Galvanisch getrennte Temperaturmessung vermeidet eine unerwünschte leitfähige Verbindung zwischen Messstelle und Auswertegerät. Dafür kommen faseroptische Sensoren, berührungslose Infrarotmessungen oder elektrische Sensoren mit geeigneter Trennung und Signalaufbereitung infrage. Das passende Verfahren richtet sich nach Messaufgabe und Einbaubedingungen.
Für Anwendungen, bei denen der Messpunkt selbst elektrisch vom Instrument isoliert bleiben muss, bietet ein faseroptischer Temperaturfühler eine besonders direkte Lösung, da das Temperatursignal optisch und nicht über leitende Messleitungen übertragen wird. Fluoreszenzbasierte punktförmige faseroptische Temperaturmessung verwendet Sonden, die jeweils einen definierten Temperaturpunkt messen und kein leitendes elektrisches Messsignal durch die Faser wandert.
Elektrische Trennung bedeutet nicht, dass das Gerät keine Spannung hat, dass die gesamte Anlage vollständig elektrisch getrennt ist oder dass alle elektrischen Risiken beseitigt sind. Dies bedeutet, dass der Temperaturmesspfad so ausgelegt ist, dass unerwünschte elektrische Leitungen zwischen dem Messpunkt und der Messelektronik vermieden werden.
Was bedeutet elektrisch isolierte Temperaturmessung?
Potenzielle Trennung bei der Temperaturmessung bedeutet, eine unerwünschte leitende elektrische Verbindung zwischen der Messstelle und der Messelektronik bzw. dem Erfassungssystem zu verhindern. Die Isolierung kann an mehreren Stellen angewendet werden, einschließlich des Sensor-zu-Instrument-Pfads, eines Sendereingangs oder -ausgangs, eines Erfassungskanals, einer Stromversorgung oder einer Kommunikationsschnittstelle. Durch die Isolierung an einem Sender oder einer Kommunikationsschnittstelle allein wird der Erfassungspunkt nicht isoliert.
Galvanische Isolierung und ein optischer Erfassungspfad sind verwandte, aber nicht identische Konzepte. Ein herkömmlicher elektrischer Sensor kann dennoch Teil eines elektrisch isolierten Systems sein, wenn im weiteren Verlauf der Signalkette eine geeignete Isolationselektronik eingesetzt wird.
Warum ist bei der Temperaturmessung eine elektrische Isolierung erforderlich?
Die elektrische Isolierung wird relevant, wenn große Potenzialunterschiede, unter Spannung stehende Geräte, Erdungsunterschiede, Erdschleifenprobleme, starke elektrische Felder, Einschränkungen bei der leitenden Sensorverkabelung oder Messelektronik auf einem anderen elektrischen Potenzial als der Erfassungspunkt liegen.
Nicht jede Temperaturmessung erfordert eine elektrische Isolierung. Dies wird nur dann zu einer Anforderung, wenn die Messumgebung oder die Systemarchitektur dies erfordert.
Welche Temperaturmessmethoden sorgen für elektrische Isolierung?
| Methode | Sensorsignal | Isolationsansatz | Am besten geeignet für |
|---|---|---|---|
| Faseroptischer Temperatursensor | Optisches Signal | Nichtleitender optischer Erfassungspfad | Direkte Punktmessung, bei der eine Isolierung auf Sensorebene erforderlich ist |
| PT100 / RTD mit isolierter Elektronik | Elektrischer Widerstand | Potenzielle Trennung am Sender/Erfassungssystem | Konventionelle industrielle Temperaturmessung |
| Thermoelement mit isoliertem Eingang | Millivolt elektrisches Signal | Isolierte Signalaufbereitung | Industrielle Prozessmessung |
| Infrarotsensor | Optisch, berührungslos | Keine physische Sensorverbindung zum Ziel | Zugängliche Flächen |
Faseroptische Temperaturmessung zur elektrischen Isolierung
Die faseroptische Temperaturmessung entfernt leitende elektrische Messleitungen aus dem Sensorsignalpfad. Die Sondenspitze wird am ausgewählten Punkt platziert, die Temperatur verändert die optische Reaktion des Sensormaterials, das optische Signal wandert durch die Faser und das Auswertegerät berechnet die Temperatur.
Dies ist eine direkte Punktmessung. Es handelt sich nicht um eine berührungslose Messung und auch nicht um eine vollflächige Messung – der Fühler meldet die Temperatur an dem spezifischen Ort, an dem er installiert ist.
Können PT100-Sensoren zur galvanisch isolierten Temperaturmessung verwendet werden?
Ja. PT100-/RTD-Sensoren sind elektrische Widerstandssensoren, und eine Isolierung auf Systemebene kann durch einen isolierten Sender, ein isoliertes Eingangsmodul, geeignete Isolierung, geeignete Verkabelung und gegebenenfalls Abschirmung oder Erdung erreicht werden.
PT100 bleibt für viele herkömmliche Systeme praktisch. Wenn das Sensorkabel selbst keinen leitenden Pfad zum Messpunkt bilden darf, ist eine faseroptische Erfassung möglicherweise besser geeignet.
Können Thermoelemente elektrisch isoliert werden?
Ja, abhängig von Installation und Signalkonditionierungsdesign. Ein Thermoelement verwendet ein kleines elektrisches Spannungssignal und die Isolierung kann mithilfe einer isolierten Verbindung, eines isolierten Verstärkers, eines isolierten Senders oder eines isolierten Erfassungskanals erfolgen.
Die leitenden Leitungen selbst sind zwischen dem Messpunkt und der Elektronik noch vorhanden. Aus diesem Grund sind optische Isolierung auf Sensorebene und elektrische Isolierung auf Systemebene unterschiedliche Konzepte, auch wenn beide als „isolierte“ Messung bezeichnet werden können.
Glasfaser vs. PT100 vs. Thermoelement vs. Infrarot
| Methode | Kontakttyp | Signalpfad | Elektrische Isolierung | Hauptbeschränkung |
|---|---|---|---|---|
| Glasfaser | Kontakt / eingebettet | Optisch | Nichtleitender optischer Erfassungspfad | Erfordert Probe-Zugriff |
| PT100 | Kontakt | Elektrik | Hängt vom Systemdesign ab | Leitfähige Leitungen |
| Thermoelement | Kontakt | Elektrik | Hängt vom Isolationsdesign ab | Leitfähige Leitungen |
| Infrarot | Berührungslos | Optisch | Kein elektrischer Kontakt mit dem Ziel | Erfordert Sichtlinie |
Isolierung auf Sensorebene vs. Isolation auf Instrumentenebene
Die Isolierung auf Sensorebene bedeutet, dass vom Erfassungspunkt keine leitende Messleitung vorhanden ist – ein typisches Beispiel ist ein faseroptischer Temperaturfühler. Isolierung auf Instrumentenebene bedeutet, dass am Messpunkt eine elektrische Sensorverkabelung vorhanden ist, aber isolierte Elektronik diesen Eingang vom nachgeschalteten System trennt, wie bei einem isolierten RTD-Transmitter oder einem isolierten Thermoelementmodul.
Diese beiden Ansätze erfüllen unterschiedliche Anforderungen an die elektrische Isolierung, und die richtige Wahl hängt davon ab, wo in der Messkette tatsächlich eine Isolierung erforderlich ist.
Elektrisch isolierte Temperaturmessung in Transformatoren
Transformatoren können eine direkte Wicklungstemperaturmessung an einem internen Messpunkt mit hohem elektrischem Potenzial erfordern. Eine faseroptische Sonde kann während der Herstellung an einer ausgewählten Wicklungsstelle eingebettet werden und so einen elektrisch isolierten Erfassungspfad zu diesem Punkt bereitstellen. Eine detaillierte Platzierungslogik für diese Anwendung wird in einem verwandten Artikel über die Messung der Transformatorwicklungstemperatur behandelt.
Elektrische Isolierung bei der Temperaturmessung von Hochspannungsgeräten
In Schaltanlagen, Sammelschienen, Kabelanschlüssen, unter Spannung stehenden Leitern und elektrischen Prüfgeräten kann der Messpunkt auf einem anderen elektrischen Potenzial als das Überwachungsgerät betrieben werden. Durch die optische Erfassung wird ein leitfähiger Temperatursignalpfad zwischen diesen beiden Orten vermieden. Dies ist einer der Hauptgründe, warum faseroptische Sensoren für die Hochspannungstemperaturmessung verwendet werden.
Leistungselektronik, IGBT- und SiC-Temperaturmessung
Leistungselektronikprüfungen können hohe Schaltspannungen, schnelle Transienten, starke elektromagnetische Störungen und schwebende elektrische Potenziale umfassen. Die isolierte Temperaturmessung kann an einer Moduloberfläche, einem Gerätepaket, einem ausgewählten thermischen Punkt oder einer Testvorrichtung angewendet werden.
Die Messung sollte als Temperatur am physischen Standort der Sonde und nicht als direkte Verbindungstemperatur beschrieben werden, es sei denn, die Sensorinstallation entspricht speziell diesem Messpunkt.
HF- und Mikrowellen-Temperaturmessung
Konduktive Temperatursensoren können je nach Konfiguration mit HF- oder Mikrowellenumgebungen interagieren. Eine faseroptische Sonde bietet einen nichtleitenden Erfassungspfad und kann in Mikrowellenheizungen, HF-Testsystemen, dielektrischen Heizungen und industriellen Mikrowellengeräten verwendet werden.
Temperaturmessung in starken Magnetfeldern und MRT-Systemen
In Umgebungen mit starken Magnetfeldern erfordern elektrische und metallische Sensoranordnungen möglicherweise besondere Überlegungen. Die faseroptische Sensorik bietet einen elektrisch isolierten, optischen Signalpfad, der für ausgewählte Temperaturmesspunkte in stark magnetischen Umgebungen geeignet sein kann.
Die Kompatibilität mit einem bestimmten MRT- oder Magnetfeldsystem sollte anhand von Sondenmaterialien, Instrumentenplatzierung und den Anforderungen des Geräteherstellers bestätigt werden und nicht anhand eines allgemeinen Feldstärkewerts angenommen werden.
Elektrisch isolierte Temperaturmessung in Hochspannungsprüflaboren
In einem Testlabor können das Testobjekt und das Auswertegerät physisch getrennt sein, wobei die Faserlänge die entfernte Platzierung des Instruments unterstützt. Dies gilt für dielektrische Prüfungen, Isolationsprüfungen, Prüfstände für elektrische Geräte und Hochspannungsforschung, bei denen tatsächliche Sicherheitsabstände und Prüfspannungsverfahren den geltenden Anlagenstandards entsprechen sollten.
Wann ist die berührungslose Infrarotmessung besser geeignet?
Infrarotmessungen eignen sich gut für zugängliche Oberflächen, sichtbare Ziele, vorübergehende Inspektionen und Situationen, in denen die Sondeninstallation nicht praktikabel ist. Die faseroptische Sensorik wird typischerweise für interne Punktmessungen, eingebettete Messungen, kontinuierliche Kontaktmessungen und geschlossene Orte in Betracht gezogen, an denen Sondenzugang möglich ist.
Wie hängen EMI und elektrische Isolierung zusammen?
Elektrische Isolierung und Widerstandsfähigkeit gegen elektromagnetische Störungen sind in einigen Anwendungen verwandte Vorteile, es handelt sich jedoch nicht um dasselbe Konzept. Die galvanische Trennung verhindert eine ungewollte leitende elektrische Verbindung, während die Widerstandsfähigkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen die Widerstandsfähigkeit der Messstrecke gegenüber elektromagnetischen Störungen beschreibt. Die faseroptische Sensorik kann beide Vorteile entlang des optischen Sensorpfads bieten, sie sollten jedoch nicht als ein einziges Konzept behandelt werden.
Können mehrere elektrisch isolierte Temperaturpunkte überwacht werden?
Ja. Eine Punktsonde nutzt normalerweise einen Messkanal, und ein Mehrkanalsystem kann mehrere Transformatorwicklungspunkte, Schaltanlagenanschlüsse, Prüfobjekte, Leistungselektronikstandorte oder Laborgeräte überwachen.
Für spezielle Projekte können je nach Auswertegerät und Projektanforderungen etwa 1–64 Kanäle konfiguriert werden, obwohl nicht jedes Produkt diesen gesamten Bereich unterstützt. Die Kanalplanung wird in einem verwandten Artikel darüber, wie viele Kanäle für die faseroptische Temperaturüberwachung benötigt werden, näher erläutert.
Wie weit darf der Sensor vom Auswertegerät entfernt sein?
Die Faserlänge ist ein Routing-Parameter, kein Temperaturbereichsparameter. Typische INNO-Punktsondenkonfigurationen unterstützen je nach Sondenstruktur und Projektanforderungen etwa 0–20 m, während 3–5 m ein praktischer Anfangsreferenzwert für viele Geräteanwendungen sind. Die tatsächliche Länge sollte dem tatsächlichen Verlegungsweg, der Instrumentenposition, der Durchführungsposition und dem Installationsspielraum entsprechen, wie in einem speziellen Leitfaden zur Auswahl der richtigen Faserlänge für einen faseroptischen Temperatursensor beschrieben.
Beeinflusst die elektrische Isolierung die Temperaturgenauigkeit?
Die elektrische Isolierung allein macht einen Temperatursensor nicht automatisch genauer. Die Genauigkeit hängt von der Sensortechnologie, dem Sondendesign, dem Sensorelement, dem Auswertegerät, dem thermischen Kontakt, der Systemkonfiguration und den Anwendungsbedingungen ab.
Der Isolationsvorteil von faseroptischen Sensoren betrifft hauptsächlich die elektrische Messumgebung und ist keine Garantie für eine höhere Genauigkeit.
So wählen Sie eine elektrisch isolierte Temperaturmessmethode aus
Wenn eine direkte Kontaktmessung ohne leitenden Messpfad erforderlich ist, ist die faseroptische Temperaturerfassung eine geeignete Richtung. Wenn eine herkömmliche elektrische Messung akzeptabel ist, eine nachgeschaltete Isolierung jedoch erforderlich ist, kann ein PT100/RTD mit einem isolierten Sender funktionieren. Wenn eine umfassende industrielle Prozesskompatibilität erforderlich ist, ist ein Thermoelement mit isoliertem Eingang üblich. Wenn nur eine zugängliche Oberflächentemperatur erforderlich ist, ist eine Infrarotmessung geeignet. Für mehrere isolierte Punkte kann ein Mehrkanal-Glasfasersystem oder ein geeignetes isoliertes Erfassungssystem verwendet werden.
Auswahlhilfe für elektrisch isolierte Temperaturmessung
| Anforderung | Praktische Anleitung |
|---|---|
| Kein leitender Signalpfad am Messpunkt | Faseroptischer Temperatursensor |
| Konventionelle RTD-Messung mit isoliertem Ausgang | PT100 + isolierter Sender |
| Thermoelement-Prozessmessung mit Isolierung | Thermoelement + isolierte Erfassung |
| Nur zugängliche Oberfläche | Infrarotmessung |
| Interner Hochpotentialpunkt | Glasfasersonde, sofern die Installation dies zulässt |
| Starke HF-/Mikrowellenumgebung | Glasfasersensorik könnte geeignet sein |
| Mehrpunkt-isolierte Erfassung | Mehrkanaliges Glasfaser-Überwachungssystem |
Die endgültige Auswahl hängt vom Gerätedesign und dem erforderlichen Grad der elektrischen Isolierung ab.
Welche Informationen sind vor der Auswahl eines isolierten Temperatursensors erforderlich?
- Gerätetyp
- Messpunkt
- Elektrisches Potenzial am Erfassungsort
- Erforderliche Art der elektrischen Trennung
- Kontaktierende oder berührungslose Messung
- Innen- oder Oberflächentemperatur
- Erforderlicher Temperaturbereich
- Erwartete Betriebstemperatur
- Sondenabmessungen
- Faser- oder Kabellänge
- Anzahl der Messpunkte
- Anzahl der Kanäle
- Überwachung des Gerätestandorts
- EMI / HF / magnetische Umgebung
- Erforderliche Kommunikationsschnittstelle
- Alarmausgabeanforderung
- SPS-/SCADA-Anforderung
- Installationsraum
Häufige Missverständnisse bei der elektrisch isolierten Temperaturmessung
Potenzielle Trennung bedeutet, dass keine Spannung vorhanden ist. Das ist falsch. Unter Isolation versteht man die Trennung im Messpfad, nicht das Fehlen von Spannung.
In isolierten Systemen können nur faseroptische Sensoren verwendet werden. Das ist falsch. PT100- und Thermoelementsysteme können isolierte Sender oder Erfassungsmodule verwenden.
Ein isolierter Sender führt dazu, dass die Sensorverkabelung nicht leitend ist. Das ist falsch. Die Sensorleitungen bleiben leitend; Die Isolation erfolgt an der Elektronik.
Die faseroptische Temperaturmessung ist immer genauer. Das ist falsch. Seine Hauptvorteile sind optische Isolierung und Widerstandsfähigkeit gegen elektromagnetische Störungen, nicht automatisch eine höhere Genauigkeit.
Infrarot- und faseroptische Temperatursensoren führen die gleiche Messung durch. Das ist falsch. Infrarot ist normalerweise eine berührungslose Oberflächenmessung, während faseroptische Sonden eine direkte Punktmessung ermöglichen, an der sich die Sonde befindet.