Wärmeableitfehler bei Widerstandsthermometern und Thermoelementen
Jedes Widerstandsthermometer oder Thermoelement leitet Wärme vom Messmedium ab oder zu. Dadurch weicht die gemessene Temperatur von der tatsächlichen Medientemperatur ab. Dies führt zu einem Messfehler, dem Wärmeableitfehler.
Wie entsteht der Wärmeableitfehler?
Grundsätzlich gilt in der Thermodynamik (Wärmelehre), dass Wärme immer vom wärmeren zum kälteren Körper fließt, bis der Temperaturunterschied ausgeglichen ist.
Wird ein Temperaturfühler z. B. in eine Rohrleitung eingebaut, so führt das Schutzrohr des Temperaturfühlers die Wärme nach außen ab und kühlt dadurch den Temperaturfühler und das zu messende Medium.
Diese Wärmeableitung kühlt das Messmedium in der Regel nicht wesentlich ab. Sie führt jedoch dazu, dass der Temperaturfühler eine niedrigere Temperatur als die tatsächliche Medientemperatur misst. Die Differenz zwischen gemessener und tatsächlicher Temperatur wird als Wärmeableitfehler bezeichnet.
Hinweis: Das ist nicht der Fall, wenn die Umgebungstemperatur höher ist als die Medientemperatur, dann wird umgekehrt Wärme in den Prozess transportiert.
Wie hoch ist der Wärmeableitfehler?
Wie stark sich der Messfehler durch die Wärmeableitung auswirkt, hängt von vielen Faktoren ab und ist in der Praxis nicht einfach zu bestimmen.
Wichtige Faktoren sind:
- Wärmeleitfähigkeit der Temperaturfühlerkomponenten
- Massenverhältnisse von Temperaurfühler & Messmedium
- Wärmekapazität des Messmediums & Temperaturfühlers, also wie viel Energie gespeichert werden kann.
- Temperaturdifferenz zwischen Messmedium und Umgebungstemperatur
Beim Temperaturfühler erfolgt die Wärmeableitung hauptsächlich über die metallischen Komponenten des Temperaturfühlers. Ein großzügig dimensionierter Temperaturfühler mit großem Durchmesser leitet mehr Wärme ab als ein Temperaturfühler mit kleinen Abmessungen. Je größer die Masse des Temperaturfühlers im Verhältnis z. B. zur Rohrleitung, in die der Temperaturfühler eingebaut ist, desto mehr Wärmeenergie kann der Messstelle entzogen werden. Durch die Wärmeableitung wird der Temperaturfühler, ähnlich wie bei einem Kühlkörper, permanent abgekühlt. Der daraus resultierende Messfehler kann mehrere Kelvin betragen und die Ansprechzeit des Temperaturfühlers erheblich verlängern.
Wenn Sie sich auch für das Thema Ansprechzeit interessieren, lesen Sie meinen Blogbeitrag dazu.
Wie minimiere ich den Wärmeableitfehler?
SIKA konstruiert Temperaturfühler prinzipiell so, dass die Wärmeableitung, also der Wärmeableitfehler, möglichst gering ist. Dabei muss je nach Messmedium und Umgebungsbedingungen ein Kompromiss zwischen den Anforderungen an die mechanische Stabilität und den messtechnischen Aspekten gefunden werden.
Unter anderem sind folgende Punkte zu beachten:
- Der Temperaturfühler sollte ausreichend tief in das zu messende Medium eintauchen.
- Der Durchmesser des Tauch- oder Schutzrohrs sollte so klein wie möglich sein.
- Die Wärmeleitfähigkeit der Temperaturfühlerkomponenten.
- Die Messstelle sollte möglichst gut isoliert sein.
Ein gutes Beispiel hierfür ist unsere Lösung für den Temperaturfühler des Typs WGF, der die Lufttemperatur in Lüftungskanälen erfasst. Hier besteht der Prozessanschluss des Temperaturfühlers aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff, der sehr gute Isolationseigenschaften besitzt. Dadurch wird die Wärmeableitung über den Sensor deutlich reduziert und der Wärmeableitfehler erheblich verringert.
Solch eine optimierte Lösung bietet viele Vorteile: Die genaue Temperaturmessung spart dem Anwender Betriebskosten und vereinfacht dem Konstrukteur die Auslegung der Messstelle. Scheuen Sie sich nicht, mit uns über Ihre spezielle messtechnische Herausforderung zu sprechen!
