Das richtige Thermometer auswählen

Um das am besten geeignete Thermometer für eine bestimmte Anwendung auszuwählen, müssen die folgenden Punkte berücksichtigt werden:

• Benötigen Sie ein stationäres Gerät für die kontinuierliche Überwachung eines industriellen Prozesses oder ein tragbares Gerät für punktuelle oder mobile Messungen?
• Kommt das Thermometer mit dem Messobjekt in Kontakt oder nicht?
• Welchen Temperaturbereich möchten Sie messen? Wie hoch sind die Mindest- und Höchsttemperaturen?
• Soll es plötzliche Temperaturschwankungen messen (Reaktionszeit)?
• Wo soll das Thermometer installiert werden? Muss es aus der Ferne abgelesen werden?
• Wie wird das Thermometer installiert? Welche Befestigungsmöglichkeiten gibt es?
• Unter welchen Umgebungs- und Prozessbedingungen wird das Thermometer eingesetzt (atmosphärische Bedingungen, Vibrationen, Materialverträglichkeit mit aggressiven Flüssigkeiten)?
• Benötigen Sie eine Speicherfunktion, um Messergebnisse zu speichern?
• Benötigen Sie ein Ausgangssignal, um einen Produktionsprozess zu steuern?

Es gibt zwei Haupttypen von Thermometern: Kontaktthermometer, die in direktem Kontakt mit dem zu messenden Objekt stehen müssen, und berührungslose Thermometer, die Messungen aus der Entfernung vornehmen.

Kontaktthermometer

Diese Thermometer verfügen über ein Sensorelement, dessen Eigenschaften sich mit der Temperatur verändern. Die tatsächlich gemessene Temperatur ist in Wirklichkeit die Temperatur des Sensorelements. Um die Temperatur des Messobjekts zu messen, müssen das Sensorelement und das Messobjekt ein thermisches Gleichgewicht erreichen. Mit anderen Worten: Das Sensorelement muss die Temperatur des Messobjekts erreichen. Um dies zu erreichen, ist ein guter Kontakt zwischen dem Sensorelement und dem Messobjekt erforderlich, und zwar so lange, bis sie ein thermisches Gleichgewicht erreicht haben.

Wir können zwischen verschiedenen Arten von Kontaktthermometern unterscheiden:

• mit Glasrohr
• mit Flüssigkeitsausdehnung
• mit Gasausdehnung
• bimetallisch
• elektronisch (Thermoelement, Thermistor, Widerstand)

Vorteile

Je nach Konfiguration des Thermometers und des Sensorelements kann Folgendes gemessen werden:

• • die Temperatur einer Oberfläche (achten Sie darauf, dass der Sensor und die Oberfläche korrekt in Kontakt sind)
  • die Innentemperatur, mit einem Sensor, der in das zu messende Medium eindringt
  • die Temperatur einer Flüssigkeit oder eines Gases

Nachteile

• Die Reaktionszeit ist lang, da Sie warten müssen, bis sich das Thermometer im thermischen Gleichgewicht mit dem Ziel befindet.
• Die Genauigkeit der Messung hängt von der Qualität des Kontakts zwischen dem Sensor und dem Ziel ab.
• Die maximale Temperatur hängt von der Stärke der Materialien ab.

Berührungslose Thermometer

Mit berührungslosen Thermometern können Sie die Temperatur aus der Ferne messen, ohne direkten Kontakt mit dem Messobjekt. Diese Thermometer arbeiten mit Infrarot.

Vorteile

• Die Messung erfolgt unverzüglich.
• Berührungslose Thermometer sind mit sehr hohen Temperaturen kompatibel.
• Sie sind ideal für Messungen, bei denen ein Kontakt mit dem Messobjekt nicht möglich ist, wie z. B. bei der Messung der Temperatur von korrosiven Flüssigkeiten oder rotierenden Zylindern.

Nachteile

• Diese Thermometer messen nur die Oberflächentemperatur, nicht die Innentemperatur.
• Berührungslose Thermometer messen nicht die Temperatur von Gasen.

Glasrohr-Thermometer von SIKA

Diese Thermometer bestehen aus einem Glasrohr, in dem sich ein Flüssigkeitsreservoir befindet, das mit einem Kapillarrohr verbunden ist.

Funktionsweise

Das Glasrohrthermometer funktioniert auf der Grundlage der volumetrischen Ausdehnung einer Flüssigkeit, die durch einen Temperaturanstieg verursacht wird. Aufgrund des sehr kleinen Durchmessers des Kapillarrohrs führen geringfügige Änderungen des Flüssigkeitsvolumens zu sichtbaren Unterschieden in der Höhe der Flüssigkeitssäule. Diese Höhe entspricht einer bestimmten Temperatur, die auf der auf dem Außenrohr eingravierten Skala angegeben ist.

Auswahl der Flüssigkeit

Quecksilber war lange Zeit die am weitesten verbreitete Flüssigkeit, weil sie als die effizienteste galt. Es klebt nicht am Glas, erreicht schnell das thermische Gleichgewicht und ermöglicht die Messung einer großen Bandbreite von Temperaturen.

Aufgrund seiner Giftigkeit wurde Quecksilber jedoch in den meisten Anwendungen durch andere Flüssigkeiten ersetzt, z. B. durch mit Tinte gefärbten Alkohol.

Anwendungen

Diese Thermometer werden immer noch häufig in Laboratorien und im Lebensmittelbereich verwendet. Sie sind in einer festen und einer tragbaren Version erhältlich. Bei den stationären Industriemodellen ist das Glasrohr durch ein Metallgehäuse geschützt, was das Thermometer robuster macht.

Vorteile

• Sie benötigen keinen Stromanschluss.
• Sie nehmen Messungen mit hoher Präzision vor.
• Der Messbereich hängt von der verwendeten Flüssigkeit ab und liegt zwischen -200°C und 1000°C.
• Sie werden nicht durch Vibrationen beeinträchtigt.

Nachteile

• Das Glasrohr ist zerbrechlich.
• Die Reaktionszeit ist lang, da die Flüssigkeit ein thermisches Gleichgewicht mit dem Messobjekt erreichen muss.

Gasausdehnungsthermometer von JUMO

Mechanische Gasausdehnungs- oder Flüssigkeitsausdehnungsthermometer sind analoge Thermometer mit einer runden Skala.

Sie bestehen aus einem Reservoir, das sich im Messrohr befindet, und einer Rohrfeder, die einen hermetisch geschlossenen Kreislauf bilden, der eine Flüssigkeit oder ein inertes Gas unter Druck enthält.

Ein Kapillarrohr kann zwischen dem Messrohr und der Rohrfeder angebracht werden, um die Skala von der Messstelle zu entfernen und die Messung aus mehreren Metern Entfernung vorzunehmen.

Unter dem Einfluss der Temperatur verändert sich der Innendruck des Systems, wodurch sich die Rohrfeder verformt. Diese Bewegung wird durch einen Mechanismus auf den Zeiger übertragen, der sich auf einer skalierten Skala bewegt.

Vorteile

• Diese Thermometer benötigen keine Stromversorgung, da sie rein mechanisch funktionieren.
• Sie nehmen Messungen mit hoher Präzision vor.
• Der Messbereich hängt von der verwendeten Flüssigkeit bzw. dem Gas ab (zwischen -40 und 400°C für Flüssigkeiten, zwischen -200 und 700°C für Gase).
• Die Messung erfolgt schnell.
• Das Display kann mit Hilfe eines Kapillarrohrs mehrere Meter von der Messstelle entfernt montiert werden.

Nachteile

• Der Mechanismus dieser Thermometer ist empfindlich gegenüber Erschütterungen. Wie bei den Rohrfedermanometern, die das gleiche Funktionsprinzip haben, gibt es Thermometer mit einer Dämpfungsflüssigkeit, die den Mechanismus vor Vibrationen schützt.
• Die Umgebungstemperatur kann die Messung beeinflussen.

Bimetallisches Thermometer von AMETEK

Es gibt zwei Arten von Festkörperthermometern: Bimetallthermometer und Einstabthermometer. Beide beruhen auf den thermischen Ausdehnungseigenschaften von Metallen.

Metallstangen-Ausdehnungsthermometer

Das Sensorelement ist ein Metallstab, der eine lineare Ausdehnung proportional zum Temperaturanstieg erfährt. Die Veränderung der Länge des Balkens wird durch ein mechanisches System auf den Zeiger übertragen, der sich auf einer Skala bewegt.

Bimetallische Thermometer

Das Sensorelement besteht aus zwei Blechen aus verschiedenen Metallen, die durch Schweißen oder Kleben miteinander verbunden und spiralförmig gewickelt sind.

Da die beiden Metalle unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, dehnen sich die Schaufeln bei Erwärmung nicht in gleichem Maße aus, wodurch sich das Bimetallelement verbiegt. Diese Verformung wird durch ein mechanisches System auf den Zeiger übertragen, der das Ergebnis der Messung auf einer Skala anzeigt.

Bimetallthermometer sind in einer festen Version für die dauerhafte Integration in einen Prozess und in einer tragbaren Version für punktuelle Messungen erhältlich.

Vorteile

• Diese Thermometer benötigen keine Stromversorgung, da sie rein mechanisch funktionieren.
• Sie kosten weniger als Gas- oder Flüssigkeitsthermometer.
• Die Umgebungstemperatur hat keinen Einfluss auf die Messung.

Nachteile

• Die Reaktionszeit ist lang, da das Bimetallelement nur langsam auf Temperaturschwankungen reagiert.
• Im Gegensatz zu Gas- oder Flüssigkeitsausdehnungsthermometern mit Kapillarrohren ist es nicht möglich, das Display und den Sensor zu trennen, um die Messwerte aus der Ferne abzulesen.
• Diese Thermometer sind empfindlich gegenüber Erschütterungen.

Tragbares Thermometer von CHAUVIN ARNOUX

Elektronische Kontaktthermometer bestehen aus einem Sensor und einer elektronischen Schaltung, die das elektrische Signal des Sensors in Informationen über die gemessene Temperatur umwandelt, die auf einem Display angezeigt werden.

Es gibt drei Arten von elektronischen Thermometern. Sie unterscheiden sich durch den Typ des Temperatursensors, der ein elektrischer Widerstand, ein Thermistor oder ein Thermoelement sein kann.

Widerstandsthermometer

Widerstandsthermometer bestehen aus einem gewickelten Metalldraht, dessen elektrischer Widerstand sich mit der Temperatur ändert. Durch die Messung der Widerstandsänderung dieses Elements kann also die Temperatur gemessen werden.

Die am häufigsten in Sensorelementen verwendeten Metalle sind Platin, Kupfer und Nickel. Mit jedem dieser Metalle können Sie einen bestimmten Temperaturbereich messen. Die gebräuchlichsten sind die Platin-Thermowiderstände PT100 und PT1000, die bei 0°C einen Widerstand von 100 bzw. 1000 Ohm haben.

Vorteile

• Diese Thermometer sind sehr präzise  und werden oft als Referenzthermometer verwendet.
• Thermowiderstände liefern ein besseres lineares Signal als andere elektronische Thermometer.
• Sie bieten einen großen Messbereich, von -250 bis 1100°C im Falle von Platinsensoren.

Nachteile

• Die Reaktionszeit ist im Vergleich zu Thermoelementen länger.
• Sie sind teurer.
• Sie sind voluminöser.

Thermometer mit Thermistor

Ein Thermistor ist ein Halbleiter (aus gesinterten Metalloxiden), der sehr temperaturempfindlich ist. Sein elektrischer Widerstand variiert z. B. zehnmal stärker als der eines Platinsensors.

Es gibt zwei Arten von Thermistoren:

• NTC (Negative Temperature Coefficient), deren Widerstand mit steigender Temperatur abnimmt und die einen Messbereich zwischen -200 und 1000°C haben
• PTC (Positiver Temperaturkoeffizient), deren Widerstand mit steigender Temperatur zunimmt und die einen Messbereich zwischen 0 und 100°C haben

Vorteile

• Thermistoren sind empfindlicher als Widerstandsthermometer.
• Sie sind kompakter als Widerstandsthermometer.

Thermoelement-Thermometer

Ein Thermoelement funktioniert auf der Grundlage des Seebeck-Effekts. Es besteht aus zwei Drähten aus verschiedenen Metallen, die an einem Ende zusammengeschweißt werden und eine so genannte Heißverbindung bilden. Kurz gesagt, ein Thermoelement misst die Temperatur der heißen Verbindung, die der zu messenden Temperatur ausgesetzt ist.

Es gibt verschiedene Arten von Thermoelementen, die jeweils mit einem Buchstaben gekennzeichnet sind, der von den Materialien abhängt, aus denen sie hergestellt sind. Sie unterscheiden sich in Bezug auf Empfindlichkeit und Messbereich.

Vorteile

• Die Messung erfolgt schnell.
• Die verschiedenen Typen von Thermoelementen decken einen breiten Temperaturbereich von -270 bis 2000°C ab.
• Sie sind sehr erschwinglich.

Einer der Hauptvorteile elektronischer Thermometer ist die große Vielfalt der verfügbaren Konfigurationen: feste Thermometer für die kontinuierliche Prozessüberwachung, tragbare Geräte für punktuelle Messungen, Geräte, die aus der Ferne abgelesen werden können, usw.

Infrarot-Thermometer von FLUKE

Infrarot-Thermometer sind eine neue Technologie, die jedoch in vielen Bereichen auf dem Vormarsch ist.

Alle Oberflächen geben Energie in Form von Infrarotstrahlung ab. Je höher die Oberflächentemperatur, desto mehr Energie wird abgestrahlt. Bei einem Infrarotthermometer, auch Pyrometer genannt, wird die von einer Oberfläche abgegebene Strahlung durch eine Linse auf einen Infrarotsensor gerichtet, dessen Ausgangssignal in einen Messwert umgewandelt wird, der auf dem Display des Thermometers abgelesen werden kann.

Der Hauptvorteil von Infrarot-Thermometern besteht darin, dass die Messung aus der Ferne erfolgt, ohne Kontakt mit dem Körper, dessen Temperatur gemessen werden soll. Diese Technologie ist daher immer dann besonders nützlich, wenn andere Arten von Thermometern nicht verwendet werden können, weil ein Kontakt mit dem Messobjekt nicht möglich ist, wie z. B. bei beweglichen Oberflächen (z. B. einem rotierenden Zylinder), sehr hohen Temperaturen, aggressiven Umgebungen oder schwer zugänglichen Stellen.

Die Infrarotmessung ist zuverlässig und schnell, und der Preis für diese Geräte ist inzwischen recht erschwinglich. Heutzutage ist es einfach, preiswerte Thermometer für einfache Anwendungen zu finden.

Infrarot-Thermometer sind heute weit verbreitete Instrumente. Sie sind in verschiedenen Konfigurationen für unterschiedliche Verwendungszwecke erhältlich, z. B. als fest installierte Thermometer für die Prozessüberwachung und -steuerung sowie als tragbare Thermometer oder Taschenthermometer für punktuelle Messungen.

Sie sind sehr einfach zu bedienen, denn es genügt, auf das Ziel zu zeigen und die Temperatur auf dem Display abzulesen. Allerdings müssen die Einschränkungen dieser Technologie berücksichtigt werden:

• Der Infrarotsensor des Thermometers arbeitet mit einer festen Wellenlänge. Für bestimmte Anwendungen ist jedoch aufgrund der Beschaffenheit des Ziels (z. B. Glas, Flammen usw.) oder der Zusammensetzung der Atmosphäre, die die Messung stören kann (Vorhandensein von Wasserdampf usw.), eine bestimmte Wellenlänge erforderlich. Achten Sie daher beim Kauf eines Infrarot-Thermometers darauf, dass Sie ein Modell mit einer für die betreffende Anwendung geeigneten Wellenlänge wählen.
• Die Infrarotmessung wird direkt von der Emissivität der Zieloberfläche beeinflusst. Der Emissionsgrad ist die Fähigkeit einer Oberfläche, Infrarotenergie zu emittieren. Er variiert zwischen 0 und 1 und hängt von den Eigenschaften der jeweiligen Oberfläche ab, wie z.B. Material, Farbe, Beschaffenheit usw. Um eine genaue Messung zu erhalten, müssen Sie den Emissionsgrad des Messobjekts auf dem Thermometer einstellen (falls das Modell dies zulässt) oder ein bichromatisches Thermometer wählen, das bei zwei verschiedenen Wellenlängen misst.
• Ein Infrarot-Thermometer ist ein optisches Gerät mit einem bestimmten Sichtfeld. Es misst nicht die Temperatur an einem bestimmten Punkt, sondern der gemessene Wert entspricht der durchschnittlichen Temperatur aller Oberflächen in seinem Sichtfeld. Damit die Messung genau ist, muss die Oberfläche des Ziels das gesamte Sichtfeld des Thermometers einnehmen. Andernfalls werden neben oder hinter dem Messobjekt andere Oberflächen mit unterschiedlichen Temperaturen erkannt, was das Messergebnis verfälschen kann. Um solche Situationen zu vermeiden, sind Infrarot-Thermometer in der Regel mit einem optischen oder Laser-Visiersystem ausgestattet.

Vorteile

• Die Messung erfolgt aus der Ferne, ohne direkten Kontakt mit dem Messobjekt. Dadurch ist es möglich, die Temperatur von beweglichen, unzugänglichen Oberflächen oder in aggressiven Umgebungen zu messen.
• Es kann sehr hohe Temperaturen messen (2000°C).
• Die Messung ist zuverlässig und schnell.
• Der Preis für diese Thermometer ist erschwinglich geworden.

Nachteile

• Sie messen nur die Temperatur von Oberflächen.
• Die Messung kann durch die Atmosphäre zwischen dem Ziel und dem Thermometer (Staub, Wasserdampf usw.) beeinträchtigt werden.
• Die Emissivität des Ziels muss berücksichtigt werden.