ansprechzeiten verursacht haben. Zusätzlich können zufällige Fehler die Ansprechzeiten beeinflussen. Die Messung wird manuell mit dem Eintauchen der Thermometer gestartet. Auf die Außenhaut der Sensoren wirkt bereits beim Umstecken ein Temperaturunterschied. Die Ansprechzeit ist daher auch von der Umsteck-Geschwindigkeit der Thermometer abhängig. Auch der Einfluss der Versuchsteilnehmer kann nicht ausgeschlossen werden. So ist es möglich, die Thermometer am Messstab zu berühren. Die zusätzliche Wärme wirkt sich positiv auf die Ansprechzeiten aus. Auch die Kontaktierung an den Anschlüssen der Thermometer kann sich verändert haben: Es kann somit nicht mit Sicherheit von einer Temperaturänderung ausgegangen werden, die Änderung kann auch durch den zusätzlichen Leitungswiederstand an den Kontaktstelle hervorgerufen worden sein.

Das Thermoelement hat die geringste Ansprechzeit. Die freien Elektronen im Metall geben den Temperaturunterschied mit höchster Geschwindigkeit an den Sensor weiter. Der Spannungsunterschied kann nach durchschnittlich 3,5 Sekunden gemessen werden. Auch der Platin-Wiederstand ist in Metall-Ummantelung ausgeführt. Dadurch kann auch hier die Temperaturdifferenz gut übertragen werden. Der NTC-Wiederstand ist mit Kunststoff ummantelt. Der Wärmeübergangskoeffizient von Kunststoff ist mit 0,17 bis 0,57 W/mK [1] erheblich kleiner als der Koeffizient von Metall [3]. Im Metall wird die Wärme durch die Elektronen übertragen, da diese frei beweglich vorliegen, liegt ein schneller Austausch vor. Bei Kunststoff tritt der umgekehrte Fall auf: Elektronen sind in molekularen Bindungen gefestigt. Die Wärmeübertragung tritt hier in Form der Brownschen-Molekularbewegung auf. Der Wiederstand erfährt die Spannungsdifferenz erst nach einigen Sekunden. Der PTC-Wiederstand ist auch in Kunststoff eingebettet. Die Übertragung der Wärme erfolgt hier nach gleichen Prinzip. Der PTC-Wiederstand erfährt dadurch auch nach dem NTC-Wiederstand die langsamste Wärmezunahme.

 

verwendete Quellen:

[1]       Lehrstuhl für Fertigungsmesstechnik, 2018.Versuchsanleitung Versuch V3 Temperaturmesstechnik.

[2]       Innorat GmbH, 2010.Wärmeleitfähigkeit Kunststoffe Werkstoffe. http://www.innorat.ch/Kunststoffe_u2_69.html

[3]       Hans-Jürgen-Bargel, Hermann Hilbrans, 2008.Werkstoffkunde S.275.