Temperaturmessgerät

Die Temperatur spielt eine wichtige Rolle für das menschliche Wohlbefinden und beim Ablauf vieler biologischer, physikalischer und chemischer Prozesse. Auch die Zuverlässigkeit vieler elektronischer Geräte ist nur für bestimmte Temperaturbereiche garantiert. Die Einhaltung der Wunschtemperatur kann mit einem Temperaturmessgerät einfach überwacht werden. Bei einigen dieser Thermometer können die Messwerte aufgezeichnet oder direkt an Steuer- und Regelgeräte weitergegeben werden. Je nach Einsatzzweck kann man das von Bauart, Handhabung, Funktionsprinzip und Genauigkeit am besten passende Temperaturmessgerät auswählen.

Um das passende Temperaturmessgerät aus der Vielzahl der verfügbaren Thermometer zu finden, kann man die Auswahl nach einigen grundlegenden Kriterien eingrenzen.
- Welche Höchst- und Tiefsttemperaturen muss das Temperaturmessgerät erfassen können?
- Welche Genauigkeit muss das Thermometer im gewünschten Messbereich haben?
- Soll die Temperatur an Oberflächen, in Gasen (z.B. Lufttemperatur), in Flüssigkeiten, in Festkörpern oder Schüttgütern gemessen werden?
- Ist eine kontaktlose Messung möglich und sinnvoll?
- Soll das Temperaturmessgerät die Daten kontinuierlich messen und aufzeichnen?

Ein Temperaturmessgerät mit Analoganzeige kann sehr einfach aufgebaut sein. Jeder kennt bestimmt noch Flüssigkeitsthermometer zur Anzeige der Außentemperatur, für die Raumtemperatur, zum Fiebermessen und zur Kontrolle der Badewassertemperatur. Ein solches Temperaturmessgerät funktioniert ohne Batterien und zeigt die Temperatur auf einer Strichskala. Dehnt sich die Flüssigkeit bei Temperaturanstieg aus, steigt sie nach oben und erreicht die für die höhere Temperatur passende Markierung auf dem Gehäuse. Fällt die Temperatur, sinkt die Flüssigkeit wieder bis zur niedrigeren Anzeigeposition.
Ein anderes analoges Temperaturmessgerät nutzt die unterschiedliche Temperaturausdehnung zweier verschiedener Metalle. Die Längenänderung bei Temperaturänderung führt zur Verbiegung des Bimetallstreifens, und zur Änderung der Zeigerposition der analogen Anzeige.

Bei einem digitalen Temperaturmessgerät können Messung und Anzeige der Temperatur örtlich getrennt erfolgen. Die Messdaten lassen sich im digitalen Temperaturmessgerät einfach speichern und weiterverarbeiten. Es gibt viele Digitalthermometer, bei denen an das Anzeigegerät verschiedene Temperatursensoren angeschlossen werden können. Lasersensoren sind nicht austauschbar. Ein Temperaturmessgerät mit Lasersensor kann aber über einen zusätzlichen internen Sensor für die Lufttemperatur verfügen und einen oder mehrere Anschlüsse für andere Temperatursensoren haben. Diese Sensoren für das Temperaturmessgerät können sich sowohl beim Temperaturmessbereich, in Größe und Form und im Messprinzip unterscheiden. Zu den häufigsten Messprinzipien der austauschbaren Sensoren gehören Thermoelemente und Platin-Widerstandssensoren, insbesondere PT-100 und PT-1000. Durch den Austausch des Sensors ist es möglich, sehr unterschiedliche Messstellen mit dem selben Temperaturmessgerät zu prüfen.

Ein Temperatur Datenlogger ist immer ein digitales Temperaturmessgerät. Über das Gerätemenü oder zugehörige PC-Software wird das Speicherintervall eingestellt und nach Ablauf der Messdauer werden die Daten aus dem Temperaturmessgerät ausgelesen. Einige Langzeit Datenlogger sind mit Analogeingängen ausgestattet und können so eingestellt werden, dass die Speicherung der Messdaten erst bei Erreichen eines festgelegten Wertes gestartet oder beendet wird. Oft ermöglicht die zum Temperaturmessgerät gehörende Software verschiedene grafische und tabellarische Darstellungen der Messdaten.

Ein Mehrkanal Temperaturmessgerät kann die Daten mehrerer Sensoren gleichzeitig anzeigen und speichern. Die Anschlüsse am Anzeigegerät können für Temperatursensoren vom selben Typ oder für verschiedene Sensortypen ausgelegt sein. Mit einem Mehrkanal Temperaturmessgerät können die Temperaturen an mehreren Stellen eines Prozesses gleichzeitig gemessen und ausgewertet werden.

Infrarottemperatursensoren
Ein Temperaturmessgerät mit Infrarottemperatursensor kann Oberflächentemperaturen ohne Berührungskontakt mit der Messstelle bestimmen. Der Infrarotsensor nimmt die vom untersuchten Objekt abgestrahlten Infrarotwellen auf und ermittelt daraus die Temperatur. Die Sensoren können für unterschiedliche Einsatzbereiche optimiert werden. Sie unterscheiden sich zum Beispiel im messbaren Temperaturbereich und durch das Messfleckverhältnis. Das Messfleckverhältnis beschreibt den Durchmesser der erfassten Objektfläche in Bezug auf deren Entfernung zum Sensor. Einem Messfleckverhältnis von 15:1 entspricht bei einem Abstand von 45 Zentimetern einem Messfleckdurchmesser von drei Zentimetern, während ein Messfleckverhältnis von 60:1 bedeutet, dass die Temperatur einer Fläche mit nur einem Zentimeter Durchmesser aus 60 Zentimeter Abstand überwacht werden kann.

Widerstandstemperaturfühler aus Platin oder Nickel
Bei Änderung der Temperatur ändert sich bei vielen elektrisch leitenden Stoffen deren elektrischer Widerstand. Dieser Widerstand kann in einem digitalen Temperaturmessgerät erfasst und in Bezug auf die Temperatur ausgewertet werden. Als Widerstandstemperaturfühler, die auch als RTD-Temperaturfühler (Resistance Temperature Detector) bezeichnet werden, setzt man häufig Elemente aus Platin und Nickel ein. Bei steigender Temperatur erhöht sich deren Widerstand und die Leitfähigkeit sinkt. Platin zeigt über einen sehr großen Temperaturbereich eine gleichmäßige Änderung des Widerstands. Dies ermöglicht Platinsensoren für Temperaturen von - 200 bis 1000 Grad Celsius. Temperatursensoren aus Nickel haben im Gegensatz dazu nur für Temperaturen zwischen – 60 und 300 Grad Celsius linear zur Temperatur ansteigende Widerstände. Nickelsensoren reagieren aber mit höherer Empfindlichkeit. Sie zeigen also im Vergleich zu Platin bei gleicher Temperaturdifferenz eine größere Widerstandsänderung. In der Bezeichnung des Sensors wird neben dem Material auch der Wert für den Nennwiderstand bei null Grad Celsius angegeben. Ein NI500 ist also ein Nickelwiderstand mit 500 Ohm Nennwiderstand und ein PT1000 ist ein Platinwiderstand mit 1000 Ohm Nennwiderstand. Um Messfehler durch den Einfluss langer Anschlusskabel auf die Messung zu vermeiden, gibt es die Widerstandssensoren auch mit 3- und 4-Leitertechnik.

Thermistoren – Halbleitersensoren zur Temperaturmessung
Thermistoren sind Temperatursensoren auf Basis von Halbleitern, die nur unter bestimmten Bedingungen elektrisch leitend sind. Diese werden unterschieden in NTC-Thermistoren mit negativem Temperaturkoeffizienten und PTC-Thermistoren mit positivem Temperaturkoeffizienten. Bei NTC-Thermistoren sinkt der Widerstand wenn die Temperatur steigt. Diese NTC-Thermistoren leiten also besser bei hohen Temperaturen, deshalb werden sie auch Heißleiter genannt. Die PTC-Thermistoren leiten dagegen besser bei niedrigeren Temperaturen. Sie sind also Kaltleiter, da ihr Widerstand mit der Temperatur steigt. In einem digitalen Temperaturmessgerät können beide Typen der Halbleitersensoren für Temperaturen bis etwa 250 Grad Celsius eingesetzt werden. Die Thermistoren können aber auch als Bauteil zur automatischen Strombegrenzung bei elektrisch angetriebenen Maschinen verwendet werden. Dabei werden die NTC-Thermistoren zum sanften Anlaufen von Maschinen beim Einschalten genutzt und die PTC-Thermistoren als Überlastschutz, der den Stromfluss bei zu starker Erwärmung reduziert und schließlich blockiert.

Thermoelemente zur Temperaturmessung
Thermoelemente bestehen aus zwei Drähten unterschiedlicher Metalle, die an einem Ende verbunden sind. Weisen die nicht verbundenen Enden eine andere Temperatur auf als die verbundenen, ist zwischen beiden Drähten eine Spannungsdifferenz messbar. Um aus dieser Spannungsdifferenz die Temperatur an der Verbindungsstelle der Drähte zu ermitteln, muss die Temperatur an den freien Enden bekannt sein. Es sind mehr als 300 Werkstoffpaarungen für die Temperaturmessung mit Thermoelementen bekannt. Einige davon, die für industrielle Messungen geeignet sind, wurden in DIN EN 60584 genormt. Die Thermospannungen dieser Werkstoffkombinationen unterscheiden sich mit 5 mV/°C bis 100 mV/°C erheblich. Um die Verwendung von Thermoelementen zu vereinfachen, wurden verschiedenen Typen entsprechend ihrer Eigenschaften definiert. Die Typen T, E, J, K und N sowie S/R, B, C und A für besonders hohe Temperaturen auch oberhalb von 1.000 Grad Celsius. Die am Thermoelement gemessene Spannung muss im Temperaturmessgerät mit der Kennlinie des verwendeten Thermoelements linearisiert werden. Besitzt ein Temperaturmessgerät Anschlüsse für die genormten Stecker eines bestimmten Typs von Thermoelementen, können diese Thermoelemente mit dem Stecker direkt angeschlossen und verwendet werden. Sind bis zur Messstelle Ausgleichsleitungen erforderlich, muss darauf geachtet werden, dass die Ausgleichsleitungen dem Typ des Thermoelements entsprechen.

Temperaturmessgerät für Aufenthaltsräume
Für Wohn- und Arbeitsräume gibt es Temperaturvorgaben zur Mindesttemperatur nicht nur wegen der Temperaturbedürfnisse der Nutzer, sondern auch zur Vermeidung von Feuchteschäden. Feuchteschäden können entstehen, wenn warme Luft auf kalte Oberflächen trifft, sich dort abkühlt und ein Teil des Wasserdampfs zu Tauwasser wird. Auch für das Temperaturempfinden spielt nicht nur die Lufttemperatur, sondern auch die Oberflächentemperatur der Raumbegrenzungsflächen und die Luftfeuchte eine Rolle. Besitzt ein Temperaturmessgerät einen zusätzlichen Sensor für die Luftfeuchte, wird es auch als Thermohygrometer bezeichnet. Aus relativer Luftfeuchte und Temperatur kann die für diese Luftfeuchte geltende Taupunkttemperatur bestimmt werden. Das ist die Temperatur, bei der die Luft die vorhandene Wassermenge noch als Dampf aufnehmen kann. Sinkt die Temperatur weiter, wird ein Teil des Wasserdampfs flüssig. Viele Thermohygrometer können die Taupunkttemperatur direkt auf dem Display anzeigen. Wählt man ein Temperaturmessgerät mit einem zusätzlichen Temperatursensor für Oberflächenmessungen, kann man die Temperatur an Außenbauteilen mit konstruktiven oder geometrischen Wärmebrücken unkompliziert messen und mit der angezeigten Taupunkttemperatur vergleichen. Sehr einfach anzuwenden für solche Messungen ist ein Temperaturmessgerät bei dem der zusätzliche Sensor zur Oberflächentemperaturmessung über Infrarotstrahlung funktioniert, da damit schnell und berührungslos auch über größere Entfernungen gemessen werden kann. Ein Temperaturmessgerät das lediglich zur Kontrolle der Raumtemperatur dienen soll, kann als einfaches Tisch- oder Wandgerät von den Raumnutzern direkt abgelesen werden. Liegen die Werte außerhalb des gewünschten Bereiches, kann je nach Bedarf gelüftet, geheizt oder gekühlt werden. Soll die Temperatur und gegebenenfalls auch die Feuchte über längere Zeiträume überwacht und ausgewertet werden, verwendet man Geräte, die diese Daten in festgelegten Intervallen speichern.

Temperaturmessgerät für Lagerräume und Transporte
Für die Haltbarkeit vieler Lebensmittel und auch für einige andere Materialien ist die Einhaltung bestimmter Temperaturen von immenser Bedeutung. Lebensmittellager und insbesondere Kühlräume für verderbliche Waren mit hohem Wert sollten so überwacht werden, dass bei unzulässigem Anstieg der Temperatur rechtzeitig gegengesteuert oder die Ware noch vor Verderb verwertet werden kann. Zur Überwachung eignet sich beispielsweise ein Temperaturmessgerät, das bei Erreichen des eingestellten kritischen Temperaturwertes einen optischen oder akustischen Alarm an einer überwachten Stelle ausgeben kann oder die Daten an einen Kontrollsystem sendet.

Zum Nachweis der Einhaltung der vorgeschriebenen Temperaturen während des Warentransports eignen sich Datenlogger. Als Datenlogger wird jedes Temperaturmessgerät bezeichnet, das in festgelegten Zeitabständen die Temperatur misst und speichert. Dieses Temperaturmessgerät kann unauffällig zwischen der Ware oder sogar innerhalb der Umverpackung platziert werden. Wurde die Ware während des Transports nicht überwacht, kann zumindest bei der Anlieferung die Temperatur überprüft werden. Dazu kann mit geeigneten Einstechthermometern auch die Kerntemperatur verschiedener Stichproben gemessen werden.

Temperaturmessung bei Prozessen mit Wärmezufuhr
Für viele Produkte wird während des Herstellprozesses die Einhaltung bestimmter Temperaturen über einen festgelegten Zeitraum mit einem Temperaturmessgerät gesichert. Dies ist wichtig zum Beispiel bei der Joghurtherstellung, beim Homogenisieren, beim Garen von Speisen, beim Trocknen empfindlicher Materialien und bei der Sterilisierung oder Schädlingsbekämpfung durch Hitze. Kann das Temperaturmessgerät eingestellte Grenzwerte als Signal weitergeben, lässt sich darüber die Prozesswärme steuern. Gibt das Temperaturmessgerät das Signal bei Mindest- oder Höchsttemperatur kann darüber automatisch die Wärmezufuhr erhöht oder gesenkt werden.