Ansprechzeit Temperaturfühler
Hier finden Sie alle wichtigen Informationen zu der Ansprechzeit bei Temperaturfühlern.
- Was versteht man unter der Ansprechzeit bei Temperaturfühlern?
- Welche Faktoren beeinlussen die Ansprechzeit von Temperaturfühlern?
- Wie wird die Ansprechzeit angegeben?
- Welche unterschiedliche Arten der Temperaturmessung gibt es?
- Wie messen wir Ansprechzeiten?
- Wie sieht eine entsprechende Ansprechzeiten Kurve aus?
Was versteht man unter der Ansprechzeit bei Temperaturfühlern?
Unter der Ansprechzeit tx versteht man die Zeit, die ein Temperaturfühler benötigt, um auf eine Änderung der äußeren, angelegten Temperatur zu reagieren und einen bestimmten Prozentwert x dieser Temperatur zu erreichen. x = 100% würde bedeuten, dass die Endtemperatur, also die äußere, angelegte Temperatur genau erreicht ist.
Zur genauen Bestimmung einer Temperaturfühleransprechzeit wird der Temperaturfühler der Temperatur T1 schlagartig einer Temperatur T2 ausgesetzt und dabei die Ansprechzeit tx ermittelt, die aussagt, wie lange es dauert bis der Sensor im Temperaturfühlerinnern x% der Mediumstemperatur T2 “sieht”, also erreicht hat.
Welche Faktoren beeinflussen die Ansprechzeit von Temperaturfühlern?
Die Ansprechzeit eines Temperaturfühlers ist im Wesentlichen von der thermischen Masse (Wärmekapazität) des Temperaturfühlers, dessen (Innen-) Aufbau und, ganz entscheidend, der Eintauchtiefe abhängig. Das Medium, in dem die Temperatur bestimmt werden soll, wirkt als Energieüberträger; je höher die spezifische Wärmekapazität des Mediums, desto schneller wird Energie in Form von Wärme auf den Temperaturfühler übertragen.
Kurze Erläuterung: Unter thermischer Masse versteht man physikalisch die Wärmekapazität des Temperaturfühlers. Sie sagt aus, welche Wärmemenge der gesamte, ins Medium eingetauchte Temperaturfühler bei einer bestimmten Temperaturänderung aufnehmen kann. Je größer die Wärmekapazität eines Bauteils, oder hier eines Temperaturfühlers, ist, desto mehr Energie wird benötigt um das Bauteil bzw. den Fühler zu erwärmen.
Der Innenaufbau beeinflusst die Ansprechzeit ebenfalls ganz entscheidend: ein Innenaufbau mit guter Wärmeleitfähigkeit sorgt für einen schnellen Temperaturausgleich zwischen der äußeren Mediumtemperatur und dem Sensorelement im Innern des Temperaturfühlers und damit insgesamt für eine gute, sprich kurze, Ansprechzeit. Ein Innenaufbau mit schlechter Wärmeleitfähigkeit, z.B. durch im Innern des Fühlers vorhandene Lufteinschlüsse, erhöht die Ansprechzeiten des Fühlers erheblich.
Die Eintauchtiefe stellt den dritten, wichtigen Parameter dar, der die Ansprechzeit maßgeblich beeinflusst. Eine hinreichende Eintauchtiefe ist notwendig, um den Wärmeabfluss “nach hinten”, also zur Umgebung vernachlässigbar klein zu halten. Andernfalls verzögert der Wärmeabfluss die Ansprechzeit erheblich und verhindert sogar das Erreichen der Endtemperatur – der Fühler würde fälschlicherweise als “ungenau messend” eingestuft. Eine nicht hinreichende Eintauchtiefe ist die häufigste Ursache für zu lange Ansprechzeiten; die ungewünscht langen Ansprechzeiten werden dann oft spontan dem Fühler selbst zugeschrieben, anstatt richtigerweise die Eintauchtiefe zu korrigieren, indem z.B. der Einbau des Fühlers im zu messenden Medium angepasst wird.
Der applizierte Temperatursprung Delta T = T2 – T1, das heißt die Temperaturänderung von der Ausgangstemperatur T1 auf die End- oder Mediumtemperatur T2, beeinflusst die Ansprechzeit tx, entgegen häufig vertretener Annahmen, nicht, wie sich sowohl theoretisch als auch in (sorgfältig aufgebauten und durchgeführten) Experimenten nachweisen lässt. Allerdings sorgen Sekundäreffekte (ungewünschte oder unerkannte Wärmeableitung nach außen) dafür, dass in der Praxis der Eindruck entsteht, dass das Delta T eine Einflussgröße sei.
Der Fühleraufbau:
Um eine möglichst kurze Ansprechzeit zu erreichen, muss jede Temperaturänderung als Energieübertrag möglichst schnell, d.h. über gut wärmeleitende Materialien, an das Sensorelement übertragen werden. Unter Sensorelement ist jeglicher Typ von temperaturabhängigem Widerstand zu verstehen. Das Sensorelement oder kurz einfach Sensor genannt ist also das Herzstück eines Temperaturfühlers. Der Temperaturfühler “verpackt” den Sensor in einer Hülse, innerhalb der der Sensor mit einer elektrischen Leitung (auch kurz Kabel genannt) verbunden ist. Mittels dieser elektrischen Leitung kann der Widerstand zu jeder Zeit ausgelesen werden und so im Umkehrschluss über den gemessenen Widerstandswert auf die Mediumtemperatur geschlossen werden. Ein Temperaturfühler kann nur seine eigene Temperatur, präziser ausgedrückt seine Sensortemperatur, messen; es muss also sichergestellt werden, dass das Sensorelement thermisch möglichst gut an das zu messende Medium angekoppelt ist.
Je geringer die thermische Masse des Fühlers desto schneller kann eine Temperaturänderung den Temperaturfühler erwärmen und bis ins Sensorelement hinein durchwärmen. Die thermische Masse wird durch die spezifische Wärmekapazitäten der für den Fühler verwendeten Materialien sowie deren absolute Massen bestimmt. Die spezifische Wärmekapazität ist eine rein materialabhängige Messgröße, zur absoluten Masse tragen im Wesentlichen der Durchmesser der Schutzhülse, dessen Länge und Wandstärke bei. Das heißt also, dass vergleichsweise lange Edelstahlhülsen mit größerem Durchmesser im Vergleich zu kurzen Kupferhülsen mit kleinerem Durchmesser bei sonst gleichem Innenaufbau pauschal zu deutlich längeren Ansprechzeiten führen.
Aber auch der Innenaufbau des Fühlers beeinflusst die Ansprechzeit signifikant. Der eigentliche Temperatursensor wird von einem Schutzrohr (also der Hülse) umschlossen, auch um dieses empfindliche Bauteil zu schützen. Je besser der Sensor thermisch an das Schutzrohr angekoppelt ist, desto schneller kann eine Temperaturänderung vom Sensor “erspürt”, also detektiert werden.
Ein niemals ganz zu verhindernder Wärmeabfluss über beispielsweise Prozessverschraubungen oder auch über die Leitung wirkt der in der Regel gewünschten kurzen Ansprechzeit entgegen. Auch hier ist eine möglichst große Eintauchtiefe ein probates Mittel, um den Einfluss des Wärmeabflusses auf die Ansprechzeit zu minimieren.
Pauschal kann festgehalten werden, dass ein Temperaturfühler, dessen Sensor an das zu messende Medium besonders gut thermisch angekoppelt ist, gleichzeitig “nach hinten” zur Umgebung jedoch thermisch sehr gut isoliert ist, zu den kürzesten Ansprechzeiten führt.
Das zu messende Medium
Die Ansprechzeiten variiert mit dem zu messendem Messmedium, zum Beispiel haben Luft oder Wasser, schon aufgrund der sehr unterschiedlichen Dichten, sehr unterschiedliche Wärmeleiteigenschaften. Aufgrund der höheren Wärmeleitfähigkeit von Wasser sind die Ansprechzeiten im Wasser deutlich kürzer als die in Luft, bei gleichem Fühleraufbau. Um verschiedene Fühlertypen hinsichtlich ihrer Ansprechzeiten zu vergleichen, muss sichergestellt sein, dass die Messungen im genau gleichen Medium durchgeführt werden.
Einbau und Eintauchtiefe
Die richtige Montage bzw. Einbringung des Temperaturfühlers in das zu messende Medium spielt eine wesentliche Rolle, um eine schnelle Ansprechzeit zu erhalten.
Zu beachten ist eine gute thermische Ankopplung an das Messmedium. Mit Temperaturfühlern im direkten Einbau, d.h. mediumberührend, lassen sich deutlich kürzere Ansprechzeiten erzielen, als mit Fühlern, die in einer Tauchhülse verbaut sind. Bei letzterer sind Luftspalte, die thermisch isolierend wirken, kaum zu verhindern. In jedem Fall wirkt jede Grenzfläche zwischen Materialien, also beispielsweise zwischen Medium und Tauchhülse und zwischen Tauchhülse und Temperaturfühler, als Wärmeübertragungsbremse und führt damit zu verlängerten Ansprechzeiten.
Von großer Bedeutung für die Ansprechzeit und sogar für die erzielbare Genauigkeit eines Fühlers ist zudem die über den Einbau generierte Eintauchtiefe des Fühlers. Die Sicherstellung einer hinreichenden Eintauchtiefe sorgt für eine optimale Wärmeübertragung vom Medium zum Sensorelement im Innern des Fühlers und für einen vernachlässigbaren Wärmeabfluss “nach hinten” über die Hülse oder das Kabel. Neben der gewünschten kurzen Ansprechzeit kann so auch die benötigte Genauigkeit in der Messung erzielt werden. Kurz: Je größer die Eintauchtiefe des Fühlers, desto geringer der Effekt des nicht zu verhindernden Wärmeabflusses auf die Ansprechzeit des Fühlers.
Generell gilt, je tiefer der Fühler eingetaucht werden kann desto besser. Eine Faustformel für die Mindesteintauchtiefe lautet, dass diese zumindest dem 15-fachen Durchmesser der Fühlerhülse entsprechen sollte. Diese Faustformel stellt jedoch nur einen groben Richtwert dar. Es gibt optimierte Fühler, die bei deutlich geringeren Eintauchtiefen hervorragende Ansprechzeiten liefern.
Ein mehr oder weniger direkte Kopplung des Fühlers an das Messmedium beeinflusst die Ansprechzeit ebenfalls signifikant: Bei Oberflächenmessungen an Rohren, bei denen der Temperaturfühler lediglich außen am Rohr anliegt, jedoch die Wassertemperatur im Rohr bestimmt werden soll, ist die Ansprechzeit erheblich länger, als wenn der Termperaturfühler direkt ins Rohr eingebaut wird und damit direkten Kontakt zum Medium (Wasser) erhält.
Wie wird die Ansprechzeit angegeben?
Die Ansprechzeit wird standardmäßig in t50, t63, t90 und t99 angegeben.
Dabei gibt die Zahl hinter dem t den bis dahin erreichten Prozentsatz der Temperaturänderung an.
T50 = Zeit bis der Fühler 50 % der Temperaturänderung erreicht.
T63 = Zeit bis der Fühler 63 % der Temperaturänderung erreicht.
T90 = Zeit bis der Fühler 90 % der Temperaturänderung erreicht.
T99 = Zeit bis der Fühler 99 % der Temperaturänderung erreicht.
Welche unterschiedlichen Arten der Temperaturmessung gibt es?
Oberflächentemperaturmessung
Hierbei wird die Temperatur der äußeren Schicht eines festen Materials gemessen.
Passende Bauformen: Anlegefühler, Oberflächenfühler, Kreuzbandfühler
Schnellste Bauform: Kreuzbandfühler (t63: < 0,8 s t99: < 3 s)
Lufttemperaturmessung
Hierbei wird die Temperatur der Luft gemessen:
Passende Bauformen: Lufttemperaturfühler
Flüssigkeitstemperaturmessung
Hierbei wird die Temperatur von Flüssigkeiten in Becken oder Rohren gemessen.
Passende Bauformen: Kabelfühler oder Einschraubfühler
Schnellste Bauform: Kabelfühler schnellansprechend (t50: ≤ 1 s | t63: ≤ 1,5 s | t90: ≤ 2 s)
Wie messen wir die Ansprechzeiten?
Wir messen die Ansprechzeiten in verschiedenen Medien in unserem Labor unter definierten Bedingungen. So erhalten wir reproduzierbare Ergebnisse.
Beispiel einer Ansprechzeitmessung für Kabel- und Einschraubsensoren in Wasser:
Von Raumtemperatur (ca. 25 °C) auf 60 °C bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,2 m/s.
Wie sieht eine entsprechende Ansprechzeiten Kurve aus?
