Diplomarbeit von D Gross FH Kaiserslautern .pdf

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Author: Dominik

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Fachhochschule Kaiserslautern
Fachbereich Angewandte Ingenieurwissenschaften
Studiengang Maschinenbau
Studienschwerpunkt Allgemeiner Maschinenbau

Diplomarbeit
zur Erlangung des akademischen Grades:
Diplom-Ingenieur (FH)

Thema:

Einsatz der Thermografie zur Analyse von Verbrennungsmotoren

vorgelegt von:

wohnhaft in:

Betreuer:

Erstprüfer:
Zweitprüfer:
Abgabetermin:

Dominik Groß, geb. am 14.11.1981
Matr.-Nr.: 808798
Kirrbergerstraße 14
66894 Bechhofen
Prof. Dr.-Ing. Peter Heidrich
Dipl.-Ing. (FH) Donatus Altendorfer
Prof. Dr.-Ing. Peter Heidrich
Prof. Dr.-Ing. Norbert Gilbert
16.01.2012

Diplomarbeit

Aufgabenstellung
Thema:

Einsatz der Thermografie zur Analyse von Verbrennungsmotoren

An einem 4-Zylinder-4-Takt-Ottomotor der Firma Opel sollen zukünftig Temperaturmessungen an signifikanten Stellen des Kurbelgehäuses und der Abgasanlage mit der InfrarotMesstechnik durchgeführt werden. Der Motor steht auf einem Prüfstand im Kolbenmaschinen-Labor der Fachhochschule Kaiserslautern.
Aus den Temperaturmessungen sollen dann Rückschlüsse auf Betriebskenngrößen des
Prüfstandsmotors gezogen werden.

Methodisch sollte die Arbeit in folgende Aufgabenschwerpunkte unterteilt werden:


Einarbeitung in die Prüfstandssteuerung,



Ermittlung der Betriebskenngrößen, die aus der Prüfstandssteuerung extrahiert
werden können,



Einarbeitung in die Infrarot-Messtechnik (Strahlung, Emissionsgrad, Störeinflüsse,…),



Erprobung und Verifizierung von Temperaturmessungen an Kurbelgehäuse und Abgasanlage,



Ableitung und Aufstellung von Ansätzen zur Bestimmung von Betriebskenngrößen
aus Oberflächentemperaturen,



Betrachtung von Fehlereinflüssen,



Dokumentation der Ergebnisse

__________________________________________________________________________________
II

Diplomarbeit

Eidesstaatliche Versicherung
Hiermit versichere ich, dass ich die vorliegende Diplomarbeit selbstständig und ohne unerlaubte Hilfe angefertigt habe und andere als die in der Diplomarbeit angegebenen Hilfsmittel
nicht benutzt habe. Alle Stellen, die wörtlich oder sinngemäß aus anderen Schriften entnommen sind, habe ich als solche kenntlich gemacht.

Unterschrift

_________________________

Bechhofen, den

_________________________

__________________________________________________________________________________
III

Diplomarbeit

Danksagung

Ich bedanke mich bei der Fachhochschule Kaiserslautern, die mir diese Arbeit ermöglicht
hat.
Des Weiteren bedanke ich mich recht herzlich für die tatkräftige Unterstützung und die hilfreichen Anregungen bei meinen Betreuern


Prof. Dr.-Ing. Peter Heidrich



Dipl.-Ing. (FH) Donatus Altendorfer

Auch möchte ich mich bei der FH-internen Werkstatt für die recht zügige Bearbeitung der
Bauteile bedanken.
Ein besonderer Dank geht an meine Eltern, die immer ein „offenes Ohr“ für mich hatten und
mich moralisch sehr unterstützten. Ohne deren Rückenstärkung und ohne die finanzielle
Unterstützung seitens meiner Großeltern wäre mein Studium nicht möglich gewesen.

__________________________________________________________________________________
IV

Diplomarbeit

Inhalt
Aufgabenstellung ......................................................................................................................................... II
Eidesstaatliche Versicherung ................................................................................................................... III
Danksagung ................................................................................................................................................. IV
Formelzeichen ............................................................................................................................................ VII
Zeitplanung .................................................................................................................................................. XI
Zusammenfassung ................................................................................................................................... XIII
1 Einleitung ................................................................................................................................................... 1
2 Stand der Technik ..................................................................................................................................... 3
2.1 Temperaturmesstechnik ........................................................................................................................... 3
2.1.1 Die Infrarotthermografie als berührungsloses Messverfahren ............................................... 3
2.1.2 Das Thermoelement ............................................................................................................. 10
2.1.3 Das Widerstandsthermometer .............................................................................................. 15
2.1.4 Thermoelement und Widerstandsthermometer im Vergleich ............................................... 19
2.2 Wärmeübergang in Motorabgassystemen ........................................................................................... 20
3 Ziel der vorliegenden Arbeit ................................................................................................................. 21
4 Der Prüfstand .......................................................................................................................................... 22
5 Planung und Vorbereitung .................................................................................................................... 25
5.1 Messgerät-, Sensor-, und Materialauswahl ......................................................................................... 25
5.2 Programmierung des Messdatenerfassungssystems ........................................................................ 33
6 Messaufbau .............................................................................................................................................. 44
7 Durchführung der Temperaturmessungen ........................................................................................ 48
8 Messergebnisse und Folgerungen ...................................................................................................... 50
8.1 Messergebnisse an Messstelle 1 .......................................................................................................... 50
8.1.1 Fehlerbetrachtung ................................................................................................................ 52
8.1.2 Vergleich der gemessenen Oberflächentemperaturen ........................................................ 55
8.1.3 Modell zur Bestimmung der Rohrwand-Grenztemperaturen................................................ 56
8.2 Temperaturprofil über die Länge des Abgasrohres ............................................................................ 73
8.3 Energiebilanzrechnung für den Motor .................................................................................................. 82
9 Betrachtung von Fehlereinflüssen und Grenzen .............................................................................. 93
10 Ausblick .................................................................................................................................................. 95
Literatur ....................................................................................................................................................... XV
Anhang ......................................................................................................................................................... XX

__________________________________________________________________________________
V

Diplomarbeit

Abkürzungen
IR

Infrarot

IFOV

„Instantaneous Field Of View“, geometrische Auflösung

DMM

Digitalmultimeter

MUX

Multiplexer

Grenzabw.

Grenzabweichung

DK

Drosselklappe

entw.

entwickelt

__________________________________________________________________________________
VI

Diplomarbeit

Formelzeichen
Lateinische Symbole
Zeichen:

Bedeutung:

Einheit:

A

(Rohr-) Querschnittsfläche

m2

c

Konstante, Benzin-Zusammensetzung

-

cp

spezifische Wärmekapazität

J / kg K

spezifische Wärmekapazität von Wasser

J / kg K

CAF

Konstante, erhöhter Wärmeübergang

-

da

Außendurchmesser des Abgasrohres

m

di

Innendurchmesser des Abgasrohres

m

h

Konstante, Benzin-Zusammensetzung

-

hu

Heizwert des Brennstoffs

J / kg


H
A

Abgasverlust

W


H
KW

Kühlwasserverlust

W

K

Brennstoffkenngröße

m3 / kg

L

Überströmlänge des Abgasrohres

m

B
m

Massenstrom des Brennstoffs

kg / s

A
m

Massenstrom des Abgases

kg / s

L
m

Massenstrom der Luft

kg / s

Md

effektives Motor-Drehmoment

Nm

M

Molmasse

kg / mol

n

Motordrehzahl

1/s

Nu

Nußelt-Zahl, wandäußere Konvektion

-

Nud

Nußelt-Zahl, wandinnere Konvektion

-

Nulaminar

Nußelt-Zahl für laminare Strömung

-

Nuturbulent

Nußelt-Zahl für turbulente Strömung

-

ps

Dampfdruck des gesättigten Dampfes

Pa

pabs

Absolutdruck der Umgebung

Pa

Pe

effektive (mechanische) Motor-Leistung

W

Pr

Prandtl-Zahl, allgemein

-

cw

__________________________________________________________________________________
VII

Diplomarbeit
PrAbgas

Prandtl-Zahl des Abgases

-

PrL

Prandtl-Zahl der Luft bei 30 °C

-

q

Wärmestromdichte der Rohrwand

W / m2

R , spez.

spezifischer Wärmewiderstand

m2 K / W

Re

Reynolds-Zahl, allgemein

-

Red,i

Reynolds-Zahl für die Rohr-Innenströmung

-

ReL,a

Reynolds-Zahl für die Rohr-Außenströmung

-

s

Rohr-Wandstärke

m

T

Teilerkonstante

-

tM

Temperatur an der Messstelle

°C

tA

Genauigkeits-Temperaturwert

°C

T

Temperatur, allgemein

K

TU

Umgebungstemperatur

K

TA

Abgastemperatur

K

TKA

Kühlwasseraustrittstemperatur

K

TKE

Kühlwassereintrittstemperatur

K

U

Temperatur-Messunsicherheit

°C

Uges

Gesamt-Temperatur-Messunsicherheit

°C

V

Hubvolumen

m3

Vt

spez. Volumen des trockenen Abgases

m3 / kg

Vf

spez. Volumen des feuchten Abgases

m3 / kg

V

Volumenstrom des Abgases

m3 / s


V
KW

Volumenstrom des Kühlwassers

m3 / s

w

Strömungsgeschwindigkeit, allgemein

m/s

wi, 1 bar

Abgasgeschwindigkeit für 1 bar

m/s

wa

Strömungsgeschwindigkeit der Lüfterströmung

m/s

xs

absolute Luftfeuchte

-

__________________________________________________________________________________
VIII

Diplomarbeit

Griechische Symbole
Zeichen:

Bedeutung:

Einheit:

α

Absorptionsgrad

-

gemittelter Temperaturkoeffizient

1 / °C

Kohlenstoffanteil, der zu CO oxidiert

-

αi

Wärmeübergangskoeffizient, wandinnere Konvektion

W / m2 K

αa

Wärmeübergangskoeffizient, wandäußere Konvektion

W / m2 K

ε

Emissionsgrad

-

ζ

Brennstoffkenngröße

-



dynamische Viskosität

Pa s

f

dynamische Viskosität des feuchten Abgases

Pa s

ηe

effektiver Wirkungsgrad

-

ηA

Abgasverlustwirkungsgrad

-

ηKW

Kühlwasserverlustwirkungsgrad

-

ηR

Restenergieverlustwirkungsgrad

-

i

Abgastemperatur

°C

1

Temperatur an Rohr-Innenwand

°C

Wand

mittlere Rohr-Wandtemperatur

°C

2

Temperatur an Rohr-Außenwand

°C

a

Umgebungstemperatur

°C

λ

Wellenlänge

µm

Luftverhältnis

-

λ

spezifische Wärmekapazität

W/mK

 Wand

mittlere spezifische Wärmekapazität der Rohrwand

W/mK

λL

spezifische Wärmekapazität von Luft bei 30 °C

W/mK

f

spezifische Wärmekapazität des feuchten Abgases

W/mK

Brennstoffkenngröße

-

f

kinematische Viskosität des feuchten Abgases

m2 / s

 Luft, 30 C

kinematische Viskosität der Luft bei 30 °C

m2 / s

*

Massenanteil

-

ξ

Widerstandskoeffizient

-

α
α

λL



__________________________________________________________________________________
IX

Diplomarbeit
ρ

Reflexionsgrad

-

ρ

Dichte

kg / m

ρKW

Dichte des (Kühl-) Wassers

kg / m

σMD

Abweichungs-Temperaturwert

°C

σtW

Abweichungs-Temperaturwert

°C

Brennstoffkenngröße

-

τ

Transmissionsgrad

-

*

feuchter Abgas-Volumenanteil

-

ω

Brennstoffkenngröße

-

Ω

Sauerstoffanteil in der Luft

-

σ

__________________________________________________________________________________
X

Diplomarbeit

Zeitplanung
In der Zeit vom 18.07.2011 bis 16.01.2012 (KW 29, Jahr 2011 bis KW 3, Jahr 2012 ˆ 26 Wochen) ist folgende Planung der Zeitverhältnisse vorgesehen worden:

Abbildung 1: Zeitplanung

_________________________________________________________________________________________________________________________________
XI

Diplomarbeit
Zur besseren Lesbarkeit sind nachfolgend nochmal die einzelnen Arbeitsschritte mit Angabe der jeweiligen Dauer aufgelistet:

1)

Einarbeitung in IR-Thermografie, Temperaturmessung, Agilent VEE (Grundkenntnisse), Wärmeübertragung/Ausdrucke: 3,5 Wochen

2)

Berechnung der Wärmeübertragung durch die Abgas-Rohrkrümmer-Wand:

1,6-3,5 Wochen

3)

Auswahl und Bestellung des Messgerätes, der Sensoren und von Zubehör:

1,5 Wochen

4)

Aneignung der Messgerät-Theorie einschließlich der notwendigen praktischen Übung/Ausdrucke:

0,8-1,2 Wochen

5)

Einarbeitung in die VBA-Programmierung:

0,6 Wochen

6)

Vertiefung der Programmiertechniken in Agilent VEE:

0,6 Wochen

7)

Programmierung des Messdatenerfassungssystems Agilent 34972A mit Agilent VEE:

5-6 Wochen

8) Teilefertigung FH-interne Werkstatt/Installation des Messsystems:

2-3 Wochen

9)

0,4 Wochen

Aneignung Prüfstandssteuerung/Ermittlung extrahierbare Betriebskenngrößen/Verstehen Vorgänger-VEE-Programme:

10) Erprobung und Verifizierung von Temperaturmessungen:

1-2 Wochen

11) Auswertung Temperaturmessungen/Ableitung und Aufstellung von Ansätzen/Betrachtung von Fehlereinflüssen:

1-2 Wochen

12) Ausarbeitung Diplomarbeit:

5,6-8,6 Wochen

_________________________________________________________________________________________________________________________________
XII

Diplomarbeit

Zusammenfassung
Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht ein Ottomotor der Firma Opel, der im KolbenmaschinenLabor der Fachhochschule Kaiserslautern aufgestellt ist. Dieser Motor ist Gegenstand von
durchzuführenden Temperaturmessungen an dessen Abgasanlage, denn die Untersuchung
des Wärmeübergangs in den Abgasanlagen heutiger Kraftfahrzeuge wird immer wichtiger.
Die Ergebnisse solcher Untersuchungen dienen der Verbesserung der Konstruktions- und
Optimierungsverfahren der Verbrennungskraftmaschine.
Jedoch wird die exakte Bestimmung der Wärmeübertragung durch die komplexe Geometrie
der Abgassysteme erschwert.
Diese Arbeit soll durch die Aufstellung eines Berechnungsmodelles dazu beitragen, mithilfe
von Oberflächentemperaturen auf die Abgastemperatur zu schließen. Umgekehrt kann bei
bekannter Abgastemperatur auf die Oberflächentemperatur geschlossen werden. Ein stationärer, d.h. ein zeitunabhängiger, Wärmeübergang im Abgassystem wird dabei vorausgesetzt.
Zur Aufnahme der Oberflächentemperaturen an verschiedenen Stellen der Abgasanlage des
Prüfstandsmotors werden die Infrarot-Thermografie und zur Verifizierung die elektrische
Messtechnik eingesetzt. Durch eine Fehlerrechnung wird gezeigt, dass die Widerstandstemperaturmessung mit Pt 100-Widerstandssensoren als ein Verfahren der elektrischen Messtechnik und die Infrarot-Thermografie recht genaue Messergebnisse liefern. Aufgrund der
guten Auswertemöglichkeit der Infrarot-Wärmebilder mithilfe einer Software wird die mit der
Infrarot-Technik aufgenommene Oberflächentemperatur in die Modellrechnung einbezogen.
Es konnte gezeigt werden, dass durch die Modellrechnung, unter Annahme realistischer
Werte, die aus dem Versuch ermittelte Oberflächentemperatur mit dem Pt 100Widerstandssensor an einer bestimmten Stelle sehr genau bestimmt werden kann.
Desweiteren werden an verschiedenen Stellen der Abgasanlage, außer direkt am Abgaskrümmer, die Abgastemperaturen mit Thermoelementen gemessen. Thermoelemente gehören neben den Pt 100-Widerstandssensoren ebenfalls zur Ausstattung der elektrischen
Messtechnik. Diesen Temperaturen konnte die aus der Modellrechnung ermittelte Abgastemperatur direkt am Abgaskrümmer in einem Temperaturprofil sehr gut zugeordnet werden.
Es zeigte sich somit, dass das aufgestellte Modell genaue Ergebnisse liefert.
Mit der Extrahierung verschiedener Betriebskenngrößen aus einem Prüfstandsprogramm
und der aus dem Berechnungsmodell ermittelten Abgastemperatur direkt am Abgaskrümmer
bzw. am Flammrohr wird am Ende der Arbeit eine Energiebilanzrechnung für den Motor
durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Berechnung werden daraufhin mit den Werten aus der
Literatur verglichen und ihnen gegenübergestellt.
__________________________________________________________________________________
XIII

Diplomarbeit
Zur Aufnahme der Temperaturen der elektrischen Messtechnik, musste das Messdatenerfassungs- und Schaltsystem Agilent 34972A programmiert werden. Die Programmierung
erfolgte mit der grafischen Software-Programmierumgebung Agilent VEE für Messtechnik
und Test.
Bei der Installation des Messsystems wurde bei den Pt 100-Widerstandssensoren auf die
Vierleiter-Technik, die gegenüber der Zwei- und Dreileitertechnik genauere Ergebnisse liefert, zurückgegriffen. Zudem wurde zur Drahtbündelung eine Platine eingesetzt.
Zur Justierung der Thermoelement-Fühler diente ein, auf eine Mutter aufgeschraubter,
Klemmaufsatz.

__________________________________________________________________________________
XIV

Diplomarbeit

1 Einleitung
In sehr vielen heutigen Industrie-Prozessen nimmt die Messung der Temperatur eine hohe
Stellung ein, denn sie ist eine der wichtigsten Aufgaben der industriellen Messtechnik. Man
denke an das Trocknen von Lacken, die Phasenumwandlungen in Werkstoffen, die chemischen Reaktionen, die Energiemessung oder die Klimatisierung. [1], [2, S.7], [3]
Aber was bedeutet der Begriff „Temperatur“? Die Temperatur ist eine Zustandsgröße, die
zusammen mit anderen Größen eines Körpers dessen Energieinhalt beschreibt. Mit steigender Temperatur wächst auch die innere Energie eines Körpers. Ausgehend von der ungeordneten Bewegung der Moleküle oder Atome eines Körpers, wird dessen innere Energie
physikalisch betrachtet als „Wärme“ bezeichnet. Das Maß der Temperatur ist das Kelvin.
0 K(elvin) entspricht einer Temperatur auf der Celsius-Skala von -273,15 °C. Unter diesem
Ausgangspunkt versteht man den absoluten Nullpunkt. Die Moleküle eines Körpers ruhen
dann und er besitzt keine Wärmeenergie mehr. [2, S. 11]
Es gibt zwei Arten der Temperaturmessung: die „berührende“ und die „berührungslose“
Temperaturmessung. Auf beide Arten wird im Rahmen dieser Diplomarbeit zurückgegriffen.
Die berührenden Messverfahren machen sich den Energieaustausch durch Wärmeleitung zu
Nutze, die berührungslosen Messverfahren den durch Konvektion und Strahlung. [3, S. 1]
Aufgrund der Unzugänglichkeit der direkten Messung der inneren kinetischen Energie, beruft
man sich bei der berührenden Temperaturmessung auf die Auswirkung der Wärme auf bestimmte physikalischen Eigenschaften, wie z. B. der Längenausdehnung von Metallen oder
Flüssigkeiten, der elektrische Widerstand oder die Thermospannung. [2, S.11]
Immer mehr von Bedeutung gewinnt dagegen die berührungslose Temperaturmesstechnik,
bei der Strahlungspyrometer bzw. Wärmebildkameras eingesetzt werden.
Die Vor- und Nachteile werden im weiteren Verlauf dieser Arbeit noch herausgearbeitet.
Wie im letzten Abschnitt beschrieben kann die Wärmeübertragung auf drei Arten geschehen:
der Wärmeleitung, der Konvektion oder der Strahlung. Die mit diesen Begriffen verbundenen
Zusammenhänge sind im Hinblick auf die in dieser Arbeit vorliegenden Berechnung der
Temperatur der Abgasströmung mithilfe von Oberflächen-Temperaturen von großer Bedeutung. Ausgehend von einem Temperaturgefälle, versteht man unter Wärmeleitung den molekularen Transport von Wärme, wobei die Konvektion einen Wärmetransportmechanismus in
Flüssigkeiten und Gasen darstellt. Es wird zwischen freier und erzwungener Konvektion unterschieden. Bei der erzwungenen Konvektion liegt eine äußere Einwirkung, wie z. B. das
Vorhandensein eines Ventilators oder einer Pumpe, vor.
Die dritte Wärmeübertragungsart ist die Wärmestrahlung, die auf dem Aussenden von thermischer Energie in Form von elektromagnetischen Wellen beruht. Bei festen Körpern besteht
__________________________________________________________________________________
1

Diplomarbeit
die Wärmeübertragung im Wesentlichen aus der Wärmeleitung, wobei in flüssigen und gasförmigen Stoffen alle drei Übertragungsarten beteiligt sind. Die Wärmeübertragung von einem flüssigen oder einem gasförmigen Stoff zu einem festen Körper bezeichnet man als
Wärmeübergang, der zum größten Teil durch Konvektion und Strahlung verursacht wird.
Wird die Wärme durch einen Körper hindurch, wie z. B. durch eine Wand, übertragen, spricht
man von Wärmedurchgang. [4, S. 17]

__________________________________________________________________________________
2

Diplomarbeit

2 Stand der Technik
In den folgenden Abschnitten werden einige Grundlagen näher erläutert. Es geht dabei um
die eingesetzten Temperaturmesstechnik-Arten und um den Wärmeübergang in Motorabgassystemen.

2.1 Temperaturmesstechnik
Durch die Wirkung eines Körpers nach außen auf einen anderen Körper erfolgt die Messung
der Temperatur durch Umformen in eine andere physikalische Größe. Deshalb wird auch
von einer indirekten Messmethode gesprochen.
Das Messgerät zur Temperaturmessung ist das Thermometer. Es wird, wie in der Einleitung
bereits angesprochen, zwischen zwei Thermometerarten unterschieden: die Strahlungsthermometer (Pyrometer) und die Berührungsthermometer. [5, S. 11, 13]
Im Folgenden werden beide Thermometerarten mit Bezug auf deren Messverfahren näher
erläutert. Bei den Berührungsthermometern stehen das Thermoelement und das Widerstandsthermometer als die am häufigsten eingesetzten Thermometer bei der Temperaturmessung im Vordergrund.

2.1.1 Die Infrarotthermografie als berührungsloses Messverfahren
Infrarot-Thermometer messen die Oberflächen-Temperatur als Infrarotstrahlung von Objekten, die eine Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunktes besitzen. [6]
Die nachfolgende Darstellung der Grundlagen der Infrarotthermografie (IR-Thermografie) ist
mehr praktisch als theoretisch beschrieben. Umfassende Erläuterungen, auch hinsichtlich
komplexer theoretischer Aspekte, stehen in der VDI/VDE-Richtlinie 3511.

Die IR-Thermografie stellt heutzutage keine Neuerfindung dar, denn sie wird seit Jahrzehnten in Industrie und Forschung erfolgreich eingesetzt. In jüngster Zeit wurden Kosten gesenkt, die Zuverlässigkeit erhöht und die Baugröße optimiert. Aus diesen Gründen ist die IRThermografie interessant geworden, nicht nur, dass sie zweidimensionale Temperaturfelder
beinhaltet.
Vorteilhaft ist die bildhafte Ermittlung von Systemschwachstellen. Jedoch bietet die IRThermografie eine ganze Reihe weiterer Vorteile, wie:
 schnelle Messungen im ms-Bereich
 Zeitersparnis
 mehrere Messungen und mehr Informationsgewinn möglich (Temperaturfeldbestimmung)
__________________________________________________________________________________
3

Diplomarbeit
 Durchführung von Messungen an bewegten Objekten
 Messungen an gefährlichen (Teile, die Hochspannung führen) oder schwerer zugänglichen Stellen
 Temperaturen bis 3000 °C messbar (im Vergleich: bei Berührungsthermometern ist die
maximale Messtemperatur ca. 1800 °C)
 Rückwirkungsfreie (kein Energieentzug) Temperaturmessungen
 hohe Messgenauigkeit
 keine Messwertverfälschung
 keine mechanische Einwirkung auf die zu messende Oberfläche
[5], [7, S. 5], [8]
Das IR-Messsystem ist mit dem menschlichen Auge vergleichbar, siehe Abbildung 2:

Abbildung 2: Das IR-Messsystem [7]

Der Detektor stellt die Linse des Auges dar. Durch diesen Detektor, auch Optik oder Fenster
genannt, gelangt die Strahlung durch den Photenenfluss vom Objekt über die Atmosphäre
zur lichtempfindlichen Schicht, der Netzhaut. In dieser Schicht wird der Photonenfluss in ein
elektrisches Signal umgewandelt, welches dann zum Gehirn weitergeleitet wird. [7, S. 6]
Der sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegende Photonenfluss entsteht durch die innere
mechanische Molekülbewegung eines jeden Körpers. Die Stärke dieser Bewegung ist abhängig von der Temperatur des Körpers. [7, S. 7]
Der kennzeichnende Parameter der ausgesandten Wellen ist die Wellenlänge  . [3, S. 187]
In der nachfolgenden Abbildung ist das elektromagnetische Spektrum abgebildet und dazu
vergrößert die interessierenden Spektralbereiche für die IR-Thermografie:

__________________________________________________________________________________
4

Diplomarbeit

Abbildung 3: Das elektromagnetische Strahlungsspektrum [9, S. 12]

Im sichtbaren Bereich nimmt das menschliche Auge die Farben von Violett, Blau über Grün,
Gelb, Orange und Rot wahr. Die unterschiedlichen Wellenlängen des sichtbaren Bereichs
sind in obiger Abbildung mit „VIS“ für „visuell“ abgekürzt. Unterhalb der Wellenlänge von
0,38 µm nimmt das menschliche Auge die Strahlung nicht mehr wahr, es beginnt der ultraviolette Strahlungsbereich (UV). Ab einer Wellenlänge von 0,78 µm beginnt der IRStrahlungsbereich. Dessen Unterteilung ist willkürlich gewählt, jedoch ist die Unterteilung
abhängig von der Anwendung. „NIR“ steht für „nahes Infrarot“, „MIR“ für „mittleres Infrarot“,
„LIR“ für „langwelliges Infrarot“ und „FIR“ für „fernes Infrarot“, welches für die IRThermografie weniger wichtig ist. Die IR-Thermografie findet also im Wellenlängen - Bereich
von 0,78 bis 14 µm ihre Anwendung. [9, S.12 - 13]
Obwohl die IR-Strahlung für das menschliche Auge nicht sichtbar ist, kann man sie sich als
sichtbares Licht vorstellen, um das Funktionsprinzip der IR-Messtechnik besser zu verstehen.
Theoretische Grundlagen bilden folgende Strahlungsgesetze:
 Kirchhoff – Gesetz:
„Wenn sich ein Objekt im thermischen Gleichgewicht befindet, ist die Menge der zugeführten Energie gleich der abgegebenen.“
 Absorptionsgrad = Emissionsgrad bzw. α = ε

__________________________________________________________________________________
5

Diplomarbeit
 Stefan – Boltzmann – Gesetz:
„Je größer die Temperatur eines Objekts ist, umso mehr IR-Strahlung emittiert das Objekt.“
 Wien’sches Verschiebungsgesetz:
„Die Wellenlänge, bei der das Maximum der Energiestrahlung liegt, verschiebt sich mit
zunehmender Temperatur zum kurzwelligen Bereich.“
 Planck’sche Gleichung:
„Diese Gleichung beschreibt den Zusammenhang zwischen Wellenlänge, Temperatur
und Strahlungsenergie.“
[6]
Strahlung, die auf einen Körper trifft, wird von diesem absorbiert, reflektiert (gerichtet und
diffus) und unter entsprechenden Umständen auch durchgelassen bzw. transmittiert. Wird
der jeweilige Teil auf die einfallende Strahlung bezogen, so erhält man den Absorptionsgrad
α (λ,T), den Reflexionsgrad ρ (λ,T) und den Transmissionsgrad τ (λ,T). Die Summe dieser
Größen ist 1: α + ρ + τ = 1.
Abhängig sind diese Größen alle von der Wellenlänge λ, der Temperatur T und dem Einfallswinkel β.
Jedoch kann ein Körper unabhängig vom Einfallswinkel und von der Wellenlänge alle auf ihn
einfallende Strahlung absorbieren, man nennt ihn dann Schwarzer Körper mit ρ = 0, τ = 0
und α = 1. Wendet man nun auf diesen Schwarzen Körper das Kirchhoff-Gesetz an, so gibt
er bei einer gegebenen Temperatur die größtmögliche Strahlung ab (α = ε = 1). Aus diesem
Grund heißt er auch idealer Schwarzer Strahler.
In der Praxis ist jedoch ein idealer Schwarzer Strahler mit ε = 1 nicht zu verwirklichen. Der
Emissionsgrad eines realen Strahlers liegt zwischen 0 und 1 (0 bis 100 %). [10, S. 7-8]
Da der Emissionsgrad eine Materialeigenschaft ist, mit der die Effizienz ausgedrückt wird,
mit der ein Objekt Wärme abstrahlt oder aussendet, muss er, um die Messgenauigkeit eines
IR-Thermometers zu erhöhen, korrigiert werden.
Glänzende Metalle besitzen einen geringeren Emissionsgrad, Nichtmetalle oder lackierte
bzw. stark oxidierte Metalle einen höheren Emissionsgrad.

Des Weiteren muss auch das Reflexionsvermögen berücksichtigt werden. Objekte mit niedrigem Emissionsgrad haben auch ein hohes Reflexionsvermögen. Es ist deshalb zu beachten, dass die von einem IR-Thermometer wahrgenommene reflektierte Energie nicht die tatsächliche Temperatur des Objekts ist. Um dieses Problem einzugrenzen, kann bei einem
modernen IR-Thermometer die Umgebungstemperatur eingestellt werden.
__________________________________________________________________________________
6

Diplomarbeit
Die heutzutage eingesetzten IR-Thermometer heißen auch Wärmebildkameras, die den
Spektralbereich von 7,5 bis 14 µm (langwelliges IR) nutzen. Das Verfahren, mit einer Wärmebildkamera Temperaturen zu messen heißt Thermografie. Nachfolgende Abbildung zeigt
eine solche Kamera von FLUKE:

Abbildung 4: FLUKE Wärmebildkamera [12]

Für praktische IR-Messungen sind folgende Hinweise zu beachten:
 Messungen an glänzenden Oberflächen sollten möglichst vermieden werden. Die Ergebnisse sind häufig ungenau und unzuverlässig.
 Es sollte die Temperatur von Oberflächen mit einem hohen Emissionsgrad, wie z. B.
nicht-glänzende Metalle mit rauer Oberfläche, gemessen werden.
 Emissionsgradtabellen sollten nur als Anhaltspunkt dienen. Der Emissionsgrad einer
Oberfläche sollte praktisch bestimmt werden.
 Bei einer IR-Temperaturmessung sollte die korrekte Umgebungstemperatur eingestellt
werden.
Die meisten Bilder, die mit einer Wärmebildkamera aufgenommen werden, sind qualitativ.
Diese Bilder weisen die Temperaturunterschiede auf, im Gegensatz zu quantitativen Bildern,
die die genauen Temperaturen darstellen.
Jedem Temperaturwert, der an einer bestimmten Stelle gemessen wird, wird eine bestimmte
Farbe zugewiesen.
Warme Bereiche werden zumeist in Gelb- und Rottönen, kältere Bereiche in Blautönen dargestellt. Wird ein Bild aufgenommen, werden alle Daten in der Wärmebildkamera gespeichert. Diese können somit später mit Hilfe eines Computers und spezieller Software analysiert werden.
__________________________________________________________________________________
7

Diplomarbeit
Die wichtigste Eigenschaft bei einem IR-Bild ist der Fokus, unter dem man die Schärfe eines
Bildes versteht. Der Fokus kann nach der Abspeicherung des Wärmebildes nicht mehr geändert werden. Die Schärfe eines Bildes sollte demnach vor der Speicherung gut eingestellt
werden.
Für die praktische Messung ist das Verhältnis zwischen der Entfernung zum Messobjekt und
der Messfleckgröße von großer Bedeutung.
Die Entfernung, aus der die Wärmebildkamera noch ein Objekt sehen kann, ist größer als die
Entfernung, bis zu der noch eine Temperaturmessung möglich ist. Man bedient sich aus diesem Grund einer Spezifikation, die die Messauflösung beschreibt, der geometrischen Auflösung, kurz IFOV. Die geometrische Auflösung stellt eine Kombination von Objektiv und Sensor dar und steht in Beziehung zur Entfernung zum Messobjekt. Sie gibt an, aus welcher
Entfernung ein Objekt sichtbar ist, wohingegen die Messfleckgröße angibt, aus welcher Entfernung vom selben Objekt noch eine Temperaturmessung möglich ist. Diese Entfernung ist
geringer. Das heißt, dass aus dem Verhältnis zwischen der Entfernung zum Messobjekt und
der Messfleckgröße (E:M) entsprechende Aufnahmeentfernungen für genaue Messungen
gefolgert werden können.
[11]
Wie bereits angedeutet, sollte der Emissionsgrad praktisch bestimmt werden:
Dazu wird die Oberfläche einer Materialprobe, ca. 30mm x 30 mm x 1mm (B x L X H), oder
eine Stelle der später zu messenden Oberfläche, mit einem schwarzen Mattlack (oder einer
Beschichtung) mit bekanntem Emissionsgrad versehen. Der Emissionsgrad bei einem
schwarzen, matten Lack liegt bei ca. 0,95. Die Materialprobe wird auf eine 10 mm dicke
Aluminiumplatte mit einer Wärmeleitpaste aufgebracht. Die Aluminiumplatte wiederrum wird
auf eine Temperatur erwärmt, die in der Nähe der späteren Temperatur unter Messbedingungen liegt. Man stellt den bekannten Emissionsgrad an der Wärmebildkamera ein und
notiert daraufhin die gemessene Temperatur an der Stelle des aufgebrachten schwarzen
Mattlackes. Dann wird die Kamera auf eine Stelle mit unbekanntem Emissionsgrad ausgerichtet und der Emissionsgrad solange nachgestellt, bis die Temperaturanzeige mit der vorher notierten übereinstimmt. Der unbekannte Emissionsgrad kann somit abgelesen werden.
Dieses Verfahren ist jedoch nur bei IR-Thermometern möglich, die über einen Emissionsgradsteller verfügen. Ist dieser nicht vorhanden, so ist eine andere Methode anzuwenden,
z. B. wie sie in der VDI/VDE-Richtlinie 3511 als Methode 2 dargestellt wird. [13, S. 46-48]
Abwandlungen von der dargestellten Methode ergeben sich durch die Anwendung eines
Kontaktthermometers, wie z. B. eines Thermoelementes, oder bei relativ geringen Temperaturen durch die Anwendung von speziellen Kunststoffaufklebern mit bekanntem Emissions-

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Diplomarbeit
grad anstelle des schwarzen Mattlackes. Des Weiteren kann zur Ermittlung des Emissionsgrades auch ein Hohlraumstrahler verwendet werden. [7, S. 10-11]
Es haben sich verschiedene Bauformen von IR-Thermometer auf dem Markt etabliert. Das
bei dieser Arbeit eingesetzte IR-Thermometer ist ein Bandstrahlpyrometer.
 Gesamtstrahlungspyrometer:
Bei diesem IR-Thermometer ist die spektrale Empfindlichkeit im Spektrum der Temperaturstrahlung fast wellenlängenunabhängig. Das Signal des Strahlungsempfängers
folgt näherungsweise dem Stefan-Boltzmann’schen Strahlungsgesetz, vorausgesetzt,
dass das Messobjekt ein Schwarzer Strahler ist.
 Spektralpyrometer:
Dieses IR-Thermometer ist nur in einem engen Spektralbereich empfindlich. Das Signal des Strahlungsempfängers folgt dem Planck’schen Strahlungsgesetz, sofern das
Messobjekt ein Schwarzer Strahler ist.
 Bandstrahlpyrometer:
Bandstrahlpyrometer sind in einem breiten Spektralbereich empfindlich. Das Signal
folgt

aber

weder

dem

Stefan-Boltzmann’schen

Strahlungsgesetz,

noch

dem

Planck’schen Strahlungsgesetz.
 Strahldichtepyrometer:
Die Temperatur wird aus der Strahldichte unmittelbar oder durch Vergleich mit einem
Vergleichsstrahler bestimmt.
 Verteilungspyrometer:
Bei diesem Pyrometer wird die Temperatur angeglichen. Angeglichen wird der Farbeindruck einer aus zwei Spektralbereichen der Temperaturstrahlung des Messobjektes
zusammengesetzten Mischfarbe an die Mischfarbe eines Vergleichsstrahlers bekannter Strahldichteverteilung.
 Verhältnispyrometer:
Die Temperatur wird aus dem Verhältnis der Strahldichten in mindestens zwei verschiedenen Bereichen des Spektrums der Temperaturstrahlung des Messobjekts bestimmt.
[2, S. 9]
Der Detektor, auch Strahlungsempfänger genannt, gehört zu den wichtigsten Bauteilen eines
IR-Thermometers. Er wandelt die zugeführte Temperaturstrahlung in ein elektrisches Signal
um. Man unterscheidet zwischen fotoelektrischen Detektoren (Quantendetektoren) und
thermischen Detektoren:

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Diplomarbeit
 fotoelektrische Detektoren:
Bei diesen Strahlungsempfängern kommt es zur Wechselwirkung von Photonen und
Ladungsträgern. Unter bestimmten Umständen werden zusätzliche Ladungsträger erzeugt und es entsteht ein Fotostrom.
 thermische Detektoren:
Die einfallende Strahlung verursacht eine Temperaturänderung, wobei die Empfängerfläche wiederrum eine temperaturabhängige physikalische Größe ändert. Diese Änderung ist ein Maß für die einfallende Strahlungsleistung.
[10, S. 58]

2.1.2 Das Thermoelement
Das Thermoelement ist ein „aktives“ Berührungsthermometer und muss an der Messstelle
appliziert werden. Ein aktiver Sensor stellt das Signal unter Energieentzug aus dem Prozess
aktiv her. [14]
Folgender physikalischer Hintergrund gilt:
Werden zwei metallische Leiter aus verschiedenartigem Werkstoff A und B miteinander verbunden und liegt entlang dieser Leiter ein Temperaturunterschied vor, so fließt ein geringer
Strom. Die Spannung hängt von den beiden Materialien ab und sie ist der Temperaturdifferenz proportional. Dieser Effekt heißt Thermoelektrischer Effekt oder auch Seebeck-Effekt,
entsprechend nach dem Entdecker benannt.
[2, S. 17], [14]
Abbildung 5 zeigt einen Thermoelement-Messkreis:

Abbildung 5: Thermoelement-Messschaltung [14]

Da die von einem Thermoelement abgegebene Spannung zur Temperatur jedoch nicht linear
ist, muss sie von der nachfolgenden Elektronik linearisiert werden. [2, S. 28]
Abbildung 6 zeigt die Kennlinien von Thermoelementen:

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Abbildung 6: Kennlinien von Thermoelementen [2, S. 28]

Wird die entstehende Spannung z. B. mit einem Digitalmultimeter (DMM) abgegriffen und
umgewandelt, so entsteht, aufgrund dem Zusammentreffen der Cu-Leitungen mit denen des
Thermoelements und der wo möglichen Temperaturdifferenz an beiden Enden, ein zweites
unerwünschtes Thermoelement. Dieses unerwünschte Thermoelement beeinflusst die
Spannungsmessung des ursprünglichen Thermoelements, mit dem die Temperaturmessung
erfolgen soll. Ist jedoch die Temperatur an der unerwünschten Stelle bekannt, man spricht
von einer Vergleichsstelle, so kann eine korrekte Temperaturmessung durchgeführt werden.
Demnach wird die Temperaturdifferenz der Messstelle zur konstanten Vergleichsstellentemperatur gemessen. Viele Messdatenerfassungssysteme mit internem DMM besitzen eine
ebenso intern befindliche Vergleichsstelle, so dass die Vergleichsstelle nicht neu gebildet
werden muss.
Muss die Vergleichsstelle aber zuerst noch gebildet werden, so kann die Bildung auf mehrere Arten erfolgen:
 Gefäß mit Eiswasser und einer konstanten Temperatur von 0°C.
 thermostatisch geregelte Vergleichsstelle mit einer Temperatur von 50 °C ± 0,1 ° C
 Vergleichsstelle, ausgeführt als massiver Kupferblock (isothermischer Block). Die
Temperatur in der Nähe der Raumtemperatur wird durch andere Temperatursensoren
sehr genau bestimmt.
 Einsatz einer Kompensationsdose (Weathstone’sche Brückenschaltung).
Bei der Verdrahtung von Thermoelementen kann auf das Gesetz über Zwischenmetalle zurückgegriffen werden. Dieses besagt, dass ein drittes zwischen zwei verschiedenen Metallen
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eingefügtes Metall die Ausgangsspannung nicht beeinflusst, wenn die gebildeten Verbindungen auf gleicher Temperatur gehalten werden. [14], [15, S. 373-376]
Folgende Normung gilt weltweit, europäisch und national:
DIN IEC 584-1, DIN EN 60584-1:
Eisen-Konstantan (Fe-CuNi)

Kennbuchstabe „J“ (max. 750 °C)

Kupfer-Konstantan (Cu-CuNi)

Kennbuchstabe „T“ (max. 350 °C)

Nickelchrom -Nickel (NiCr-Ni)

Kennbuchstabe „K“ (max. 1200 °C)

Nickelchrom-Konstantan (NiCr-CuNi)

Kennbuchstabe „E“ (max. 900 °C)

Nicrosil-Nisil (NiCrSi-NiSi)

Kennbuchstabe „N“ (max. 1200 °C)

PlatinRhodium-Platin (Pt10Rh-Pt)

Kennbuchstabe „S“ (max. 1600 °C)

PlatinRhodium-Platin (Pt13Rh-Pt)

Kennbuchstabe „R“ (max. 1600 °C)

PlatinRhodium-Platin (Pt30Rh-Pt6Rh)

Kennbuchstabe „B“ (max. 1700 °C)

DIN 43710 (nicht mehr gültig):
Eisen-Konstantan (Fe-CuNi)

Kennbuchstabe „L“

Kupfer-Konstantan (Cu-CuNi)

Kennbuchstabe „U“

Unter der maximal angegebenen Temperatur ist derjenige Wert gemeint, bis zu dem eine
Grenzabweichung festgelegt ist. Die Maximaltemperatur ist von der Oxidierbarkeit und der
Alterung der Materialien bei höheren Temperaturen abhängig. Die zugehörigen Grenzabweichungs-Tabellen befinden sich im Anhang. Ab einer Temperatur von ca. 800 °C können die
„edlen“ Elemente eingesetzt werden, deren Maximaltemperatur bis 1800 °C reicht.
Zur Unterscheidung von Thermopaaren und Ausgleichsleitungen wurden entsprechende
Farbcodes eingeführt. Diese sind in Form einer Tabelle ebenfalls im Anhang aufgelistet.
[2, S. 24, 28]
Oftmals werden Thermoelemente in gasdichte Schutzrohre eingebaut, wodurch die Beständigkeit gegenüber oxidierenden und reduzierenden Atmosphären eher unbedeutend ist. Ungeschützte Thermoelemente dagegen können nur oberhalb 1000 °C angewendet werden.
Diese dürfen nur noch aus Platin bestehen. Beim Einsatz dieser ungeschützten Elemente
sind mehrere Einflüsse zu beachten, die zur vorzeitigen Alterung führen können.
Besonders Silizium kann in die Thermodrähte ein diffundieren und sie vergiften. Es sollte
daher immer Thermoelemente mit gasdichtem Schutzrohr ihren Einsatz finden.
Hinsichtlich der Temperaturbeständigkeit kommt der Alterung der Materialien große Bedeutung zu. Es können sehr leicht Fremdatome in das Thermoelement gelangen, wenn die Diffusionsgeschwindigkeit der Atome im Metall durch Annäherung an den Schmelzpunkt zu__________________________________________________________________________________
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Diplomarbeit
nimmt. Die Fremdatome können aus dem Schutzrohrmantel stammen. Die Thermoschenkel
ähneln sich dadurch hinsichtlich der thermoelektrischen Eigenschaften immer mehr und die
Thermospannung nimmt ab. Deshalb sollten bei Temperaturen oberhalb 800 °C nur PlatinThermoelemente eingesetzt werden, vorausgesetzt, dass eine Langzeitstabilität von wenigen
Kelvin gefordert wird.
Das Alterungsverhalten im Hochtemperaturbereich ist bei der Auswahl der Elemente von
großer Bedeutung. So zeigten z. B. Thermoelemente vom Typ „K“ bei deren Einsatz in
Härtereiöfen bei ca. 950 °C nach zwei Jahren einen Drift von -25 K auf, obwohl die Elemente
in hitzebeständige Metallrohre eingebettet waren. Aus diesem Grund ist eine regelmäßige
Überprüfung sehr wichtig. [2, S. 28-29]
Die wichtigsten Merkmale bei der Auswahl sind in folgender Tabelle aufgelistet:
Tabelle 1: Merkmale von Thermoelementen [2, S. 31]

Cu-CuNi

geringe Verbreitung

Fe-CuNi

stark verbreitet, preiswert, korrosionsgefährdet

NiCr-CuNi

geringe Verbreitung, hohe Thermospannung

NiCr-Ni

im Bereich von 800 – 1000 °C oft eingesetzt, auch für den unteren Temperaturbereich geeignet

NiCrSi-NiSi

(noch) wenig verbreitet, kann u. U. edle Metalle ersetzen

Pt10Rh-Pt

hohe Kosten, sehr gute Langzeitkonstanz, eng toleriert

Pt30Rh-Pt6Rh hohe Kosten, geringste Thermospannung, hohe Maximaltemperatur

Die elektrischen und mechanischen Eigenschaften von Ausgleichsleitungen stehen in den
Normen IEC 584-3. Ausgleichsleitungen sollten bei größerer Leitungslänge eingesetzt werden und dann auch möglichst abgeschirmt und einseitig geerdet werden. Sie bestehen entweder aus dem gleichen Material wie das Thermoelement selbst, man spricht dann von einer
Thermoleitung, oder aus Sonderwerkstoffen mit gleichen thermoelektrischen Eigenschaften
in eingeschränkten Temperaturbereichen.

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Ausgleichsleitungen unterscheiden sich durch den Farbcode und den Kennbuchstaben:
1. Buchstabe:

Kennbuchstabe für die Elementart nach Norm

2. Buchstabe:

X: gleicher Werkstoff wie das Element
C: Sonderwerkstoff

3. Buchstabe:

Für die Unterscheidung bei mehreren Ausgleichsleitungstypen
[2, S. 34, 36]

Die Drähte von unedlen Thermoelementen haben einen Durchmesser von 1 – 3 mm, edle
einen Durchmesser von 0,35 – 0,5 mm. Vorteil der dickeren Drähte ist die längere Lebensdauer. Die Thermodrähte sind an einem Ende entweder verschweißt oder verlötet.
Mantelthermoelemente sind eine spezielle Bauform unter den Thermoelementen. Das Mantelrohr wird am gleichen Ende, dort wo auch die Thermodrähte zusammengefügt sind, laserverschweißt. Am anderen Ende werden die Thermodrähte freigelegt oder mit einem Stecker
bzw. einer Anschlussleitung versehen. Mehrere Vorteile bieten die Mantelthermoelemente,
wie z. B.:
 dünne, biegsame Ausführungsformen
 hohe Erschütterungsfestigkeit
 sehr kurze Ansprechzeiten wegen den kleinen Abmessungen
Aufgrund des geringen Abstandes zwischen den Thermodrähten und dem Sondenrohr, kann
es vorkommen, dass bei höheren Temperaturen der Isolationswiderstand schnell abnimmt.
Die maximale Einsatztemperatur ist vom Durchmesser des Mantelthermoelements abhängig.
Zwischen dem Mantel und den Thermodrähten besteht eine starre Kopplung. Deshalb sind
Mantelthermoelemente einer erhöhten mechanischen Belastung ausgesetzt, was zu einer
erhöhten Drift führt.
Eingebaut und fixiert werden die Mantelthermoelemente z. B. durch Klemmverschraubungen. Dadurch kann das Sondenrohr frei montiert werden. [2, S. 39 – 41]

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Diplomarbeit

2.1.3 Das Widerstandsthermometer
Das Widerstandsthermometer zählt, wie das Thermoelement, zu den Berührungsthermometern. Es ist aber ein „passiver“ Sensor, der eine zugeführte Hilfsenergie entsprechend der
Messgröße umwandelt. [14]
Der physikalische Hintergrund eines Widerstandsthermometers lässt sich folgendermaßen
beschreiben:
Ursache der elektrischen Leitfähigkeit eines Metalls ist das Elektronengas. Unter dem Elektronengas wird die Beweglichkeit der Leitungselektronen verstanden. Sofern sich eine Spannung an den Enden eines Metalls befindet, bewegen sich die Elektronen zum Pluspol. Durch
Fehler in der Kristallstruktur des Metalls wird diese Bewegung gestört. Diese Fehlstellen sind
temperaturunabhängig und ergeben somit einen konstanten Widerstand. Steigt die Temperatur, schwingen die Atome des Metallgitters stärker um ihre Ruhelage, wodurch die Bewegung der Leitungselektronen behindert wird. Diese Bewegung nimmt linear mit der Temperatur zu. Die dadurch entstehende Widerstandszunahme hängt näherungsweise direkt von der
Temperatur ab. Man spricht dann von einem PTC-Widerstand mit positivem Temperaturbeiwert oder –koeffizienten. Ideal dabei ist eine möglichst große Änderung des Widerstands mit
der Temperatur. [2, S. 43]
Besteht das Widerstandsmaterial aus Platin und beträgt der Widerstandswert bei 0 °C 100 Ω,
so spricht man von einem Pt 100-Widerstand. Zu den Vorteilen von Platin, das sich in der
industriellen Messtechnik heutzutage durchgesetzt hat, zählen: die hohe chemische Beständigkeit, die leichte Bearbeitbarkeit, die gute Reproduzierbarkeit der elektrischen Eigenschaften und die universelle Austauschbarkeit.
Des Weiteren sind auf dem Markt auch Pt-Widerstände von 500 Ω und 1000 Ω erhältlich.
Deren Vorteil liegt in einer stärkeren Änderung des Widerstandes mit der Temperatur (Pt
100: ca. 0,4 Ω/K; Pt 500: ca. 2,0 Ω/K; Pt 1000: ca. 4,0 Ω/K).
Eine weitere Kenngröße ist der α-Wert, ein gemittelter Temperaturkoeffizient zwischen 0 und
100 °C. Dieser stellt die gemittelte Widerstandsänderung bezogen auf den Nennwert bei 0
°C dar. Für spektralreines Platin gilt ein α-Wert von 3,925 * 10-3 °C-1. Der PlatinMesswiderstand weicht von diesem Wert geringfügig ab, der α-Wert beträgt dann 0,0038 °C1

. Der anwendbare Temperaturbereich reicht von -200 bis 850 °C. [2, S. 44-45]

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Diplomarbeit
In der nächsten Abbildung ist die Kennlinie eines Pt 100-Widerstandes dargestellt:

Abbildung 7: Kennlinie des Pt 100-Temperatursensors [2, S. 44]

Ein Grenzabweichungsdiagramm befindet sich im Anhang. Man unterscheidet zwischen zwei
Toleranzklassen:
 Klasse A:

Δt = (0,15 + 0,002 * t)

 Klasse B:

Δt = (0,30 + 0,005 * t), t = Temperatur in °C (ohne Vorzeichen)

Klasse A ist vorgesehen für Temperaturen von -200 bis 650 °C und nur für Thermometer mit
3- und 4-Leiteranschluss. Klasse B ist im gesamten Definitionsbereich von -200 bis 850 °C
gültig. Des Weiteren sind zusätzlich zwei weitere Toleranzklassen hinsichtlich erhöhter Ansprüche an die Messgenauigkeit eingeführt worden. Es handelt sich um die Klassen „1/3
Klasse B“ (-70…+250 °C) und um „Klasse 0,5“ (-200…+850 °C). Deren Toleranzen sind in
[2, S.48] nachzulesen. [2, S. 47-48]
Weitaus weniger wird Nickel als Widerstandsmaterial eingesetzt. Im Vergleich zu Platin sind
die Kosten für Nickel niedriger. Der Temperaturkoeffizient ist fast doppelt so hoch, er beträgt
6,18 * 10-3 °C-1. Anwendung findet der Nickelwiderstand in einem Temperaturbereich von nur
60 bis 250 °C. Aufgrund der Tatsache, dass der Nickelwiderstand nicht weit verbreitet ist,
wird auf diesen nicht weiter eingegangen. Weitere Informationen können in [2, S. 49] nachgelesen werden. [2, S. 49]

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Diplomarbeit
Bei einem Widerstandsthermometer ändert sich, in Abhängigkeit von der Temperatur, der
elektrische Widerstand. Das Ausgangssignal wird durch den Spannungsabfall, der durch den
konstanten Messstrom hervorgerufen wird, gemessen. Es gilt nach dem Ohmschen Gesetz
U = R * I. Der Messstrom sollte möglichst gering gehalten werden, um eine Erwärmung des
Sensors zu vermeiden. Ein Messstrom von z. B. 1 mA bewirkt bei 0 °C einen Spannungsabfall von 0,1 V. Diese Spannung sollte möglichst unverfälscht an den Ort der Anzeige geleitet
werden. Es wird dabei zwischen verschiedenen Anschlusstechniken differenziert:
1) Zweileiter-Technik:
Bei dieser Art von Schaltung wird die Verbindung zur Auswerteelektronik mit einer
zweiadrigen Leitung hergestellt. Der Leitungswiderstand ist dem Widerstandsthermometer in Reihe geschaltet. Durch die Addition beider Widerstände wird eine höhere
Temperatur angezeigt. Somit wird der Messwert verfälscht.
Der Leitungswiderstand kann elektrisch kompensiert werden, was zu einem erheblichen Aufwand führt. Aus diesem Grund ist die Zweileiter – Technik stark rückläufig.
2) Dreileiter-Technik:
Diese Art der Schaltung ist schon etwas mehr verbreitet. Dabei wird eine zusätzliche
Leitung an einem Kontakt des Widerstandsthermometers angeschlossen. Es entstehen
zwei Messkreise, einer von diesen wird als Referenz benutzt. Somit ist der Leitungswiderstand sowohl betragsmäßig als auch in seiner Temperaturabhängigkeit kompensiert, vorausgesetzt, dass alle drei Adern gleiche Eigenschaften und gleiche Temperaturen besitzen.
3) Vierleiter-Technik:
Die Vierleiter-Schaltung ist die optimalste Anschlussmöglichkeit. Es findet keinerlei
Verfälschung, weder durch die Leitungswiderstände, noch von deren temperaturabhängigen Schwankungen, statt.
Zwei Drähte führen den Speisestrom. Die zwei anderen führen die am Sensor abfallende Spannung zurück zur Anzeigeelektronik.
Abbildung 8 zeigt das Anschlussschema:

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Diplomarbeit

lang
kurz

Konstantstrom +
Messspannung +

Pt 100

Messspannung kurz
lang

Konstantstrom -

Abbildung 8: Pt 100 – Vierleiterschaltung

[2, S. 50 - 51]
Je nach Einsatzgebiet werden verschiedene Bauformen eingesetzt. Neben den drahtgewickelten Sensoren, haben sich auf dem Markt auch die Dünnschicht-Widerstände durchgesetzt. Bei letzteren ist die Platinschicht auf ein Keramiksubstrat aufgebracht, während bei
den drahtgewickelten Widerständen der Drahtwendel in Glas eingeschmolzen oder in Pulver
eingebettet ist. Die Einsatztemperaturen liegen bei den Dünnschicht-Widerständen zwischen
-50 und 600 °C, wobei es noch Hochtemperaturvarianten gibt, die bis zu 850 °C eingesetzt
werden können.
Vorteile bei den Dünnschicht-Widerständen ergeben sich durch die kurze Ansprechzeit, die
geringe thermische Masse und die günstigen Eigenschaften hinsichtlich Austauschbarkeit,
Langzeitstabilität, Reproduzierbarkeit und großer Temperaturbereich mit Vorteilen der Großserienfertigung. [2, S. 53 – 56]

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18

Diplomarbeit

2.1.4 Thermoelement und Widerstandsthermometer im Vergleich
Nachfolgende Tabelle gibt Aufschluss über die Vor- und Nachteile von Thermoelementen
und Widerstandsthermometern:
Tabelle 2: Thermoelement und Widerstandsthermometer im Vergleich

Thermoelement
Vorteile

Nachteile








einfach
preiswert
großer Messbereich
für extrem hohe Temperaturen geeignet
mittlere Genauigkeit
sehr klein (geringe eigene Wärmekapazität)

 evtl. Vergleichsmessstelle bekannter
Temperatur erforderlich
 geringe Ausgangsspannung
 nichtlinear
 Störung durch elektrische und magnetische Felder u.a.m.

Widerstandsthermometer
 sehr hohe Genauigkeit
(weit höher als bei Thermoelementen)
 geeignet für Präzisionsmessungen
 hohe Zuverlässigkeit
 klein
 robust
 preiswert (Einsatz in Massenprodukten)
 große Trägheit
 nichtlinear
 begrenzter Temperaturbereich
 größere Zeitkonstant als bei
Thermoelementen

[14], [16, S. 162], [17, S. 136]

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Diplomarbeit

2.2 Wärmeübergang in Motorabgassystemen
Dieser Abschnitt greift die in [18] stehenden Ansatzpunkte zur Berechnung des Wärmeübergangs in Motorabgassystemen auf.
Die Wärmeübertragungsbedingungen in Motorabgassystemen werden erst seit kurzem umfassend untersucht, denn sie spielen eine wichtige Rolle in den Konstruktions- und Optimierungsverfahren der Verbrennungskraftmaschine. Die komplexe Geometrie der Abgassysteme und die speziellen Strömungszustände erschweren die exakte Bestimmung.
In [18] wurde die Wärmeübertragung von Motor - Abgassystemen gemessen und ein Rechenmodell aufgestellt. Die Ergebnisse dieser und weiterer Studien können herangezogen
werden, um die Unterboden-Wärmeübertragung, den Kaltstart und die Warmlaufphase des
Katalysators, das thermische Altern von Dreiwegekatalysatoren und das Regenerationsverhalten von Dieselfiltern eingehend zu untersuchen.
Zudem steigt wegen den unterschiedlichen Abgasanlagenkonfigurationen zunehmend das
Interesse, die Wärmeübertragung in Abgasanlagen zu berechnen, wodurch die resultierenden Wärmeübertragungsgleichungen in Gesamtsystemberechnungsmodelle eingefügt werden. Diese Modelle führen u. a. zur Verkürzung von Produktkonzeptionsphasen und tragen
auch zur Optimierung des Drehmomentverlaufs von abgasturboaufgeladenen Dieselmotoren
entscheidend bei.
Mit der Verringerung des Wärmeverlustes bei aufgeladenen Motoren, verbessert sich auch
die Beschleunigung. Die Größe des Wärmeverlustes hängt hauptsächlich von der Temperatur des Abgasrohres ab.
In [18] werden zunächst die mit einbezogenen Zusammenhänge und Parameter dargestellt,
die für die Bestimmung der Differentialgleichungen entscheidend sind, denn die Differentialgleichungen beschreiben das Verhalten der verschiedenen Abgassystemvarianten mathematisch. Berücksichtigt werden dabei die Rohrinnenwärmeübertragung und die Konvektion
und Strahlung zur Umgebung.
In einem weiteren Kapital wird auf die Experimentelle Abschätzung der Wärmeübergangskoeffizienten eingegangen, bevor daraufhin Messung und Berechnung miteinander verglichen
werden können.
Nach [18] zeigte eine Literaturbetrachtung im Wissen um den Wärmeübergang in Abgassystemen Lücken.
[18]

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Diplomarbeit

3 Ziel der vorliegenden Arbeit
Die vorliegende Arbeit soll die Zusammenhänge zwischen berührender und berührungsloser
Temperaturmessung an der Abgasanlage eines Opel-Prüfmotors verdeutlichen.
Zur Verifizierung der Temperaturen, die mit einer Wärmebilkamera gemessen werden, wird
das Messdatenerfassungssystem Agilent 34972A mit der Entwicklungsumgebung Agilent
VEE programmiert, um auch die Temperaturen mithilfe der elektrischen, berührenden Messtechnik aufzunehmen.
Die ermittelten Messergebnisse werden untereinander verglichen, ausgewertet und einer
Berechnung der Wärmeübertragung durch die Abgasrohrkrümmer-Wand gegenübergestellt
und beurteilt.
Des Weiteren wird gezeigt, wie aus der Oberflächentemperatur auf die Abgastemperatur
geschlossen werden und wie daraus eine Energiebilanzrechnung für den Motor durchgeführt
werden kann.

In Kapitel 4 dieser Arbeit wird der Prüfstand beschrieben, an dem die Temperaturmessungen durchgeführt werden. Dabei wird auch auf die an diesem Prüfstand durchgeführten Arbeiten der studentischen Vorgänger näher eingegangen.
Kapitel 5 beschreibt die Vorbereitung und Planung zur Durchführung der Messungen. Neben der Darstellung der auserwählten Produkte, wird die Programmierung des Messdatenerfassungssystems vorgestellt.
Es folgen anschließend in Kapitel 6 einige Anmerkungen zum Messaufbau, während in Kapitel 7 kurz erläutert wird, wie die Temperaturmessungen durchgeführt werden.
Die Messergebnisse und daraus abgeleitete Folgerungen werden in Kapitel 8 vorgestellt. In
diesem Kapitel wird u. a. auch eine Fehlerrechnung durchgeführt und es werden Modelle
aufgestellt. Es handelt sich dabei um ein Wärmeübergangsmodell, angewendet auf den Abgas-Rohrkrümmer, und eine Energiebilanzrechnung für den Motor.
Kapitel 9 beinhaltet Anmerkungen zu Fehlereinflüssen bei der Temperaturmessung.
Am Schluss folgt in Kapitel 10 ein Ausblick im Hinblick auf mögliche nachfolgende Projekte.

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21

Diplomarbeit

4 Der Prüfstand
Motorenprüfstände werden benötigt, wenn Motoren, wie z. B. Verbrennungskraftmaschinen,
unabhängig von ihrem eigentlichen Einsatzumfeld hinsichtlich der Motorfunktion oder der
Motorhaltbarkeit untersucht werden müssen. Häufig wird erst dann von einem Prüfstand gesprochen, wenn die Messwerterfassung auf ein breiteres Feld, wie z. B. Kraftstoffverbrauch,
Abgas, Geräusch, Schwingung oder Temperaturverhalten angewendet wird. Werden hingegen die Parameter Drehzahl und Drehmoment zur Leistungsberechnung extrahiert, wird von
einer Leistungsprüfanlage gesprochen.
Hauptziele bei der Verwendung eines Prüfstandes sind das Anfahren bestimmter Betriebspunkte und die Weiterverarbeitung der resultierenden Mess-Parameter, um dadurch zu einer
Optimierung der Kennfelder der Motorsteuerung zu gelangen. [19], [20]
Im Kolbenmaschinenlabor der Fachhochschule Kaiserslautern steht u.a. ein Motorprüfstand
der Fa. Schenck mit der Typbezeichnung „W 130“. Darauf ist der Opel-Motor „X14XE“ montiert. Dieser Motor wurde u. a. im „Corsa B“ oder „Tigra“ eingesetzt.
Abbildung 9 zeigt den Prüfstand:

Abbildung 9: Motorprüfstand an der FH KL

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Diplomarbeit
Nachfolgend sind die Technischen Daten des Motors aufgelistet:
Typ:

X14XE

Bauform:

Reihenvierzylinder

Ventilsteuerung:

DOHC

Ventilanzahl:

16

Bohrung:

77,6 mm

Hub:

73,4 mm

Hubraum:

1389 cm3

Verdichtung:

10,5 : 1

Nennleistung:

66 kW (bei 6000 min-1)

Nennmoment:

125 Nm (bei 4000 min-1)

Motormanagement:

trijekt

Abgasmessung:

Breitband-Lambdasonde Bosch

Abgasanalyse:

Controller LC-1 Innovate Motorsport

Zündanlage:

Doppelzündspule Bosch

Antrieb:

Zahnriemen

Abgasanlage:

Katalysator
[21], [22]

An diesem Motorprüfstand werden die Temperaturmessungen an der Abgasanlage und dem
Kurbelgehäuse vorgenommen.
Es besteht die Möglichkeit, den Prüfstand mit der originalen Prüfstandssteuerung der Firma
Schenck zu steuern oder aber auch mit den Agilent-VEE Programmen, die von diversen
„studentischen Vorgängern“ entwickelt wurden.
In [20] wurde ein freiprogrammierbares Steuergerät der Fa. „trijekt“ installiert, um das Zünd-,
als auch das Einspritzkennfeld des Steuergerätes zu verändern. Das „trijekt“ Steuergerät
stellt das „Herzstück“ des Motors dar, denn hier werden alle Messkanäle erfasst und ausgewertet. Des Weiteren werden die Einspritzmenge und der Zündzeitpunkt als Stellgrößen geregelt.
Extrahierbare Kenngrößen sind:
 Kühlwasser-Temperatur
 Öl-Temperatur
 Lambda-Wert
 Luftverbrauch
 Kraftstoff-Verbrauch
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23

Diplomarbeit
 Drehzahl
 effektives Drehmoment
 effektive Leistung
Darüber hinaus wurde der überholte Datenlogger, der während einer Diplomarbeit im Jahr
1999 installiert wurde, durch das moderne Messdatenerfassungssystem „U2351A“ von der
Firma Agilent ersetzt. Vorteile gegenüber dem alten System ergeben sich aus der Transparenz der Funktionsweise, dem Aufbau und dem breiten Anwendungsspektrum. Dieses neue
System ist kompatibel mit den grafischen Programmierumgebungen wie Agilent VEE oder
LabVIEW. [20]
In [21] wurden in einer weiteren Studienarbeit eine Messzündkerze zur Hochdruckindizierung
und eine Triggerzange zur Zündzeitpunktserkennung installiert. Die Messdatenerfassung
erfolgte mit dem Datenerfassungsgerät „Agilent U2351A“. Mit dieser Arbeit ist es nun möglich, das Zündkennfeld des „trijekts“ Steuergeräts abzustimmen. [21]
Ein aktuell lauffähiges Programm zur Ansteuerung des Motorprüfstandes wurde in [22] entwickelt. Mit diesem Programm können ebenfalls Kenngrößen extrahiert werden. Es handelt
sich dabei um die gleichen extrahierbaren Kenngrößen wie beim Programm in [20], jedoch
mit geringen Abweichungen. Extrahierbar sind:
 Kühlwasser-Temperatur
 Öl-Temperatur
 Lambda-Wert
 Kraftstoff-Verbrauch
 Drehzahl
 effektives / indiziertes Drehmoment
 effektive / indizierte Leistung
Diesem Programm werden lediglich die Drosselklappenstellung und die Drehzahl vorgegeben, um die angegebenen Kenngrößen darzustellen. [22]

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24

Diplomarbeit

5 Planung und Vorbereitung
Folglich werden zunächst die einzelnen Spezifikationen der verwendeten Produkte dargestellt, bevor danach in Kapitel 5.2 die Programmierung
des Messdatenerfassungssystems Agilent 34972A vorgestellt wird.

5.1 Messgerät-, Sensor-, und Materialauswahl
Nachdem nach mehreren Produkten recherchiert wurde und nachdem eine Preisabschäzung stattfand, sind mehrere Produkte angeschafft worden. Diese sind in der nachfolgenden Tabelle aufgelistet und werden anschließend hinsichtlich ihrer Spezifikationen und Anwendung erläutert.
Tabelle 3: Übersicht der erworbenen Produkte

Anbieter

Anzahl

Produktbeschreibung

1

Meilhaus Electronic

1

Messdatenerfassungs- / Schaltsystem Agilent 34972A

2

Meilhaus Electronic

1

16 - Kanal Reed-Relais MUX 34902A

3

Heraeus

5 (kostenlos)

Dünnschicht-Platin-Temperatursensor Typ H (High)

4

Conrad-Electronic

10

Dünnschicht-Platin-Temperatursensor Typ H (High)

5

Conrad-Electronic

5

Dünnschicht-Platin-Temperatursensor bedrahtet, -70 bis +500 °C

6

Farnell

5

Labfacility - DM-333 - Sensor, Pt 100, Thin film, 2x10mm, CL B

7

Yatego

1 x 25 m

Verlängerungskabel für Pt 100 Fühler Glasseide

8

Newport-Omega

3

TJ1, TJ2, TJ5 Thermoelementfühler mit kompakter Metall-Übergangsstelle für hohe Beanspruchung

9

Newport-Omega

1 x 35 m

Abgeschirmte Thermoleitung mit FEP-Isolierung

10

Newport-Omega

5

Standard-Steckverbinder mit Beschriftungsfeld

11

Newport-Omega

1 x 236 ml

Omegabond 600 (chemisch härtender Einkomponenten-Hochtemperatur-Kleber)

12

Autoteile Berger

1 x 400 ml

Sprühlack – mattschwarz

__________________________________________________________________________________________________________________________________
25

Diplomarbeit
13

Autoteile Berger

ca. 1 x 4,5 m

Thermo- bzw. Glasfaserband

14

Kopp & Krauss

8

Rohrschellen

__________________________________________________________________________________________________________________________________
26

Diplomarbeit
 Produkt 1: Messdatenerfassungs- / Schaltsystem Agilent 34972A
Dieses modular aufgebaute Datenerfassungssystem besitzt ein internes 6,5 stelliges
DMM und eine USB-Schnittstelle. Zu den wichtigsten Spezifikationen und der Ausstattung gehören:
 3 Slots für verschiedene Module
 Spannungsmessung AC / DC 100 mV bis 300 V
 Widerstandsmessung 100 Ω bis 100 MΩ
 Frequenzmessung 3 Hz bis 300 kHz
 Temperatur -210 °C bis +1820 °C
 Speicher für 50000 Messwerte
 Umfangreiche Triggermöglichkeiten
 Scanintervall 0 – 99 Stunden, einstellbar in 1 ms Schritten
 Datenlogging auf USB-Stick möglich
 LAN Schnittstelle
 Maße: 254,4 x 103,6 x 374,0 mm (B x H x T)
 Gewicht: max 3,6 kg (ohne Module)
[23]

Abbildung 10: Messdatenerfassungssystem „Agilent 34972A“, Vorder- und Rückseite [23]

__________________________________________________________________________________
27

Diplomarbeit
 Produkt 2: 16 - Kanal Reed - Relais MUX 34902A
Dieses Einschubmodul stellt eine Variante zum Messdatenerfassungssystem „Agilent
34972A“ dar. Das Modul ist sehr gut für automatisierte Tests mit hohem Durchsatz und
für die Hochgeschwindigkeits-Datenprotokollierung geeignet.
Die wichtigsten Spezifikationen sind:
 16-Kanal-Differenz-MUX (Reedrelais)
 Integrierte Thermoelement-Vergleichsstelle
 Scan-Rate von 250 Kanälen /Sekunde
 2- und 4- Draht-Messungen möglich
 max. 300 V Schaltspannung
 erdfreie Verbindung zum internen DMM
[24]

Abbildung 11: 16-Kanal-Multiplexer Einschubmodul „Agilent 34902A“ [24]

 Produkte 3 und 4: Dünnschicht-Platin-Temperatursensor Typ H (High)
Es handelt sich bei diesem Pt 100-Sensor um eine Hochtemperaturvariante mit einer
Anwendung bis zu 850 °C.
 Typ: Pt 100 HD 421 B25 Pt 6
 Produkt-Nr.: 32208228
 Geometrie (L x B x H): 4,1 mm x 2,2 mm x 1,2 mm
 Spezifikation: DIN EN 60751
 Widerstand: Pt 100
 Toleranzklasse: B
 Temperaturkoeffizient: 3850 ppm/K
 Anschlusstechnik: geeignet zum Schweißen und Hartlöten
 Messstrom: 0,3 bis max. 1 mA
 Langzeitstabilität: 1000 h bei 850 °C (bestromt, offen)
1000 h bei 650 °C (bestromt in MI)
__________________________________________________________________________________
28

Diplomarbeit
 Umgebungsbedingungen: ungeschützt nur in trockener Umgebung einsetzbar.
Bis 650 °C Verbau auch in sauberer MI-Version möglich, oberhalb 650 °C keine reduzierende Atmosphäre, Luftzutritt muss gewährleistet sein.
[25]
 Produkt 5: Dünnschicht-Platin-Temperatursensor bedrahtet, -70 bis +500 °C

Abbildung 12: Pt 100-Dünnschichtsensor [26]

Folgende Spezifikationen gelten für diesen Sensor:
 Typ: Heraeus M1020
 Ausführung: Heraeus-Nr.: 32 208 280
 Abmessung (L x B): 9,5 mm x 1,9 mm
 Widerstand: Pt 100
 Temperatur-Koeffizient: 3850 ppm/k
 Toleranz: Klasse B
 Temperaturbereich: -70 bis +500 °C
 Spezifikation: DIN EN 60751

[26]

__________________________________________________________________________________
29

Diplomarbeit
 Produkt 6: Labfacility - DM-333 - Sensor, Pt 100, Thin film, 2x10mm, CL B
Technische Daten:
 Hersteller-Bezeichnung: DM-333
 Hersteller: Labfacility
 Abmessung (B x L x H): 2 mm x 10 mm x 1,4 mm
 Widerstand: Pt 100
 Toleranz: Klasse B
 Temperaturbereich: -50 bis +600 °C
 Spezifikation: DIN EN 60751
[27]
 Produkt 7: Verlängerungskabel für Pt 100 Fühler Glasseide
Technische Daten:
 Edelstahl Drahtschutzgeflecht mit zweifacher Glasfaserisolation für Pt 100 Fühler
 2-, 3- und 4-Leiter Technologie
 temperaturfest bis ca. 450 °C Dauer-Umgebungstemperatur (kurzfristig auch höher)
 Leitungs-Querschnitt: 4 x 0,22 mm2
 Gute Biegebeständigkeit durch Litzenausführung
 Außendurchmesser der Leitung: ca. 3,5 mm
[28]
 Produkt 8: TJ1, TJ2, TJ5 Thermoelementfühler mit kompakter Metall-Übergangsstelle
für hohe Beanspruchung
Technische Daten:
 Vollständige Bezeichnung: TJ2-CAIN-IM30U-150-CC-XCIB
 Genauigkeitsklasse: 1
 Länge: 150 mm
 Mantel-Art: Inconel
 Mantel-Ø: 3mm
 max. Temperatur: 1148 °C
 Thermoelementtyp: K (Nickel / Chrom-Nickel)
 Messspitzentyp: nicht geerdet

__________________________________________________________________________________
30

Diplomarbeit
 Ausgleichsleitung: 2 Meter Ultrahochtemperatur-Leitung mit Inconelgeflecht bis
815 °C
[29]
 Produkt 9: Abgeschirmte Thermoleitung mit FEP-Isolierung
Technische Daten:
 Vollständige Bezeichnung: IEC24-FF-K-24S-TCB-SLE-JU
 Thermoleitung Typ K (NiCr-Ni), IEC 584
 Genauigkeit besser als Klasse 1 (± 0,8 °C)
 Litze (7 x 0,2 mm), IEC-Farben grün/weiß
 FEP/FEP-Isolierung
 Drahtdurchmesser 2 x 0,5 mm (0,22 mm2)
 Abschirmung: verzinntes Kupfergelecht
 Außendurchmesser 3,2 mm
 max. 200 °C
[29]
 Produkt 10: Standard-Steckverbinder mit Beschriftungsfeld
Technische Daten:
 Vollständige Bezeichnung: HSTW-KI-MF-S
 Typ K (Plus-Pol: Nickel-Chrom, Minus-Pol: Nickel)
 Material: Flüssigkristall-Polymer für bis zu 260 °C
 Drahtdurchmesser bis 1,63 mm
 Schrauben gegen Herausfallen gesichert
 Steckerstifte aus Vollmaterial
[29]
 Produkt 11: Omegabond 600 (chemisch härtender Einkomponenten-HochtemperaturKleber)
Technische Daten:
 1-Komponenten-Hochtemperatur-Keramikkleber auf Magnesiumphosphatbasis
 temperaturbeständig bis 1427 °C
 beständig gegen Öl, Lösemittel und die meisten Säuren (außer Flusssäure)
 wärmeleitend und beständig gegen Temperaturschocks
 elektrisch isolierend wirkend
 klebt auf Metall, Keramik, Glas, Porzellan und anderen Oberflächen
__________________________________________________________________________________
31

Diplomarbeit
 Keramik-ähnlicher Körper
 Lagerdauer des Pulvers: 6 Monate
 härtet innerhalb von 18 bis 24 Stunden chemisch aus
 Verarbeitungszeit: ca. 30 Minuten
[29]
 Produkt 12: Sprühlack-mattschwarz
Dieser Sprühlack ist bis zu 650 °C temperaturbeständig.
 Produkt 13: Thermo- bzw. Glasfaserband
Thermobänder werden oftmals als Hitzeschutzbänder oder zur Isolation von AbgasKrümmern und Abgasrohren im Motorenbereich eingesetzt.
Dieses bei dieser Arbeit eingesetzte Thermoband ist temperaturbeständig bis 900 °C.

Darüber hinaus war die Wärmebildkamera „Ti32“ der Firma FLUKE schon vor Beginn dieser Arbeit vorhanden.
Folgende wichtige Spezifikationen gelten für dieses Thermografie-Gerät:
 Abmessungen (H x B x L): 27,7 cm x 12,2 cm x 17,0 cm
 Gewicht: 1,05 kg
 Gehäuse: IP54
 Temperaturmessbereich: -20 bis +600 °C
 Wärmeempfindlichkeit:  0,05 °C bei 30 °C Motivtemperatur
 Infrarotspektrum: 8,0 µm bis 14 µm (Langwelle)
 Visuelle Kamera (sichtbares Licht): 2 Megapixel
 Minimaler Fokussierabstand: 46 cm (ungefähr 18 Zoll)
 Standardinfrarotobjektiv: Sehfeld: 23 ° x 17 °
Auflösungsvermögen (IFOV): 1,25 mRad
Minimaler Fokussierabstand: 15 cm (ungefähr 6 Zoll)
 Speichermedium: SD-Speicherkarte 2 GB
 Software: SmartView-Software für Analyse und Berichterstellung vorhanden
[30]

__________________________________________________________________________________
32

Diplomarbeit

5.2 Programmierung des Messdatenerfassungssystems
Das Messdatenerfassungs- und Schaltsystem „Agilent 34972A“ ist mit der grafischen Programmiersprache „Agilent VEE“ programmiert worden.
Anwendung findet das Programm Agilent VEE beim Erstellen von Anwendungen im Bereich
Test und Messtechnik. Der größte Vorteil einer grafischen Programmiersprache besteht in
der Zeitersparnis für die Programmentwicklung um bis zu 80 %. Die Programmierung erinnert an ein Datenflussdiagramm, das durch Auswählen von Objekten in Menüs und Verbinden dieser Objekte entsteht. Es können desweiteren beliebig viele Unterprogramme in ein
Hauptprogramm eingefügt werden.
Das auf den nächsten Seiten entwickelte Programm ist mit der Version 9.2 erstellt worden.
[31]
Es folgt eine Abbildung, in der das Bedien-Panel abgebildet ist:

__________________________________________________________________________________
33

Diplomarbeit

Abbildung 13: Bedien-Panel des entwickelten Programmes

__________________________________________________________________________________________________________________________________
34

Diplomarbeit
Es folgen nun Abbildungen, die die eigentliche Programmierung (Detailansicht) darstellen. Es wird nur das Hauptprogramm, ohne die Unterprogramme (Farbe Braun), dargestellt.

Abbildung 14: Detailansicht: Teil 1 (Status u. Zusatzfeatures) des entw. Programmes

__________________________________________________________________________________________________________________________________
35

Diplomarbeit

Abbildung 15: Detailansicht: Teil 2.1 (allg. Konfiguration) des entw. Programms

__________________________________________________________________________________________________________________________________
36


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