HF-Temperatur­sensoren für starke elektro­magnetische Felder auswählen

• Die Auswahl eines HF-Temperatur­sensors beginnt mit dem physischen Messpunkt (Oberfläche, eingebettet, Vorrichtung oder Komponente), nicht nur mit dem Temperatur­bereich.
• Thermoelemente und Widerstands­thermometer funktionieren immer noch an vielen Standorten, sofern Verkabelung, Erdung und Messelektronik den Feldbedingungen entsprechen.
• Leitfähige Sensorleitungen in starken HF-Umgebungen können zu Störeinkopplung, Erdungsproblemen und Installationseinschränkungen führen.
• Infrarotmessungen erfordern keine Sensorverkabelung, erfordern jedoch einen optischen Zugang und eine Zieloberfläche, die für berührungslose Messungen geeignet ist.
• Fluoreszenz­basierte faseroptische Sensoren eignen sich für definierte Kontaktpunkte, die eine elektrische Isolierung und eine hohe Beständigkeit gegen elektro­magnetische Störungen erfordern.
• Eine Fluoreszenz­sonde misst einen definierten Punkt. Mehrere Punkte erfordern mehrere Sonden und Kanäle.

Was zeichnet einen HF-Temperatur­sensor aus?

Bei der Sensorauswahl für HF-Anlagen sind die elektrischen und elektro­magnetischen Bedingungen häufig entscheidender als der Temperatur­bereich. Eine Messung bei 150 °C ist industrieller Alltag. In einer eingeschalteten HF-Anlage müssen jedoch Leitungsführung, Erdung, Signalqualität, elektrische Trennung, optischer Zugang und Einbauort gemeinsam betrachtet werden.

Ein HF-Temperatur­sensor ist keine separate Sensortechnologie. Der Begriff umfasst Thermoelemente, Widerstands­thermometer, Infrarotmessungen und faseroptische Sensoren, je nachdem, was für die jeweilige Umgebung geeignet ist.

Leitfähige Sensorleitungen sind dabei ein zentraler Einflussfaktor. Bei der Temperatur­messung in starken elektro­magnetischen Feldern müssen Erdung, Störeinkopplung und Leitungsführung aufeinander abgestimmt sein.

Welche Temperatur­sensoren können in HF-Umgebungen verwendet werden?

Thermoelemente

Thermoelemente sind kompakte, industriell bewährte Kontaktsensoren mit kleinen Messstellen. Ihre metallischen Leitungen können HF-Energie einkoppeln oder unerwünschte Erdungspfade bilden. Leitungsführung und Signalaufbereitung müssen darauf ausgelegt sein. Lassen sich diese Einflüsse beherrschen, bleiben Thermoelemente eine geeignete Lösung.

RTD-/PT100-Sensoren

Widerstands­thermometer ermöglichen eine stabile Kontaktmessung überall dort, wo eine leitende Verkabelung akzeptabel ist. Sie sind elektrisch mit der Messelektronik verbunden, sodass Kabelführung, Abschirmung und Erdung in HF-Umgebungen von Bedeutung sein können.

Infrarot-Temperatur­messung

Infrarotsysteme messen berührungslos und benötigen keine Sensorleitung am Messobjekt. Voraussetzung sind ein geeigneter optischer Zugang und passende Oberflächeneigenschaften. Verdeckte oder eingebettete Messstellen lassen sich damit nicht direkt erfassen. Die Unterschiede zwischen punktueller Kontaktmessung und berührungsloser Temperatur­messung sind deshalb bei der Auswahl entscheidend.

Fluoreszenz­basierte faseroptische Temperatur­sensoren

Fluoreszenz­basierte faseroptische Temperatur­sensoren erfassen die Temperatur an einer definierten Kontaktstelle über einen optischen Signalweg. Eine elektrische Signalleitung bis zur Messstelle entfällt. Das ermöglicht eine galvanisch getrennte Messung mit hoher elektro­magnetischer Störfestigkeit, auch an eingebetteten oder schwer zugänglichen HF-Messstellen.

HF-Temperatur­sensor-Vergleich

Widerstands­thermometer und Thermoelemente bleiben die naheliegende Wahl, wenn sich die Leitungsführung zuverlässig auslegen lässt. Infrarotmessungen eignen sich für zugängliche Oberflächen. Faseroptische Sensoren sind besonders dann sinnvoll, wenn elektrische Leiter an der Messstelle unerwünscht sind oder eine eingebettete Stelle erfasst werden muss.

Wenn die leitfähige Sensorverkabelung zur Einschränkung wird

Metallische Sensorleitungen verhalten sich als Teil des elektro­magnetischen Systems. In einem HF-Feld können sie Energie einkoppeln, induzierte Signale in die Messelektronik übertragen und unbeabsichtigte Erdungspfade erzeugen. Das Ergebnis kann in Form von Rauschen, instabilen Messwerten oder Installationsbeschränkungen rund um das Gerät auftreten.

Wie wichtig dies ist, hängt von Feldstärke, Frequenz, Leitergeometrie, Kabelführung, Abschirmung, Erdung und Messelektronik ab. Es gibt keinen einheitlichen Schwellenwert und gut abgeschirmte, gut geerdete Installationen funktionieren oft problemlos.

Potenzialunterschiede stellen eine zusätzliche Anforderung dar. Eine Leitung zwischen einem spannungsführenden Bereich und geerdeter Messtechnik schafft einen leitfähigen Pfad. Ein galvanisch getrennter Temperatur­sensor vermeidet diesen Signalpfad an der Sonde. Diese Trennung ist auch bei der Temperatur­überwachung unter Hochspannung relevant.

Entscheidend ist, ob Leitungen so geführt, geschirmt und geerdet werden können, dass die Messung zuverlässig bleibt und die Anlage nicht beeinflusst wird. Ist das möglich, sind konventionelle Sensoren geeignet. Andernfalls ist ein anderer Signalweg erforderlich.

Wenn die Infrarotmessung besser funktioniert

Infrarotmessung kann die einfachere Lösung sein, wenn die Oberfläche sichtbar ist und ihre Temperatur die gesuchte Messgröße darstellt. Ohne Kontaktsensor müssen am Messobjekt weder Sensorleitungen verlegt noch geerdet oder geschirmt werden.

Grenzen treten jedoch schnell auf. Verborgene interne Punkte sind unerreichbar. Reflektierende Oberflächen, kleine Ziele und eine ungünstige Geometrie erschweren das Ablesen, und der Emissionsgrad muss für die betrachtete Oberfläche berücksichtigt werden.

Nicht jede HF-Temperatur­messung erfordert faseroptische Sensorik. Ist die Messstelle sichtbar und beantwortet die Oberflächentemperatur die Messaufgabe, kann Infrarot die passende Wahl sein.

Wenn ein faseroptischer HF-Temperatur­sensor sinnvoll ist

Faseroptische Sensorik passt, wenn mehrere dieser Bedingungen zusammen zutreffen:

• Die Umgebung ist ein starkes HF- oder elektro­magnetisches Feld.
• Leitfähige Sensorverkabelung ist an der Messstelle unerwünscht.
• Eine galvanische Trennung ist erforderlich.
• Kontaktmessung ist an einem definierten physikalischen Punkt erforderlich.
• Der Punkt ist eingebettet oder schwer zugänglich.
• Mehrere isolierte Punkte erfordern eine zentrale Erfassung.

Erfüllt ein Widerstands­thermometer, Thermoelement oder Infrarotsystem die Anforderungen bereits, besteht kein technischer Grund für einen Wechsel. Faseroptische Sensorik ist eine Option unter mehreren, nicht die Standardantwort auf jede HF-Messaufgabe.

Für elektro­magnetisch anspruchsvolle Messstellen lässt sich beispielsweise die faseroptische Temperatur­sonde für MRT- und HF-Anwendungen auf ihre Eignung für die konkrete Einbausituation prüfen.

So funktioniert die fluoreszenz­basierte faseroptische Temperatur­messung

Anregungslicht gelangt durch die optische Faser zum fluoreszierenden Sensormaterial an der Sondenspitze. Das Fluoreszenz­licht läuft durch dieselbe Faser zurück. Ein Fotodetektor im Auswertegerät erfasst den zeitlichen Abklingverlauf.

Aus diesem Verlauf bestimmt das Auswertegerät die Fluoreszenz­lebensdauer. Eine Kalibrierung ordnet ihr die Temperatur zu, da sich das Abklingverhalten des Materials temperatur­abhängig verändert. Maßgeblich ist die Abklingzeit, nicht allein die Helligkeit des Signals. Gewöhnliche Intensitätsänderungen sind daher nicht die eigentliche Messgröße.

Zwischen Sondenspitze und Auswertegerät erfolgt die Signalübertragung optisch. An der Messstelle muss kein elektrisches Messsignal erzeugt oder übertragen werden. Darauf beruht die galvanische Trennung. Die fluoreszenz­basierte faseroptische Temperatur­messung nutzt dieses Prinzip sowohl in HF-Anlagen als auch in anderen elektrisch anspruchsvollen Umgebungen.

HF- und Mikrowellen-Temperatur­messung: Gemeinsamkeiten und Unterschiede

HF- und Mikrowellenanlagen können beide starke elektro­magnetische Felder erzeugen. Aufbau, Betriebsfrequenz, Feldverteilung, Erwärmungsmechanismus und Zugänglichkeit der Messstellen unterscheiden sich jedoch. Ein Sensor, der für eine Anordnung geeignet ist, passt deshalb nicht automatisch zu einer anderen.

Für beide Anlagentypen müssen Leitungsführung, optischer Zugang und Feldbedingungen am tatsächlichen Einbauort bewertet werden. Auch innerhalb der Temperatur­überwachung von Mikrowellenanlagen kann die erforderliche Sensorposition je nach Anlagenaufbau variieren.

Bei der HF- und Mikrowellenerwärmung müssen die Sondenpositionen zu den tatsächlichen Heizzonen und den zugänglichen Messstellen passen.

Typische HF-Temperatur­messpunkte

Fluoreszenz­basierte faseroptische Sonden kommen unter anderem für folgende Messaufgaben infrage:

• HF-Heizgeräte
• Mikrowellen­heizgerät
• HF-Testvorrichtungen
• Plasmabezogene Gerätemesspunkte
• Hochspannungs-HF-Testumgebungen
• MRT- und HF-Testanordnungen, bei denen die spezifische Sonde geeignet ist
• Elektrisch isolierte Komponentenprüfung

Der tatsächliche Sondenaufbau, die Materialkompatibilität und die Installationsmethode müssen für jede Geräteumgebung bestätigt werden. Die Eignung an einem Standort überträgt sich nicht automatisch auf einen anderen.

Eine faseroptische Sonde misst einen definierten Punkt

Fluoreszenz­basierte Sensorik ist eine Punktmessung. Eine Sonde erfasst einen definierten physikalischen Punkt; ihre Messspitze muss an dieser Stelle eingebaut werden. Mehrere Messstellen benötigen mehrere Sonden und entsprechende Messkanäle.

Das Verfahren ist keine verteilte Temperatur­messung. Die Faser misst nicht kontinuierlich entlang ihrer Länge, erstellt kein Temperatur­profil und findet unbekannte Heißstellen nicht selbstständig. Ist die Heißstellenlage unbekannt, müssen die Sonden anhand der thermischen Auslegung an voraussichtlich relevanten Stellen angeordnet werden.

Für mehrere Messstellen kann beispielsweise ein faseroptischer Mehrkanal-Temperatur­transmitter eingesetzt werden. Jede Sonde wird dabei einem eigenen Messkanal zugeordnet.

Typische Kennwerte der INNO-Messkette

Typische Kennwerte hängen von Sonde und Auswertegerät ab. Die Tabelle beschreibt eine übliche INNO-Konfiguration, beispielsweise mit einer fluoreszenz­basierten faseroptischen Standard-Temperatur­sonde und einem kompatiblen Auswertegerät.

So wählen Sie einen HF-Temperatur­sensor aus

Messstelle festlegen. Soll eine Oberfläche, eine eingebettete Stelle, ein internes Bauteil, eine Vorrichtung, ein Heizelement oder eine Probe erfasst werden? Diese Festlegung grenzt die geeigneten Verfahren unmittelbar ein.

Kontaktmessung prüfen. Berücksichtigen Sie Zugänglichkeit, Sichtverbindung, Sondenbefestigung und Leitungsführung. Ohne optischen Zugang scheidet die direkte Infrarotmessung aus. Fehlt Platz für elektrische Leitungen, kann eine konventionelle Kontaktmessung schwierig werden.

Bewerten Sie die HF- oder elektro­magnetische Umgebung. Feldbedingungen, leitende Verkabelung, Erdung, Abschirmung und Anforderungen an die elektrische Isolierung haben alle Einfluss darauf, ob ein Temperatur­sensor für HF-Geräte metallische Leitungen verwenden kann.

Mess­anforderungen getrennt festlegen. Genauigkeit, Auflösung, Ansprechzeit und Wiederholbarkeit sind unterschiedliche Größen. Eine Auflösung von 0,1 °C bedeutet nicht eine Genauigkeit von 0,1 °C. Eine kurze Ansprechzeit allein garantiert keinen stabilen Messwert.

Messstellen zählen. Einzelpunkt- und Mehrpunkt­messungen erfordern unterschiedliche Sonden- und Kanalzahlen sowie passende Auswertegeräte.

Systemanbindung festlegen. Klären Sie, ob die Werte über eine geeignete RS485-/Modbus-RTU-Schnittstelle an ein Daten­erfassungs­system, eine SPS oder ein übergeordnetes System zur industriellen Temperatur­überwachung übertragen werden sollen.

Anpassen des Sensors an den HF-Messpunkt

Die Auswahl eines HF-Temperatur­sensors beginnt an der tatsächlichen Messstelle. Konventionelle Sensoren eignen sich weiterhin für viele HF-Anlagen. Infrarot bietet sich an, wenn optischer Zugang vorhanden ist und die Oberflächentemperatur benötigt wird. Die Kanalzahl folgt der Anzahl der definierten Messstellen.

Fluoreszenz­basierte faseroptische Temperatur­sensoren sind dann besonders hilfreich, wenn galvanische Trennung, eine eingebettete Kontaktmessung oder hohe elektro­magnetische Störfestigkeit erforderlich sind.

Für HF- oder Mikrowellenprojekte können Sie die vorgesehenen Messstellen, den Temperatur­bereich, die Feldbedingungen und die benötigten Kanäle mit der INNO Anwendungstechnik abstimmen. Das gilt insbesondere für Messstellen mit hohen Potenzialunterschieden oder starker elektro­magnetischer Belastung.