Verfahrenstechnik 12/2022

MESSEN, REGELN,

MESSEN, REGELN, AUTOMATISIEREN geprägten Teil 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 normative Basis für die Messungen. DIE ANSPRECHZEITEN INDIVIDUELLER LÖSUNGEN SOLLTEN ERMITTELT WERDEN Für die Messung an Oberflächen oder in einem Festkörper stellt die VDI-Richtlinie 3520 die normativen Rahmenbedingungen dar. Eine Richtlinie für die Kalibrierung von Oberflächenthermometern ist im Entstehen. MESSUNG IN WASSER Bei dieser Methode wird gleichmäßig temperiertes Wasser in eine laminare Strömung mit einer Fließgeschwindigkeit von > 0,2 m/s versetzt. Der temperaturempfindliche Teil des Prüflings wird über eine bewegliche Vorrichtung sehr schnell aus dem Bereich der Umgebungs- bzw. Anfangstemperatur (T 1 ) zwischen + 5 und + 30 °C in den Bereich der Wassertemperatur (T 2 ) versetzt. Dieser Temperatursprung beträgt zwischen 10 und 30 K. Der zeitliche Verzug, bis der Prüfling die vorgegebene Wassertemperatur erreicht hat, wird ermittelt und aufgezeichnet. Diese Sprungantwort bildet die Ansprechzeit ab. MESSUNG IN LUFT Die Messung der Ansprechzeit in Luft ist der in Wasser prinzipiell ähnlich, die festgelegten Werte für Ausgangstemperatur und Temperatursprung stimmen überein. Bei dieser Methode wird eine gleichmäßig temperierte Luft (T 1 ) mittels Gebläse in eine laminare Strömung mit einer Geschwindigkeit von 3 ± 0,3 m/s versetzt. Im Luftstrom befindet sich eine Haltevorrichtung, in die der Prüfling montiert ist. Zur Messung der Verzugszeit erzeugt ein elektrisches Heizgitter schlagartig eine höhere Temperatur des Luftstromes (T 2 ). Im Vergleich zur Messung in Wasser gelten allerdings andere physikalische Rahmenbedingungen, wie der Wärmeübergangswiderstand von Luft in Metall oder die spezifische Wärmekapazität der Luft. Daher sind bei demselben Thermometer die Ansprechzeiten in Luft generell größer als in Flüssigkeiten. 04 Messung der Ansprechzeit in Luft 32 VERFAHRENSTECHNIK 2022/12 www.verfahrenstechnik.de

MESSEN, REGELN, AUTOMATISIEREN 05 Thermometer mit und ohne Schutzrohr MESSUNG AN EINER OBERFLÄCHE Die Ansprechzeiten-Messung an einer Oberfläche ist anspruchsvoller als die anderen Messungen. Die Basis für den Temperatursprung bildet zumeist eine gleichmäßig durchwärmte Metall- Platte, auf die der Prüfling aufgesetzt wird. Wie groß die Ansprechzeit des Thermometers ausfällt, hängt auch davon ab, wie der Prüfling mit der Platten-Oberfläche kontaktiert ist. Im Labor werden die Fühler in der Regel durch eine Vorrichtung mit definiertem Anpressdruck aufgesetzt. Weitere Parameter wie Kontaktintensität und Wärmeableitung fallen bei unterschiedlichen Bauformen verschieden groß aus und führen damit zu unterschiedlichen Ansprechzeiten. Darüber hinaus gilt es zu beachten, dass der Anpressdruck dem Sensor und der Applikation entsprechen muss. Ist er zu stark, kann aus einem Pt100 leicht eine Druckmesszelle werden. Einige Thermometerausführungen werden im Einsatz mittels eines Anschweißblechs zum Beispiel auf Rohrleitungen geschweißt. Diese Form der Anbringung wird beim Ermitteln der Ansprechzeit nicht übernommen, die Prüflinge werden in der Regel ebenfalls auf die Testvorrichtung geklemmt. Alle Varianten der Oberflächen-Messung können sowohl isoliert als auch nicht isoliert gegenüber der Umgebung sein – was zu extrem unterschiedlichen Messergebnissen führt. MESSUNG IN EINEM FESTKÖRPER Diese Messung findet üblicherweise in einem temperierten Metallblock statt. Ein Einsteckkanal nimmt den Sensor auf, dann wird seine Umgebung für den Temperatursprung aufgeheizt. Stark vereinfacht ausgedrückt, lässt sich diese Methode mit der Messung eines Thermometers mit Schutzrohr in Wasser vergleichen, bei der das Messgerät bekanntlich statt der eigentlichen Medientemperatur „nur“ die Oberflächentemperatur von Schutzrohrboden und -wandung erfasst. Das Resultat hängt sehr davon ab, wie genau der Thermometerdurchmesser zur Bohrung des Einsteckkanals passt. Je geringer der Luftspalt, umso kleiner die Ansprechzeit. Aber auch die Bauform des Sensors hat Einfluss auf das Ergebnis. Prüflinge, die die Temperatur nur mit der Fühlerspitze aufnehmen, erzielen bei vorhandenen seitlichen Luftspalten eine schnellere Reaktion. Ohne umlaufenden Luftspalt sind andere Bauformen überlegen. AUSWERTUNG UND INTERPRETATION Aus den Ergebnissen der jeweiligen Messung wird ein Ansprechzeiten-Diagramm erzeugt. Wichtige Schwellenwerte sind hier die drei Temperatur-Prozentangaben 50 Prozent (t 0,5 ), 63 Prozent (t 0,63 ) und 90 Prozent (t 0,9 ). Sie geben an, nach welcher Zeit sich der Prüfling 50, 63 oder 90 Prozent der Wasser-, Luft- bzw. Oberflächentemperatur angeglichen hat. Der Wert für 100 Prozent wird nicht ermittelt, da er nicht erreicht werden kann. Die Grafik verdeutlicht unter anderem, dass der ausschließliche Vergleich der Ansprechzeiten von Messeinsätzen nicht ausreichend ist, um eine Messstelle zu beurteilen. Ein verbautes Schutzrohr ist in der Lage, die Ansprechzeit in einem weit höheren Maße zu beeinflussen, als das einem schnelleren Mess einsatz möglich wäre. Erst die Messung des Gesamtsystems lässt einen Rückschluss auf die reale Ansprechzeit und deren Vergleichbarkeit mit Produkten verschiedener Hersteller zu. Bilder: Wika, Patricia W. – stock.adobe.com, Franz Frieder – stock.adobe.com www.wika.de AUTOR Joachim Brückner, Produkt Manager elektrische Temperaturmesstechnik, Wika Alexander Wiegand SE & Co. KG, Klingenberg WIE WERDEN SCHUTZROHRE BERECHNET? www.bit.ly/Wika-Schutzrohre www.verfahrenstechnik.de VERFAHRENSTECHNIK 2022/12 33