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Messparameter

Temperaturmessung und Thermometer

Veröffentlicht von Stefan Langner am 18.10.2017 09:32:00

HI93351 Thermometr mit Typ-K-ThermolementfühlerDie Einführung der neuen Lebensmittelthermometer, die wir ja ebenfalls zu dieser Zeit vorstellen, ist eine gute Gelegenheit die Messung der Temperatur zu diskutieren. Die Temperatur ist einer der wichtigsten Messparameter überhaupt und das in vielen Bereichen, nicht nur der Lebensmittelproduktion. Bei Hanna Instruments sind Thermometer entweder als eigenständige Geräte erhältlich – wie ebengenannte Foodcare-Produkte – oder die Temperaturmessung ist in andere Geräte integriert, die temperaturabhängige Parameter messen, wie pH-Meter, Leitfähigkeitsmessgeräte, Messgeräte für gelösten Sauerstoff, etc. Wie dem auch sei – um die Temperaturmessung ist bei Hanna Instruments kaum herumzukommen.

Technologien für die Temperaturmessungen

Es gibt mehrere Varianten von Thermometertechnologien. Hanna Instruments bietet Thermometer an, die für die Messungen entweder Thermistoren, Thermoelemente oder Infrarot-Detektoren nutzen. Wir wollen uns hier auf die beiden zuerst erwähnten Technologien konzentrieren.

Die Messfühler sind dabei in die Geräte integriert oder als externe Sonden fest oder auswechselbar angeschlossen. Häufig werden die Sonden auch anwendungsspezifisch gestaltet, z.B. zum Einstich in Produkte, für die Messung von Gasen, zur Einführung in Paletten von Tiefkühlkost, und vieles mehr.  Diese Sonden helfen dabei auch extreme Temperaturen im Kontakt zu messen.

Thermistorthermometer

Ein Thermistor ist ein Halbleiter, der seinen Widerstand (R) in Abhängigkeit von der Temperatur (T) ändert:

R = R0 • (1 + a(T-T0))

wobei R0 der Widerstand ist zum Beginn der Messung, bei einer Anfangstemperatur T0 und a der Temperatur/Widerstands-Koeffizient ist. a bestimmt, je nach Vorzeichen, ob die Änderung des Widerstands positiv oder negativ ist. Bei positivem a nimmt der Widerstand mit steigender Temperatur zu, bei negativem a nimmt er mit steigender Temperatur ab. Je nachdem spricht man auch von PTC (Positive Temperature Coefficient)- und NTC (Negative Temperature Coefficient)-Sensoren.

Thermistorsensoren können sinnvoll in einem Temperaturbereich von etwa - 50 °C bis +150 °C eingesetzt werden. Höhere Temperaturen können den Halbleiter beschädigen. Thermistorsensoren bieten den Vorteil, das mit ihnen eine genaue Messung, bis auf einige zehntel Grad, möglich ist, dafür benötigen Sie aber eine etwas längere Ansprechzeit.

Hanna baut derzeit ausschließlich Thermometer mit NTC-Thermistoren (HI762 und FC762-Fühlerserien). Die PTC-Sonden der HI765 sind allerdings noch für ältere Thermometer lieferbar.

Thermoelementthermometer

Thermoelemente sind hingegen sehr schnell und können auch bei sehr hohen Temperaturen eingesetzt werden, sind dafür aber weniger genau. Ein Thermoelement besteht aus einer Verbindungsstelle (Messstelle) zwischen zwei Drähten aus unterschiedlichen Metalllegierungen. Bei einer gegebenen Temperatur entsteht eine Potentialdifferenz zwischen den entgegengesetzten (kalten und warmen) Enden der beiden Drähte. Sie wird durch den thermoelektrischen Effekt (oder auch nach dem Entdecker Seebeck-Effekt gernannt) hervorgerufen. Über gewisse Intervalle kann man in Näherung einen linearen Zusammenhang zwischen Temperaturänderung und Potentialdifferenzänderung feststellen. Das heißt, man kann aus den bekannten Charakteristika der beiden Metalle und der Potentialdifferenz zwischen den kalten Drahtenden (kalte Vergleichsstelle, Gerätestecker) die Temperatur des heißen Drahtenden (Messstelle) bestimmen, unter der Voraussetzung, dass die Vergleichsstelle bei einer bekannten Temperatur gehalten wird. Diese Temperatur wird definitionsgemäß auf 0 °C festgelegt. Da es in den wenigsten Fällen praktisch ist, die Vergleichsstelle tatsächlich auf diesem Wert zu halten, wird die abweichende Temperatur durch die Messgeräte kompensiert. Natürlich funktioniert das Thermoelement auch bei gekühlten Proben, wenn der Gerätestecker sozusagen das warme Ende ist, das auf konstanter Temperatur gehalten wird.

Für die verbreitetste Metallkombination Nickel und Nickel/Chrom – das Typ-K-Thermoelement, das auch Hanna Instruments verwendet, gilt:

U = (kNiCr − kNi) • ΔT

mit

ΔT = TM − TV

Hierbei ist U die erzeugte Potentialdifferenz, kNi und kNiCr sind die thermoelektrischen Koeffizienten der beiden Drahtmaterialien, ΔT ist die Temperaturdifferenz aus der Temperatur der Messstelle TM und der Temperatur der Vergleichsstelle TV. Das bedeutet, dass sich im einfachen Fall die Messtemperatur aus der zweiten Gleichung problemlos ermitteln lässt. Wie erwähnt, ist das nur in kleineren Teilintervallen so einfach möglich, da die thermoelektrischen Koeffizienten selbst auch temperaturabhängig sind.

Mit der Einführung der neuen Foodcare-Thermometer verwendet Hanna Instruments nun auch Thermoelemente vom Typ T (Geräte HI935004 und HI935008). In die erste der voranstehenden Gleichungen muss dann die Differenz der thermoelektrischen Koeffizienten kCu und kNiCu eingesetzt werden, da das Thermopaar hier die Materialkombination Kupfer und Nickel/Kupfer ist. Analog lässt sich dann die Temperatur aus den genannten Gleichungen ermitteln.

Thermoelemente vom Typ T haben zwar einen wesentlich kleineren Temperaturbereich als Typ K, max. ca. 400 °C statt max. ca. 1350 °C, dafür arbeiten Sie aber genauer als diese. Dies war ein Grund Typ-T-Thermoelemente in die Produktlinie aufzunehmen, da mit ihrer Hilfe eine Annäherung an die Thermistorthermometer gelingen kann, ohne Messgeschwindigkeit einzubüßen.

Das Thermometer-Sortiment von Hanna Instruments

Themen: Wasser, Umwelt, Lebensmittel, Temperatur, Aquaristik, Meerwasser, Pool, Abwasser, Süßwasser

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