Thermoelemente in der Praxis

Thermoelemente in der Praxis

Temperaturmessung mit Thermoelementen

2012-05-08 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin 2

Übersicht der Themen

Das thermoelektrische Prinzip

Die Messstelle

Das Driftverhalten


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Cu+

Cu+

Cu+



Das thermoelektrische Prinzip des Thermoelementes

e- Elektronenbewegung bei 20°C

20°C 20°C

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20°C

Bei gleichmäßiger Körpertemperatur sind die freien Elektronen gleichmäßig verteilt!



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Cu+

988°C 20°C569°C

Durch die einseitig erhöhte Temperatur werden die freien Elektronen durch die erhöhte brownsche Bewegung zur kalten Seite gedrückt.






UCu T

988°C 20°C

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.

ECu, 988°C

0.0 mV0.0 mV

Diese versuchen wir nun zu messen:

ECu, 20°C



UCu T

0.0 mV


988°C 20°C

Lösung:Die Drähte zum Abgreifen der Spannung sind ebenfalls aus Kupfer! Durch die gleiche Spannung UCuT kann kein Strom fließen.

UThermo = UCu – UMessdraht = 80mV – 80mV = 0mV




988°C 20°C

Schlussfolgerung:Es bedarf es zwei unterschiedlicher Metalle! Damit ist eines der Potentiale (Elektronendruck) höher und es entsteht eine Spannungsdifferenz, welche als Thermospannung bezeichnet wird.

NiAl

NiCr

UNiCr-NiAl T

40.0 mV40.0 mV

UThermo = UNiCr – UNiAl = 140mV – 100mV = 40mV




988°C 20°C

Frage: Beeinflusst der Lötpunkt die Thermospannung?

NiAl

NiCr

UNiCr-NiAl T

Der Lötpunkt ist auf gleicher Temperatur wie die Enden der Messdrähte.

Also gibt es keine zusätzliche Thermospannung ab!

Sn0.0 mV40.0 mV



Typ S Thermoelement nach 14 Jahren bei 1260°C

Die Messstelle


4,133 mV

490.,0 °C

M6

Wo entsteht die Thermospannung?

Isolierung

±3K-Raum

520°C ±3K

4,320 mV

520,0 °CM7

0,376 mV

64,0 °CM5

0,169 mV

48,7 °CM4

0,030 mV

25,5 °CM3

0,000 mV

0,0 °CM1

0,000 mV

20,0 °CM2

4.320 mV

520 °C

7

6

0.000 mV

20.0 °C

0.000 mV

20.0 °C

0.030 mV

25.5 °C

0.169 mV

48.7 °C

0.376 mV

64.0 °C

4.133 mV

490.0 °C

4.320 mV

520.0 °C

Gedankenversuch nach Fenton1969

Die Messstelle

520°C

520°C

517°C

503°C

482°C 50°C

20°C

12 3 4 5

Cu


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!


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.

Isolierung

±3K-Raum

520°C

Tauchmessung Oberflächenmessung

Die Messstelle


Der virtuelle Messpunkt durch Wärmeabfluss

778°C 748°C 718°C

5mm

10 mm10 mm

778°C 748°C 718°C

Wärmeabführung

Virtueller Messpunkt

Die Messstelle

MV

LV


Faktoren zur Beeinflussung der virtuellen Messstelle

Typ Draht

[mm]

Mat. Schutzrohr

[mm]

Ø Schutzrohr

[mm]

LV

[mm]

S 0,5 Al2O3 8 30

K 1,4 Al2O3 8 28

S 0,5 Al2O3 21 80

S 0,5 Al2O3 5 15

K 0,6 CrNi 3 8

K 1,0 CrNi 5 20

Die Entfernung der virtuellen Messstelle zum Messpunkt hängt im wesentlichen von der Wärmeleitfähigkeit der verwendeten Materialien ab und ist direkt proportional zum vorhandenen Temperaturgradienten.

Die Messstelle

[35] Murdock, E. G. 1973[41] Körtvélyessy, L. Messen Steuern, Regeln Nr. 9 /1969


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!

Die Messstelle


Position des Regelthermoelementes: Traditionell mittig

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

Heizung

3K Zone

Durchführung

Isolierung

LHeizung

LV


Position des Regelthermoelementes: Besser versetzt

Das Thermoelement liegt nun tangential zur Isotherme.

Der virtuelle Messpunkt liegt so viel wie möglich auf der Isotherme.

Heizung

3K Zone

NeueDurchführung

IsolierungLV


Die Zeitkonstante

°C

1250 °C

0 20 40 60 80 100 120

5,6s

218,75 K/s

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?

Die Messstelle


°C

1250 °C

0 20 40 60 80 100 120

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.

Die Messstelle


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 4,510-41K. Wie viel sind 4,510-41K Temperaturunterschied?

Hochhaus 109g wird mit einem Streichholz erwärmt Die Milchstraße 1044g wird mit einer Tasse Tee erwärmt

Die Messstelle


Die Anfangsgeschwindigkeit

Die Zeitkonstante allein kann nicht maßgebend sein, da in der Praxis die Temperatur immer schwankt. Das Thermoelement läuft immer der Temperatur hinterher.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9min

%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 5mm Keramik-Schutzrohr

Anfangsgeschwindigkeit [K/s] =Temperatursprung [K]

Zeitkonstante [s]

Die Messstelle

V0 = 0 K/min

Thermoelement mit 10mm Keramik-Schutzrohr

Thermoelement mit offener Messstelle


K V

Elektrische Quellen für Messfehler

-

+

-

+

520 °C

-

+

Kontakt 100%

H HHInduktiv 100%

Ionisierung 220V

2%

220V10%

Thermoelektron

20%

Reibungselektrizität10%Kapazitiver Strom

30.000V

Galvanoelement

0,5V

20%

Die Messstelle


Schaltbild für Kriechströme in Thermoelementen

Regler

Trafo

L

N

Schreiber

Schutzrohr

Ein Kapillar (Schnitt) für alle 4 Thermodrähte

Thermodraht

Große Kontaktflächen entlang des Kapillares

Trafo

L

N

Beispiel an einem Thermoelement mit nur einer Kapillarführung

Durch die große Kontaktfläche kann es leicht zu einem geschlossenem Stromkreis kommen Es entsteht ein hoher Kriechstrom!

Die Messstelle


Schaltbild für Kriechströme in Thermoelementen

Regler

Trafo

L

N

Schreiber

Schutzrohr

Thermodraht

Kaum Kontaktflächen entlang der beiden Schutzrohre

Trafo

L

N

Beispiel an einem Thermoelement mit getrennter Kapillarführung

Durch die getrennte Schutzrohre und Kapillare können fast keine Kontaktflächen entstehen Es entsteht kaum Kriechstrom!

Eigenes Kapillar (Schnitt) für jedes Thermopaar

Die Messstelle


Das Driftverhalten

Typ S Thermoelementdraht Ausbildung der Korngrenzen durch Verunreinigungen

SEM Aufnahme 2500x

50 µm


Das Prinzip der Drift

988°C 20°C

Frage: Beeinflusst der Lötpunkt die Thermospannung?

NiAl

NiCr

UNiCr-NiAl T

Das Stück Zinn ist auf gleicher Temperatur wie die Enden der Messdrähte.

Also gibt es keine zusätzliche Thermospannung ab!

Sn0.0 mV40.8 mV



Das Prinzip der Drift

988°C 20°C

Nach 200 h Betrieb macht sich aber doch was bemerkbar!

NiAl

NiCr

UNiCr-NiAl T

Das Zinn diffundiert den Thermodraht entlang und verändert dessen thermoelektrische Eigenschaft!

Sn


0.0 mV41.0 mV


Die Drift bei unedlen Thermodrähten

Beispiel für die Drift bei unedlen Thermodrähten Typ K Draht Ø 0,5 mm bei 900°C

ΔT Neu ΔT 1. Tag ΔT 20. Tag ΔT 40. Tag

Positiver Draht

(NiCr)+0,0 K +0,5 K +1,2 K +1,8 K

Negativer Draht

(NiAl)+0,0 K -1,5 K -4,3 K -5,7 K

ΔT = Drift

= Positiv - Negativ0,0 K +2,0 K +5,5 K +7,5 K


Die Drift bei Edelmetall Thermodrähten

Beispiel für die Drift bei gleich dicken Edelmetall - Thermodrähten Typ S Ø 0,35 mm bei 1200°C

ΔT Neu ΔT 1. Jahr ΔT 2. Jahr ΔT 3.Jahr

Positiver Draht

(PtRh10%)+0,0 K +0,2 K +0,5 K +1,2 K

Negativer Draht

(Pt)+0,0 K +2,2 K +4,0 K +6,5 K

ΔT = Drift

= Positiv - Negativ0,0 K -2,0 K -3,5 K -5,0 K


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

ΔT Neu ΔT 1. Jahr ΔT 2. Jahr ΔT 3.Jahr

Positiver Draht (PtRh10%) +0,0 K +0,2 K +0,5 K +1,2 K

Negativer Draht

(Pt)+0,0 K +0,2 K +0,5 K +1,2 K

ΔT = Drift

= Positiv - Negativ0,0 K 0,0 K 0,0 K 0,0 K

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!


Kontakt

Dipl.-Ing(FH) Daniel KörtvélyessyGeschäftsführer

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: [email protected]

Internet: http://www.thermo-control.com

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