Optimierung des Wirkungsgrades, effizientere Ausnutzung des Arbeitsbereiches eines Prozesses, Vermeidung einer thermischen Überbeanspruchung des Prozessmediums – die Gründe für die Verwendung elektrischer Thermometer mit kurzen Ansprechzeiten sind vielfältig.
Die Grafik zeigt ein zu träges Thermometer (rot)
Speziell konstruierte Thermometer stellen sicher, dass die gemessene Temperatur der tatsächlichen Prozesstemperatur nicht „hinterherläuft“.
Im Beispiel rechts entspricht die blaue Linie der Prozesstemperatur.
Die rote Linie zeigt die vom elektrischen Thermometer übertragene Temperaturangabe.
Der optimale konstruktiven Aufbau eines „schnellen“ Widerstandsthermometers oder Thermoelementes ist essentiell für eine schnelle Ansprechzeit. Auch gilt es die immer vorhandene Wärmeableitung zu minimieren.
Wie aber werden diese Ansprechzeiten ermittelt?
Und auf welcher normativen Grundlage geschieht dies?
Gleich mehrere Normen und Richtlinien bilden die Grundlage für diese Messungen.
- 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 3.11 Begriffsdefinition der Thermischen Ansprechzeit / Angabe der Messparameter
In von Nord-Amerika 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” die Basis der Messungen und deren Messmethoden.
Generell muss zwischen der Messung in strömendem Wasser und der Messung in Luft unterschieden werden.
Messung in Wasser
Wasserbad mit umlaufender Strömung
Gleichmäßig temperiertes Wasser wird mit einer Pumpe in eine gleichmäßige, laminare Strömung versetzt.
Der temperaturempfindliche Teil des Prüflings wird mittels einer beweglichen Vorrichtung sehr schnell aus dem Bereich von Temperatur 1 (Umgebungstemperatur) in den Bereich der Temperatur 2 (Wassertemperatur) versetzt (Temperatursprung).
Grafische Darstellung der Sprungantwort
Den Zeitlichen Verzug (die Ansprechzeit) bis der Prüfling die (bekannte) Wassertemperatur erreicht hat, wird damit ermittelt und aufgezeichnet (Sprungantwort).
Parameter für Messmedium Wasser (IEC 60751):
- Fließgeschwindigkeit vmin: 0,3 m/s ± 0,1 m/s
- Anfangstemperatur: zwischen +5 °C und +30 °C
- Temperatursprung: max. 10 °C
Messung in Luft
Vorrichtung zur Messung der Ansprechzeit in Luft
Gleichmäßig temperierte Luft (T1) wird mittels Gebläse in eine gleichmäßige (laminare) Strömung versetzt.
Der Prüfling ist in eine Haltevorrichtung im Luftstrom montiert. Ein elektrisches Heizgitter erzeugt schlagartig eine höhere Temperatur (T2) des Luftstromes.
Die Messung der Ansprechzeit in Luft ist der in Wasser natürlich prinzipiell ähnlich.
Auch hier wird ein Temperatursprung von T1 auf T2 erzeugt und der zeitliche Verzug gemessen.
Allerdings sind die physikalischen Rahmenbedingungen – wie der Wärmeübergangswiderstand von Luft in 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.
Parameter für Messmedium Luft (IEC 60751):
- Strömungsgeschwindigkeit vmin: 3 ± 0,3 m/s)s
- Anfangstemperatur: zwischen +5 °C und +30 °C
- Temperatursprung: max. 10 °C
Ausschnitt Diagramm Ansprechzeiten
Wichtige Schwellenwerte sind die Temperatur-Prozentwerte 50 % (t0,5), 63 % (t0,63) und 90 % (t0,9).
Diese Werte geben an, nach welcher Zeit der sich Prüfling 50 %, 63 % oder 90 % der Wassertemperatur bzw. Lufttemperatur angeglichen hat.
Der Wert für 100 % wird nicht ermittelt, da diese 100 % aufgrund von Wärmeableitungseffekten praktisch nie erreicht werden.
Hinweis
Informationen zu unseren Widerstandsthermometern oder Thermoelementen finden Sie auf der WIKA-Webseite.
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