Ansprechzeit von Widerstandsthermometern und Thermoelementen
Für die Regelung und Steuerung vieler Prozesse spielt oft die Ansprechzeit der Temperaturfühler eine wichtige Rolle. Doch was versteht man unter Ansprechzeit, wie wird sie ermittelt und welche normativen Grundlagen gibt es?
Was bedeutet Ansprechzeit?
Die Ansprechzeit ist die Geschwindigkeit, mit der ein Temperaturfühler auf Änderungen der Temperatur des zu messenden Mediums reagiert. Die Ansprechzeit wird üblicherweise mit zwei verschiedenen Werten angegeben: T63 und T90.
Das T steht hier für die Zeitkonstante tau (griechisch τ). Die Zeitkonstante tau ist in der Physik vereinfacht formuliert eine Zeitangabe für ein dynamisches System, bei dem die Sprungantwort einen exponentiellen Verlauf hat. Die Maßeinheit ist meistens Sekunde.
Die Zeit T63 gibt die Zeit an, bis der Temperaturfühler 63 % der zu messenden Temperaturdifferenz und T90 bis 90 % der Temperaturdifferenz gemessen hat. Da es sich um einen exponentiellen Verlauf handelt, spielt die Zeitangabe, bis 63 % der Medientemperatur gemessen wird, die wichtigste Rolle. Denn je mehr sich die gemessene Temperatur der tatsächlichen Medientemperatur annähert, desto länger dauert es (siehe Abbildung 1). Es macht also keinen Sinn, z. B. den Wert zu ermitteln, bis 100 % der Medientemperatur erreicht sind. Aufgrund des Wärmeableitfehlers kann dieser Wert praktisch nicht erreicht werden. Mehr zum Einfluss des Wärmeableitfehlers in einem anderen Beitrag.
Wie wird die Ansprechzeit eines Temperaturfühlers ermittelt?
Die thermische Ansprechzeit wird in Wasser mit einer Fließgeschwindigkeit > 0,2 m/s und / oder in Luft mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 3 +-0,3 m/s bestimmt.1
In der Praxis wird der Temperaturfühler beispielsweise von einem Wasserbad mit 25 °C in ein Wasserbad mit 90 °C getaucht. Beide Wasserbäder werden mit einem Referenzfühler überwacht. Die Zeit, bis der Prüfling die Wassertemperatur erreicht hat, wird aufgezeichnet. Daraus ergibt sich die sogenannte Sprungantwort des Temperaturfühlers (blaue Linie in Abbildung 1). Aus dieser Sprungantwort kann dann die Ansprechzeit ermittelt werden. Die Ermittlung kann grafisch erfolgen oder aus den Messwerten berechnet werden.
Die Ansprechzeit wird korrekterweise mit den beiden Temperaturen angegeben, bei denen die Ansprechzeit ermittelt wurde. Diese Temperaturen werden in den Datenblättern jedoch selten angegeben.
In diesem Fall beträgt T63: 1,2 s und T90: 2,8 s von 25 °C → 90 °C.
1 Auszug: DIN EN 60751:2009-05 EN60751:2008
Was beeinflusst die Ansprechzeit eines Temperaturfühlers?
Die Ansprechzeit eines Temperaturfühlers hängt von folgenden Einflussfaktoren ab:
- Konstruktion des Temperaturfühlers
Je geringer z. B. der Tauchrohrdurchmesser ist, desto schneller reagiert der Temperaturfühler auf Temperaturänderungen des Mediums. - Eintauchtiefe in den Prozess
Um die Temperatur des Messmediums möglichst genau zu messen, muss das Tauchrohr ausreichend tief in das Messmedium eintauchen. Auch wenn es hierfür keine einfache Faustformel gibt, sollte z. B. das Tauchrohr bei einem DN50-Rohr mindestens bis zum halben Rohrdurchmesser eintauchen. - Messmedium
Ein Temperaturfühler in einem flüssigen Medium reagiert wesentlich schneller auf eine Temperaturänderung als in einem gasförmigen Medium.
Tipp: Luft ist ein schlechter Wärmeleiter. Wenn Sie ein zusätzliches Schutzrohr verwenden, füllen Sie die Spitze des Schutzrohrs mit Wärmeleitpaste.
Welche Ansprechzeit sollte mein Temperaturfühler haben?
Wie schnell ein Temperaturfühler auf eine Temperaturänderung reagieren muss, hängt von den Anforderungen an den Regelkreis ab. Soll schnell auf eine Veränderung der Regelgröße reagiert werden, muss die Ansprechzeit möglichst kurz sein. Als praktisches Beispiel sei die Regelung der Kühlmitteltemperatur eines Motors oder einer Werkzeugmaschine genannt. Trotz abrupter Lastwechsel muss die Kühlmitteltemperatur möglichst konstant geregelt werden.
Letztendlich muss jedoch immer ein Kompromiss zwischen der Ansprechzeit und den Anforderungen an die mechanische Belastbarkeit des Temperaturfühlers gefunden werden. So spielen z. B. Strömungsgeschwindigkeit, Temperatur, Vibration oder Art des Mediums eine wichtige Rolle bei der Auswahl des richtigen Temperaturfühlers.
SIKA bietet hierfür speziell konstruierte Temperaturfühler an, die auf eine schnelle Ansprechzeit optimiert sind: Temperaturfühler in Marineausführung, Temperaturfühler in HKL-Ausführung und Temperaturfühler in Industrie-Ausführung mit IO-Link.
