Handbuch der Technischen Temperaturmessung

1631 Pages·2014·36.022 MB·German

by  Frank Bernhard (eds.)

Frank Bernhard Hrsg.
Handbuch
der Technischen
Temperaturmessung
2. Auflage
Handbuch der Technischen
Temperaturmessung
Frank Bernhard
Herausgeber
Handbuch der Technischen
Temperaturmessung
2. Auflage
Herausgeber
Dr.-Ing.FrankBernhard
TUIlmenau
Ilmenau,Deutschland
ISBN978-3-642-24505-3 ISBN978-3-642-24506-0(eBook)
DOI10.1007/978-3-642-24506-0
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Vorwort zur 1. Auflage
DieThermometersindohneWiderredeeinederhübschestenErfindungender
modernenPhysik, welche zugleich am meisten zu deren Fortschritten beige-
tragenhaben.SiehabenunseinegroßeAnzahlinteressanterKenntnissever-
mittelt,die ohneihre Hilfe nichterreichbarerschienen.Inwie vielenFällen
hättenwirohneThermometererfahrenkönnen,dassmiteinanderzusammen-
gemischteFlüssigkeitensicherwärmen?
Wirwüssten ebensowenig,dasssiedendesWassereineTemperaturhat,über
welchehinausdasWassernichterwärmtwerdenkann.AllePhysikerwissen,
dasszahlloseExperimentemitdemThermometerinderHandangestelltwer-
denmüssen.UndnichtsiealleinbedürfendiesesInstrumentes;esistnichtauf
ihreLaboratorienbeschränktgeblieben.Manliebtessehr,dasThermometer
zu beobachten,um die Temperaturender Luft zu erfahren, namentlichwenn
dieKälteunddieWärmeunbequemwerden,benutztmandasInstrument.
Weißmaneinerseits,wieamüsantundnützlichdiesesInstrumentist,sokennt
manandererseitsseineUnvollkommenheit.DerGangfastallerThermometer
ist verschieden. So versteht man schließlich nur das Thermometer, das man
mehrereJahrelangselbstverfolgthat,jedesanderebleibtunverständlich.
René-AntoineFerchaultdeRéaumur(1730)
Seit dembekanntenHandbuchdertechnischenTemperaturmessungvonFritz Lieneweg,
das1976-undleidernichtinweiterenAuflagen-erschien,fehlteimdeutschenSprach-
raum ein ihm inhaltlich entsprechendes Fachbuch, das relativ umfassend den aktuellen
Entwicklungsstanddervielfältigenelektrischen,mechanischen,akustischenundoptischen
MessprinzipienundSensoren,derentsprechendenMessgeräteundihrerEinsatzbedingun-
gensowohlderberührendenalsauchderStrahlungs-Temperaturmesstechnikerfasst.Dem
vorliegenden Buch ist das Handbuch von Lieneweg weitgehend Vorbild. Auch deshalb
sinddiefolgendenPassagenmitnurleichtenVeränderungendemVorwortvonFritzLie-
newegvomJuli1976entnommen.
MitdiesemBuchsollallenin IndustrieundLaborstätigenPhysikernundChemikern,
vorallemdenEntwicklungsingenieurensowiedenMetrologenunddenStudentenentspre-
chenderFachrichtungen,dieMöglichkeitgegebenwerden,sichindasGebietdertechni-
schenTemperaturmessungeinzuarbeiten.Vor allem denLetzterensollen die zahlreichen
RechenbeispielebeimStudiumHilfezumbesserenVerständnisdertheoretischenZusam-
menhängegeben.
Das Buch soll darüber hinaus aber auch Anregungen geben, in welcher Weise spezi-
ell auftretende Aufgaben und Probleme der Temperaturmessung gelöst werden können.
DemerfahrenenMesstechnikersolldasBuchalsNachschlagewerkdienen.Ausallendie-
sen Gründen ist der Inhalt weitgehend und übersichtlich gegliedert und mit zahlreichen
Literaturhinweisen,insbesondereauchausZeitschriftenundTagungsbänden,versehen.
DamitdasBuchseinenZweckerfüllt,mussweitgehendaufdietheoretischenGrundla-
gen derTemperaturmesstechnikeingegangenwerden.Außerdemwerdenausführlichdie
V
VI Vorwortzur1.Auflage
möglichenFehlerquellenundihre Beurteilung beiMessungen von Temperaturenbehan-
delt,wasimZeitalterderhochauflösendendigitalenMessgerätesowiederrechnergestütz-
tenMesswertverarbeitungalsbesonderswichtigerscheint.
Für Berührungsthermometer können mit Hilfe der Gesetze des Wärmetransports die
Fehler,diedurchdenWärmeaustauschzwischenMessobjektundThermometerentstehen,
berechnet werden. Daraus ergeben sich auch geeignete Maßnahmen, um sie zu beseiti-
genoderwenigstenszuverringern.DieWärmeübertragungistfernervonmaßgebendem
EinflussaufdasstatischeunddynamischeVerhaltenvonThermometern,dieinbeliebigen
Messobjektenund-medieneingesetztwerden.DarausergebensichdieGesichtspunktefür
dieAuswahlderjeweilsgeeignetstenThermometer,fürihrenzweckmäßigenEinbauund
fürihrimInteressederMessunsicherheitzubeachtendesdynamischesVerhalten.Fürin-
dustrielle Anwendungenmuss auchdie BeständigkeitundBelastbarkeitderSchutzrohre
beachtetwerden,derenBerechnungvongrößterBedeutungist.
Wie für Berührungsthermometer die Kenntnis der Gesetze der Wärmeübertragung
wichtig ist, so muss man für den richtigen Einsatz und die Auswertung der Anzeigen
vonStrahlungsthermometernundThermografiegerätendieStrahlungsgesetzekennen.Aus
diesen ergebensich die verschiedenenArten von Strahlungsthermometern,wie auch die
GrößeundArtvonmöglichenMessfehlern.Vorallem mussderEinflussdesEmissions-
verhaltensdesMessgutssowiedervonFremdstrahlungundvonZwischenmedienbeachtet
werden.FürdieAuswahldesfüreinekonkreteMessaufgabegeeignetstenStrahlungsther-
mometerssindfernerderenOptik,dieEigenschaftenderStrahlungsempfängerundbeson-
dersdasspektraleVerhaltenderverschiedenenMessobjekteentscheidend.
Viele Temperaturmessgeräte benötigen elektrische und elektronische Baugruppen für
die analogeunddigitaleMesswertverarbeitungund-ausgabe.DerenKenntnisist ebenso
wichtigwiedieKenntnisderPrüf-undKalibrierverfahren,nachdenenTemperatursenso-
renund-MessgerätevomHerstellerundinKalibrierlaboratorienüberprüftundkalibriert
werden,damitsiewiederumvomAnwenderimEinsatzüberprüftbzw.fürdieBeurteilung
dererreichbarenMessunsicherheitsachgerechtbeurteiltwerdenkönnen.
In den verschiedenen Kapiteln des Buches wird immer auch auf technische Anwen-
dungsbeispiele von Berührungs- und Strahlungsthermometern hingewiesen. Eine annä-
hernd vollständige Erfassung aller derzeit gegebenen Möglichkeiten kann jedoch nicht
erwartetwerden.
In diesem Buch dürfen auch Informationen zur Geschichte der Temperaturmessung,
über die Internationale Temperaturskale sowie zur nationalen und internationalen Nor-
mung auf diesem Gebiet nicht fehlen. Da in der Verfahrenstechnik z.T. sehr langlebige
Anlagenbetriebenwerden,sindimBuchauchtechnischeLösungenzurTemperaturmes-
stechnik beschrieben, die vor 30 - 40 Jahren entwickelt wurden. Auch wenn einige von
ihneninNeuanlagennichtmehreingesetztwerden,müssensieabernochersetzt,repariert
undgewartetwerden.
ImBuchwirdfastohneAusnahmeeinheitlichdasFormelzeichenT fürdieTemperatur
benutzt.ObdabeiinentsprechendeGleichungeneinZahlenwertinKoderin◦Ceingesetzt
werdenmuss,ergibtsich ausdemKontextoderist ausdenEinheitenderdazugehörigen
Koeffizientenersichtlich.BeiTemperaturmessfehlernwirdimAllgemeinenzwischenΔ T
und δT unterschieden. Ersteres wird bei den sogenannten thermischen Messfehlern be-
Vorwortzur1.Auflage VII
nutzt,dieauchimphysikalischenSinnTemperaturdifferenzendarstellen(sieheAbschnitt
3.1.3.1).
BeiderVielfalttechnischrelevanterTemperaturmessverfahrenwareszweckmäßig,vor-
geschriebeneodertraditionellüblicheFormelzeichenzubenutzenunddabeiauchDopp-
lungen der Bedeutung in Kauf zu nehmen. Auch sollten zusätzlich nur der Unterschei-
dungdienendeIndizesoderZusatzzeichenweitgehendvermiedenwerden.Eineeventuelle
VerwechslungsmöglichkeitsolltebeiBeachtungdesjeweiligenKontextesausgeschlossen
werdenkönnen.
Bis auf eine Ausnahme (für das Signal-Rausch-Verhältnis - S/N bzw. SNR) wurden
diemeistausdemAmerikanischenstammenden,teilweise mehrbuchstabigenAbkürzun-
genfürspezielletechnisch-physikalischeGrößenwieNETD(sieheKapitel13)nicht,wie
immermehrverbreitet,auchnochalsFormelzeicheneingesetzt,sonderndafürwurdenfür
diejeweiligeDimensiondieserGrößeadäquateFormelzeichenggf.mitIndexbenutzt,z.B.
δT .
Rä
Bei der Vorbereitung und Abfassung dieses Handbuchesbekam ich vielfältige Unter-
stützungundHilfe.
MeinDankgiltvorallemdenAutoren
– Dr.-Ing.HeinzBrixy,Niederzier(Abschnitt11.1-Rauschthermometer),
– Prof.Dr.-Ing.habil.GünterDittmar,FachhochschuleAalen(Kapitel13-Strahlungs-
temperaturmessung),
– Dipl.-Ing.ChristianFlorin,FLIRAGInfrarot-Technik(Kapitel14-Thermografie),
– Dipl.-Ing.GeorgGoldbach,Dipperz(Abschnitt5.7-Mechanisch-thermischeBela-
stungvonSchutzrohren),
– Prof.Dr.-Ing.WolfgangHeering,UniversitätKarlsruhe(Kapitel15-Spektroskopi-
scheTemperaturmessung),
– Prof. Dr.-Ing.habil. Erwin Kaiser, Technische Universität Dresden (Kapitel 4 -
Temperaturmessungmit Berührungsthermometernan Festkörpern, Abschnitt 12.1
-Temperaturindikatoren),
– Dipl.-Phys. Matthias Nau, JUMO GmbH & Co. KG Fulda (Kapitel 9 - Wider-
standsthermometer),
– Dr.-Ing.Günther Neuer,UniversitätStuttgart(Abschnitt13.12- Prüfungund Kali-
brierungvonStrahlungsthermometern),
– Dr.rer.nat.GünterSchwotzer,InstitutfürphysikalischeHochtechnologie(IPHT)Je-
na(Abschnitt12.3-FaseroptischeTemperaturmessung),
– Dr.rer.nat.ErichTegeler,Physikalisch-TechnischeBundesanstalt(Kapitel7-Kali-
brierungvonBerührungsthermometern),
– Prof.Dr.ReinhardtWillsch,InstitutfürphysikalischeHochtechnologie(IPHT)Jena
(Abschnitt12.3-FaseroptischeTemperaturmessung)und
– Prof.Dr.HorstZiegler,UniversitätGHPaderborn(Abschnitte11.2-Frequenzana-
logeTemperatursensoren,12.2-AkustischeTemperaturmessung)
für ihre fundierten Beiträge und ihre Geduld. Danken möchte ich auch dem Institut für
Prozessmess-undSensortechnikderTechnischenUniversitätIlmenauundbesondersden
MitarbeiternseinerForschungsgruppeTemperaturmesstechniksowiedenvonmirbetreu-
tenDiplomandenundDoktoranden,diemirdieArbeitandiesemBuchermöglichtenund
denenicheineReihederderdargestelltenErgebnisseverdanke.
VIII Vorwortzur1.Auflage
FürvieleInformationensowiedirekteundindirekteAnregungenwährendeinerteilwei-
selangjährigenZusammenarbeitbinichdenFachkollegen
– imTechnischenKomitee12TemperatureandThermalMeasurementderInternatio-
nalenMesstechnischenKonföderationIMEKO,
– im früheren Fachunterausschuss Temperaturmesstechnik der Wissenschaftlichen
GesellschaftfürMesstechnikundAutomatisierungderDDR,
– indenFachausschüssenTemperaturmesstechnikundangewandteStrahlungstempe-
raturmessungderGesellschaftfürMesstechnikundAutomatisierungdesVDI,
– imUnterkomiteeSensorenderDKE,
– im-leidernichtmehrexistierenden-ArbeitskreisMesstechnikderVereinigungder
Großkraftwerkbetreiber,
– in den Fachausschüssen Temperatur und Feuchte des Deutschen Kalibrierdienstes
sowie
– ThermophysikderDeutschenGesellschaftfürzerstörungsfreieWerkstoffprüfung
zuDankverpflichtet.ÄhnlichesgiltfürFachkollegendesehemaligenThermometerwerkes
GerabergundderausihmhervorgegangenenUnternehmensowieeinerganzenReihevon
Forschungspartnern.
FürwichtigeAnregungen,Ergänzungs-undKorrekturvorschlägezumManuskriptdan-
keichbesonders
Dr.UlrichKienitz,Dr.EkkehartSchreiber,Dr.GünterSchwotzer,Dipl.-Ing.
Ortwin Strusz, Dr. Jörg Hollandt, Dipl.-Ing. Peter Steiner, Dipl.-Ing. Uwe-
PeterArlt,Dr.LeopoldReindl,Dr.WernerBreinl,Dr.DieterHuhnke,Dipl.-
Ing. Steffen Schmidt, Dr. Norbert Schuster und Prof.Dr. G.Hofmann sowie
Dr.WinfriedBernhard,Dr.MargritGlaserundDr.TilmanGlaser.
AbschließendmöchteichzumHauptzweckdiesesBucheszweiehemaligeProfessorender
TechnischenUniversitätMünchenzitieren:
Man könnte der Meinung sein, dass es auch für den ganz Ungeübten keine
Schwierigkeitenböte,Temperaturenrichtigzumessen,wennmanihmnurdie
Geldmittel zur Verfügung stellt, sich hinreichend genau messende Apparate
anzuschaffen.
DieGesetzederWärmeübertragungsindaberauchinderTheoriederTem-
peraturmessungweitgehendzubeachten.
Diese Erkenntnis hebt die Temperaturmessung über den Rahmen der einfa-
chenBenutzungundAblesungvonInstrumentenweithinausundmachtsiezu
einernichtganzleichtzuerlernendenKunst.
O.Knoblauch,K.Hencky(1926)
Ilmenau,April2003
FrankBernhard
Vorwort zur 2. Auflage
Nachdemdie1.AuflagediesesBuchesvergriffenwar,entschlossensichVerlagundHer-
ausgeberzueiner2.Auflagemitdem-seinemInhaltundUmfangbessergerechtwerden-
den - Titel Handbuch der Technischen Temperaturmessung.Die offensichtlich bewährte
Gliederungder1.AuflagesowiedieErläuterungdertheoretischenGrundlagendurchvie-
lenachrechenbareBeispielewurdedabeiimWesentlichenbeibehalten.
Natürlich wurde die zweite Auflage, der raschen Entwicklung von Wissenschaft,
Geräte-undAnwendungstechniksowiederinternationalenNormungentsprechend,inal-
lenKapitelnaktualisiert.
ZudeninhaltlichenNeuerungengehörenbesonders
– dieAktualisierungderInternationalenTemperaturskaleITS-90sowiedieweitfort-
geschrittenenArbeiten zu ihrer Weiterentwicklungundzur Neudefinitionder Ein-
heitKelvin,
– dieErgänzungdesAbschnittszurBerechnungdermechanisch-thermischenFestig-
keit von Thermometerschutzrohren um die Berechnungsmethodik nach der Stau-
druckmethode,vor allem aber um die gegenüber der bisherigen ASME PTC 19.3
grundlegenderweitertenRechenvorschriftASMEPTC19.3TW-2010,
– neuegerätetechnischeLösungenzuexperimentellenBestimmungdesdynamischen
VerhaltensvonTemperaturfühlern,insbesondereimBereichhöhererTemperaturen
sowiezurTemperaturabhängigkeitdynamischerKennwerte,
– die Berücksichtigungneu in die internationaleundnationale Normungaufgenom-
menerHochtemperatur-undReinmetall-Thermoelemente,
– moderneundanwendungstechnischerweiterteMessverfahrenundTemperaturmess-
geräteaufderBasisvonakustischenOberflächenwellen,
– ebenfallsmoderneund anwendungstechnischerweiterte Temperaturmessverfahren
und-geräteaufderBasisvonfaseroptischenSensoren,
– die Einarbeitung neuer nationaler und internationaler Richtlinien zur Strahlungs-
temperaturmessung und zur Kalibrierung von Strahlungsthermometern sowie die
Berücksichtigung der sich schnell entwickelnden Sensor- und Gerätetechnik und
ihrererweitertenAnwendungsmöglichkeiten,
– eine nahezu vollständige Neufassung des Kapitels Thermografieaufgrundder im-
mer schneller verlaufenden Entwicklung der entsprechenden Sensor- und Geräte-
technik, insbesondere der Sensorarrays sowie der benutzten Korrektur-Methoden
undzurBildauswertung,diezueinererheblichenVerbesserungdermesstechnischen
Kennwerte, der Einsatzgrenzen und der Anwendungsgebiete der Temperaturmes-
sungmitThermografiekamerasführten.
Nebenallem,wasdenmodernenStandderTechnikinderPraxisderTemperaturmessung
kennzeichnet,wurde,demAnsprucheinesHandbuchesundNachschlagewerkesentspre-
chend, weiterhin auch die Darstellung älterer bzw. nicht mehr kommerziell verfügbarer
Messverfahrenund-gerätebeibehalten,einmalwegenderMöglichkeit,sichauchdarüber
zuinformieren,andererseitsbietenspzielleSonderverfahrenauchmesstechnischeLösun-
genfürungewöhnlicheTemperaturmessaufgabenoderMessbedingungen.
IX
X Vorwortzur2.Auflage
UmtrotzdernotwendigenErgänzungendenUmfangdesHandbuchesnichtwesentlich
zu vergrößern, wurde gegenüber der 1. Auflage auf einige sehr spezielle und teilweise
auch überholte Teilabschnitte verzichtet, das Literaturverzeichniszwar aktualisiert, aber
wesentlich gekürztsowie eine Vielzahl von einfachen Definitionen nicht mehr als num-
merierte und frei stehende Gleichung dargestellt, sondern in den Text integriert. In die
Kapitel 6 zum dynamischen Verhalten, 9 zu Widerstandsthermometernund 10 zu Ther-
moelementen wurden nur Tabellen mit größeren Schrittweiten ihrer Parameter, also mit
wenigerZeilen,aufgenommen.DievollständigenTabellenmitkleinerenSchrittweitenih-
rerParametersindimKapitel16enthalten.
Für ihre aktive Mitarbeit und vielfältige Unterstützung bei der Bearbeitung der zwei-
tenAuflagebinicheinerganzenReihevonFachkollegenausWissenschaftundIndustrie
sowiedermesstechnischenPraxiszuDankverpflichtet.
VorallemdankeichdenBearbeiternderzweitenAuflage
– Dr.rer.nat.Joachim Fischer, Physikalisch-TechnischeBundesanstalt(Abschnitt2.4
-Temperaturskalen),
– Prof.Dr.rer.nat.habil.JürgenHartmann,HochschulefürangewandteWissenschaften
Würzburg-Schweinfurt(Kapitel13-Strahlungstemperaturmessung),
– Prof.Dr.-Ing.WolfgangHeering,UniversitätKarlsruhe(Kapitel15-Spektroskopi-
scheTemperaturmessung),
– Prof. Dr.-Ing.habil. Erwin Kaiser, Technische Universität Dresden (Kapitel 4 -
Temperaturmessungmit Berührungsthermometernan Festkörpern, Abschnitt 12.1
-Temperaturindikatoren),
– Dipl.-Phys.MatthiasNau,JUMO GmbH& Co. KG (Kapitel9 - Widerstandsther-
mometer),
– Dr.rer.nat.SteffenRudtsch,Physikalisch-TechnischeBundesanstalt(Kapitel7-Ka-
librierungvonBerührungsthermometern),
– Dr.rer.nat.ErichTegeler,Physikalisch-TechnischeBundesanstalt(Kapitel7-Kali-
brierungvonBerührungsthermometern)und
– Prof.Dr.ReinhardtWillsch,InstitutfürphysikalischeHochtechnologie(IPHT)Jena
(Abschnitt12.3-FaseroptischeTemperaturmessung)
für ihre umfangreiche und sorgfältige Arbeit bei der Aktualisierung und Korrektur der
genanntenKapiteloderAbschnitte.
AußerdemdankeichdenVorsitzendenbzw.ObleutenundallenMitgliedern
– desGMA-Fachausschusses2.51-AngewandteStrahlungsthermometrie,
– desGMA-Fachausschusses2.52-Berührungsthermometrie,
– desGMA-Fachausschusses8.51-TemperaturmessungmitWärmebildkamerasso-
wie
– desDKE-FachgremiumsK961-ElektrischeMesswertaufnehmerundMessgrößen-
umformersowie
– desDKD-FachausschussesTemperaturundFeuchte.
Den vielen persönlichen Gesprächen während der Beratungen dieser Gremien und den
vonihnenerarbeitetenRichtlinienbzw.NormenverdankeichvieleInformationendieses
Handbuches.