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Digitalthermometer sind Geräte zur Temperaturmessung die den Messwert digital anzeigen oder weitergeben. Beim Digitalthermometer können Messung und Anzeige der Temperatur örtlich getrennt erfolgen. Der eigentliche Temperaturfühler liefert analoge Signale in Abhängigkeit von der Messstellentemperatur. Als digitale Fühler bezeichnet man Temperaturfühler bei denen das analoge Signal vor der Weitergabe mit einem Analog-Digital-Wandler in ein digitales Signal umgewandelt wird. Das digitale Signal ist weniger störanfällig, aber durch die temperaturempfindliche Elektronik ist der Messbereich beschränkt. Digitalthermometer ermöglichen die einfache Speicherung und Auswertung von Messdaten. Zu den Sonderfunktionen gehören schon bei einfachen Digitalthermometern die Fixierung des aktuellen Messwerts auf dem Display und die Anzeige von Minimal- und Maximalwert einer Messreihe. Einige Digitalthermometer alarmieren bei der Überschreitung eingestellter Grenzwerte durch Warntöne oder optische Zusatzanzeigen.
Digitalthermometer die Messwerte über längere Zeiträume aufzeichnen können, nennt man auch Temperatur-Datenlogger. Diese vereinfachen die Erfassung und Auswertung von Temperaturen. Das Speicherintervall kann im Gerätemenü oder über die zum Digitalthermometer gehörende Software eingestellt werden. Neben der Temperatur wird auch das Datum und die Uhrzeit der Messung gespeichert. Dazu müssen diese Werte bei den meisten Digitalthermometern beim ersten Start richtig eingestellt werden. Bei speziellen Datenloggern kann über Analogeingänge gesteuert werden, dass die Speicherung bei Erreichen bestimmter Werte gestartet oder gestoppt wird.
Einige Digitalthermometer erfassen zusätzliche Messgrößen. Digitalthermometer die auch die Luftfeuchte erfassen, nennt man Thermo-Hygrometer. Aus den Werten für Luftfeuchte und Temperatur können viele Digitalthermometer den Taupunkt berechnen. Der Taupunkt ist die Temperatur, bei der sich Feuchtigkeit aus der Luft auf kalten Oberflächen bildet.
Messprinzipien für Digitalthermometer
Digitalthermometer mit Infrarotsensoren
Jedes Material strahlt in Abhängigkeit von seiner Temperatur Energie in Form von Lichtwellen im Infrarotbereich ab. Je höher die Temperatur ist, desto mehr Energie wird abgestrahlt. Digitalthermometer mit Strahlungssensoren werden auch Pyrometer genannt. Sie können aus der auftreffenden Strahlung die Temperatur der wärmeabgebenden Fläche bestimmen. Die Messung dieser Digitalthermometer funktioniert berührungslos und sehr schnell. Es gibt Infrarot Digitalthermometer die für den angezielten Bereich einen aktuellen Einzelwert berechnen aber auch Infrarotkameras zur bildhaften Darstellung der Temperaturen mittels Infrarotauswertung.
Bei der Messung mit einem Infrarot Digitalthermometer ist auf folgendes zu achten:
- das Digitalthermometer hatte Zeit, die Umgebungstemperatur anzunehmen
- die Sensorlinse ist nicht abgedeckt, verschmutzt oder beschlagen
- die Infrarot-Strahlung zum Digitalthermometer wird nicht durch Staub oder Dampf beeinflusst
- die Messfleckgröße entspricht der gewünschten Messstelle
- der Emissionswert entspricht dem Material der zu messenden Oberfläche.
Der materialspezifische Emissionsgrad zwischen 0 und 1 beschreibt wie gut eine Oberflächen Infrarotstrahlung abgibt. Viele Digitalthermometer erlauben die Einstellung des Emissionsgrades im Gerätemenü. Dieser Wert wird dann für die Temperaturermittlung berücksichtigt. Ist der Emissionsgrad im Infrarot Digitalthermometer fest auf 0,95 eingestellt oder für das Material nicht bekannt, kann man die Oberfläche durch Lackierung oder Messpunktaufkleber messbar machen.
Die Messfleckgröße beim Infrarot Digitalthermometer ist abhängig von der Konstruktion. Sie beschreibt die Kreisfläche, deren Infrarotstrahlung bei der Messung vom Sensor erfasst wird. Je weiter das Infrarot Digitalthermometer vom Zielpunkt entfernt wird, desto größer wird der Durchmesser des Messflecks. Das Verhältnis der Entfernung zum Messpunktdurchmesser ist gerätespezifisch und wird als Zahlenwert angegeben. Dabei bedeutet 30:1 dass bei 30 cm Entfernung der Messpunktdurchmesser 1 cm und bei 60 cm Entfernung 2 cm groß ist. Zur Sichtbarmachung des Zielpunktes haben viele Infrarot Digitalthermometer Lasermarkierungen. Ein einfacher Laserpunkt zeigt nur die Mitte, ein Kreuzlaser den Durchmesser des Messflecks. Mit der sogenannten Kreislasermarkierung wird der Umfang des Messflecks angezeigt.
Digitalthermometer mit Thermoelementen
Thermoelemente für Digitalthermometer bestehen aus zwei Drähten aus verschiedenen Metallen die an einem Ende verschweißt sind. In DIN EN 60 584 und DIN 43 710 sind viele Thermoelemente mit Typbezeichnung, Materialangaben, Farbcode, Temperaturgrenzen, Spannungsreihen und zulässigen Grenzabweichungen definiert.
Durch den Temperaturunterschied zwischen den verbundenen und den freien Drahtenden entsteht eine Spannung. Diese Spannung ist abhängig von den verwendeten Metallen und steigt nicht linear mit der Temperatur. Die Temperatur an der Messstelle kann nur bestimmt werden, wenn die Temperatur an den freien Enden des Thermoelements bekannt ist oder mit einem zusätzlichen Sensor am Digitalthermometer erfasst wird. Die gemessene Spannung muss außerdem mittels der Kennlinie des verwendeten Thermoelement-Typs linearisiert werden. Digitalthermometer mit Anschlüssen für Thermoelemente haben deren Kennlinien entweder hinterlegt oder ermöglichen das Eintragen der benötigten Kennwerte. Thermoelemente des gleichen Typs können problemlos untereinander getauscht werden. Besonders einfach zu verwenden sind Digitalthermometer mit für den jeweiligen Typ genormten Stecker-Anschlüssen. Bei der Verlängerung von Thermoelementen müssen Thermoelement und Ausgleichsleitung vom gleichen Typ verwendet werden. Das betrifft alle Verbindungen bis zur Klemmstellenkompensation im Digitalthermometer.
Digitalthermometer mit Platinwiderständen
Bei Platin-Widerstandssensoren für Digitalthermometer ist die Leitfähigkeit über weite Bereiche linear zur Temperatur. In EN 60751 sind Widerstandssensoren aus Platin für Temperaturmessungen definiert. Der oft für Digitalthermometer eingesetzte Platin-Widerstand PT100 hat bei 0°C einen Nennwiderstand von 100 Ω, der PT50 50 Ω, der PT500 500 Ω und der PT1000 sogar 1 kΩ.
Weil auch der Leitungswiderstand des Anschlusskabels bei der Messung vom Digitalthermometer erfasst wird, können Messfehler entstehen. Für kurze Anschlusskabel und bei PT1000-Fühlern ist der Einfluss auf das Messergebnis gering. Der Leitungswiderstand lässt sich aber durch Anschluss zusätzlicher Leitungen am Fühler kompensieren. Die zusätzlichen Leitungen bei der 3- und 4 Leitertechnik heben die Wirkung des Leitungswiderstands auf das Messergebnis auf.
Platinwiderstände für Digitalthermometer können in verschiedenen Genauigkeitsklassen gefertigt werden. In der Norm EN 60751 sind 4 Genauigkeitsklassen festgelegt. Die Klasse AA ist identisch mit der Bezeichnung 1/3 DIN B. Mit Genauigkeit 1/10 DIN B werden Platinwiderstände gekennzeichnet, bei denen die Temperaturabweichung nur 1/10 der Klasse B beträgt.
Klasse AA: tg = 0,10 °C + 0,0017 · |t| (entspricht 1/3 DIN B)
Klasse A: tg = 0,15 °C + 0,0020 · |t|
Klasse B: tg = 0,30 °C + 0,0050 · |t|
Klasse C: tg = 0,60 °C + 0,0100 · |t|
Digitalthermometer mit PTC- und NTC-Thermistoren
Digitalthermometer mit Thermistoren nutzen die besonderen Eigenschaften von Halbleitern. Thermistoren sind Halbleiterbauelemente, deren elektrischer Widerstand durch Temperatur beeinflusst wird. Halbleiter, deren elektrischer Widerstand bei steigender Temperatur sinkt, haben einen negativen Temperaturkoeffizienten. Sie werden als Heißleiter bzw. als NTC-Thermistoren bezeichnet. Kaltleiter, deren elektrischer Widerstand mit der Temperatur steigt, werden wegen des positiven Temperaturkoeffizienten PTC-Thermistoren genannt.
Digitalthermometer mit NTC- bzw. PTC-Thermistoren bieten im Temperaturbereich von etwa -50°C bis 150 °C günstig sehr hohe Genauigkeiten. Diese Digitalthermometer eignen sich für sehr viele Anwendungen z.B. im medizinischen Bereich, bei der Lebensmittelkontrolle, für Wetterstationen, Kraftfahrzeugelektronik, Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik.
