Oberflächentemperaturmessung

Entdecken Sie in unserem Ratgeber alles Wichtige zur präzisen Oberflächentemperaturmessung.

Worauf Sie bei der Auswahl, beim Kauf und Bedienung Ihres Oberflächenfühlers achten müssen, haben wir für Sie zusammengestellt.

• Was versteht man unter einer Oberflächentemperaturmessung?
• Wie funktioniert eine Oberflächenmessung und welche Probleme können auftreten?
• Massenverhältnis - Messobjekt und Fühler
• Wärmeleitfähigkeit
• Oberflächenbeschaffenheit
• Welche Messmethoden gibt es für die Oberflächenmessung
• Kontaktlose Messung (z.B. Infrarot)
• Berührende Oberflächenmessung
• Optimierung der Ansprechzeit
• Welche unterschiedlichen Bauformen für Oberflächenmessungen gibt es?
• Unterschied von PT-Elementen und Thermoelementen wie z.B. dem Kreuzbandfühler

Was versteht man unter einer Oberflächentemperaturmessung?

Die Oberflächentemperaturmessung bezieht sich auf die Erfassung der Temperatur an der äußeren Oberfläche eines Objekts oder Materials. Die Messung kann mithilfe verschiedener Temperaturmesstechniken erfolgen, z.B. berührenden Messungen durch PT-Sensoren und Thermoelemente oder berührungslose Messungen durch Infrarotthermometer. Die gemessene Oberflächentemperatur gibt eine Aussage zum Wärmezustand eines Objekts, oder eines Mediums, was in zahlreichen Anwendungen der Industrie, dem Bauwesen, der Medizin und Forschung relevant ist. Eine präzise Oberflächentemperaturmessung kann entscheidend für die Optimierung von Prozessen und die Sicherstellung von Produktqualität sein.

Wie funktioniert eine Oberflächenmessung und welche Probleme können auftreten?

Die Charakteristiken des zu messenden Objekts spielen eine entscheidende Rolle bei der Temperaturmessung von festen Körpern. Daher werden in diesem Abschnitt zunächst die Auswirkungen dieser Eigenschaften erläutert.

Massenverhältnis – Messobjekt und Fühler

Zu Beginn ist es wichtig, dass das zu messende Objekt über ausreichend Masse verfügt, um im Vergleich zur vorgegebenen Wärmekapazität des Thermometers genügend Energie zu enthalten. Andernfalls könnte das Thermometer so viel Wärme vom Objekt absorbieren, dass dieses sich spürbar abkühlt, was zu einer systematisch zu niedrigen Temperaturmessung führt. Dabei ist nicht nur die Gesamtwärmekapazität des Objekts von Bedeutung, sondern insbesondere die Wärmekapazität des Volumens, das den Messpunkt auf der Oberfläche des Objekts umgibt, muss ausreichend groß sein.

Kurz gesagt das Messobjekt sollte möglichst groß, im Verhältnis zum Temperaturfühler sein. Oder andersherum, der Temperaturfühler, der zur Messung der Oberflächentemperatur eingesetzt wird, sollte eine möglichst kleine Thermische-Masse haben.

Wärmeleitfähigkeit

Bei der Temperaturmessung an festen Körpern mit Kontaktthermometern ist eine gewisse minimale Wärmeleitfähigkeit des Objekts erforderlich. Beim Aufsetzen eines Berührungsthermometers auf die Oberfläche eines solchen Körpers, wird diesem Wärme entzogen, was zunächst zu einer Abkühlung des Objekts an der Berührungsstelle führt. Wenn das Objekt eine zu geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist, kann die durch das Thermometer entzogene Wärme, nicht ausreichend nachgeliefert werden. Dies führt dazu, dass das innere Temperaturfeld des Objekts durch das Thermometer stark gestört wird, und es entstehen große Temperaturgradienten um die Berührungsstelle herum. Dieser systematische Fehler führt dazu, dass das gemessene Ergebnis stets zu niedrig ausfällt, insbesondere bei schlechten Wärmeleitern wie Glas, Porzellan, Keramik, Kunststoffen oder Papier. Besonders bei der Bestimmung der Temperatur von elektronischen Bauteilen in Kunststoff- oder Keramikgehäusen können erhebliche Fehler auftreten, insbesondere aufgrund der geringen Masse und Wärmeleitfähigkeit. Daher ist es besonders wichtig, für solche Anwendungen sehr kleine und massearme Thermometer mit geringer eigener Wärmeleitfähigkeit zu verwenden.

Dabei sollte die Auflagefläche des Temperaturfühlers möglichst groß ausfallen.

Oberflächenbeschaffenheit

Die Temperaturbestimmung auf rauen Oberflächen stellt eine Herausforderung dar. Zum Beispiel berühren sich zwei scheinbar "ebene Metalloberflächen" (geschliffen) nur an etwa 1 % ihrer Gesamtfläche tatsächlich direkt. Der Großteil des Wärmeaustauschs muss daher über diese wenigen Berührungspunkte erfolgen, während zwischen ihnen lediglich ein Wärmeaustausch durch Strahlung und/oder das dazwischenliegende Medium stattfindet. Aus diesem Grund sind die Wärmeübergangswiderstände zwischen rauen Oberflächen oft um mehrere Größenordnungen größer als bei geschliffenen Oberflächen. Eine Verbesserung dieses Zustands kann durch den Einsatz von Wärmeleitpasten erreicht werden.

Diese 3 Faktoren haben Auswirkungen auf die Ansprechzeit und die Messgenauigkeit.

Welche Messmethoden gibt es für die Oberflächenmessung?

Kontaktlose Messung (z.B. Infrarot)

Bei kontaktlosen Messungen wird die Oberfläche des Objekts mithilfe von Sensoren wie Infrarotthermometern oder Thermografiekameras analysiert. Diese Instrumente erfassen die von der Oberfläche abgestrahlte Infrarotstrahlung und wandeln sie in Temperaturdaten um. Basierend auf der Intensität der Strahlung und anderen Parametern, können Rückschlüsse auf die Temperatur gezogen werden.

Die kontaktlose Oberflächenmessung bietet einige deutliche Vor- aber auch Nachteile in Bezug auf eine berührende Messung:

Zu den Vorteilen zählt, die sehr schnelle Messung. Bei der berührungslosen Messung wird keine zusätzliche Wärme vom Messobjekt abgezogen, weil kein berührender Fühler durch das Messobjekt erwärmt werden muss. Es wird lediglich die Wärmeabstrahlung einer Oberfläche erfasst, dazu ist es nicht nötig die Oberfläche zu berühren.

Der größte Nachteil ist jedoch, dass sich nicht alle Oberflächen für eine Infrarotmessung eignen. Bei reflektierenden Oberflächen, wie z.B. Metallen, funktioniert die Messung meist schlecht oder überhaupt nicht. Spiegelnde Oberflächen reflektieren die Infrarotstrahlung eine genaue Messung ist dann meist nicht mehr möglich. Auch der Einfluss von Störquellen kann oft nicht ausgeschlossen werden. Das Ergebnis sind Messwertabweichungen oder starke Schwankungen im Messergebnis, für den Endanwender sind diese Fehlmessungen oft nur schwer von regulären Messergebnissen zu unterscheiden.

Berührende Oberflächenmessung

Bei kontaktbasierten Messungen wird ein Sensor direkt auf die Oberfläche des zu messenden Objekts aufgelegt. Der Sensor erfasst dann die Temperatur direkt durch Berührung der zu messenden Oberfläche. Zur Messung können unterschiedliche Messverfahren zum Einsatz kommen wie z.B. dem Widerstand von Platin (bei PT-Sensoren) oder der thermoelektrischen Spannung (bei Thermoelementen).

Auch die berührende Oberflächenmessung hat Vor- und Nachteile.

Der wesentlichste Nachteil ist, dass der Fühler die Wärmeenergie des Messobjekts aufnehmen muss, dazu muss das Messobjekt eine gewisse Masse haben und die Wärmeübertragung benötigt etwas Zeit.

Die Vorteile liegen darin, dass auch reflektierende Oberflächen gemessen werden können. Die berührende Oberflächenmessung ist nicht so störanfällig wie die berührungslose Infrarotmessung.

Der Schlüssel zur erfolgreichen Messung mit berührenden Temperaturfühlern liegt in der Auswahl des richtigen Temperaturfühlers. Es ist zu beachten, dass Thermoelemente meist deutlich schneller sind als z.B. PT-Sensoren. PT-Sensoren müssen meist in einem Schutzrohr verbaut werden, die Wärmeübertragung des Messobjekts muss also zunächst auf das Schutzrohr übertragen werden und von dort meist mittels Wärmeleitpate zum Sensor selbst. Diese lange Kette führt zu Verlust von Ansprechgeschwindigkeit und nicht selten auch dazu, dass die Endtemperatur nicht mehr erreicht wird. Thermoelemente können so aufgebaut werden, dass sie direkt auf der Oberfläche aufliegen und kein Fühlerrohr benötigen. Dadurch sind sie deutlich schneller und erreichen auch deutlich besser die Endtemperatur.

Bei der Oberflächenmessung hat das Thermoelement also im Punkt Ansprechzeit und Erreichen der Endtemperatur meist die Nase vorn und kann unter Betrachtung aller Einflussfaktoren trotz höherem Grundfehler doch das genauere Messergebnis erbringen. Bei der Oberflächenmessung müssen also mehr Faktoren als die angegebene Grundtoleranz des Messelements betrachtet werden.

In der überwiegenden Mehrzahl der Anwendungen sind Thermoelement basierte Kreuzbandfühler die deutlich beste Wahl für eine berührende Oberflächenmessung. Hier finden Sie unsere Kreuzbandfühler.

Optimierung der Ansprechzeit

Es ist wichtig, die oben aufgeführten Einflüsse auf die Oberflächenmessung zu kennen, diese physikalischen Gegebenheiten lassen sich nicht aushebeln. In den meisten Fällen lässt sich mit dem Wissen um die Einflussfaktoren aber die Messung optimieren und mit der richtigen Auswahl des Messfühlers kann ein Messergebnis deutlich verbessert werden.

Es gilt also zunächst das richtige Masseverhältnis zwischen Fühler und Messobjekt zu finden. Meist steht das Messobjekt schon fest, also muss der Fühler eine im Verhältnis geringe Thermische-Masse haben.

Im zweiten Schritt muss der richtige Messpunkt gefunden werden, möglichst große und plane Auflagefläche ist besonders vorteilhaft.

Mehr zum Thema Ansprechzeit finden Sie hier.

Welche unterschiedlichen Bauformen für Oberflächenmessung gibt es?

Bei uns finden Sie verschiedene Temeraturfühler und Thermoelemente zur Oberflächenmessung:

Kreuzbandfühler

• Kreuzbandfühler mit Sondenrohr
• Kreuzbandfühler mit Einschraubgewinde
• Kreuzbandfühler mit Ringmagnet
• Kreuzbandfühler mit Kontermutter

Oberflächenfühler

Unsere Anlegefühler mit Haftmagnet bieten wir Ihnen mit Silikon-Leitung, PFA-Leitung und mit Glasseide-Leitung an.

Unsere Anlegefühler mit Hufeisenmagnet bieten wir Ihnen mit PVC-Leitung, Silikon-Leitung, PFA-Leitung und mit Glasseide-Leitung an.

Unsere Anlegefühler mit Verschraubung bieten wir Ihnen mit PVC-Leitung, Silikon-Leitung, PFA-Leitung und mit  Glasseide-Leitung an.

Unsere Winkelanlegefühler bieten wir Ihnen mit PVC-Leitung, Silikon-Leitung, PFA-Leitung und mit  Glasseide-Leitung an.

Unsere Anlegefühler mit Ring bieten wir Ihnen mit Silikon-Leitung, PFA-Leitung und mit Glasseide-Leitung an.

Unsere Anlegefühler mit Anlegeklotz bieten wir Ihnen mit PVC-Leitung, Silikon-Leitung, PFA-Leitung und mit Glasseide-Leitung an.

Unsere Anlegefühler mit Kabelschuh bieten wir Ihnen mit PVC-Leitung, Silikon-Leitung, PFA-Leitung und mit Glasseide-Leitung an.

Unsere Anlegefühler gestuft bieten wir Ihnen mit PVC-Leitung, Silikon-Leitung, PFA-Leitung und Glasseide-Leitung an.

Unser selbstklebender Anlegefühler bieten wir Ihnen mit PVC-Leitung an.

Unsere Rohranlegefühler bieten wir mit Gehäuse, PVC-Leitung, Silikon-Leitung, PFA-Leitung und Glasseide-Leitung an.

Unterschied von PT-Elementen und Thermoelemente wie z.B. dem Kreuzbandfühler?

Tatsächlich bieten PT-Elemente normalerweise eine höhere Genauigkeit als Thermoelemente. Bei der Oberflächenmessung spielt jedoch die Masse des Fühlers eine wesentliche Rolle. PT-Elemente müssen in aller Regel in ein Schutzgehäuse verbaut werden und haben deshalb tendenziell mehr Masse, was zu einer deutlich langsameren Reaktion auf Temperaturänderungen führt. Durch den hohen Wärmeabtrag durch die höre Masse wird zudem meist auch die Endtemperatur nicht mehr erreicht. Aus diesem Grund Thermoelemente mit ihrer geringeren Masse bei der Oberflächenmessung meist deutlich überlegen. Speziell für die Oberflächenmessung entwickelte Kreuzbandfühler liefern die besten Ergebnisse für die berührende Oberflächenmessung.