In starken elektromagnetischen Feldern muss der elektrische Messkreis ausreichend gegen Störungen geschützt sein oder an der Messstelle durch einen optischen Signalweg ersetzt werden. Widerstandsthermometer und Thermoelemente bleiben in vielen Anlagen geeignet. Ihre leitfähigen Anschlüsse und kleinen elektrischen Messsignale erfordern jedoch eine abgestimmte Schirmung, Erdung und Leitungsführung.
Fluoreszenzbasierte punktförmige faseroptische Temperatursensoren nutzen einen optischen Erfassungspfad ohne elektrisches Messsignal am Sondenstandort.
Für Hochspannungs-, HF-, Mikrowellen-, Transformatorwicklungs-, Generator- und starke Magnetfeldanwendungen wird die optische Erfassung häufig in Betracht gezogen, wenn elektrische Isolierung und Widerstandsfähigkeit gegen elektromagnetische Störungen wichtig sind.
Optionen zur Temperaturmessung in starken elektromagnetischen Feldern
| Methode | Signaltyp | EMI-Empfindlichkeit | Elektrische Isolierung | Typische Verwendung |
|---|---|---|---|---|
| Faseroptischer Temperatursensor | Optisch | Sehr niedrig im optischen Pfad | Hoch | Direkte Punktmessung in elektrisch sensiblen Umgebungen |
| PT100 / RTD | Elektrischer Widerstand | Hängt von der Verkabelung und Instrumentierung ab | Hängt von der Installation ab | Industrieanlagen, Maschinen, Trockentransformatorüberwachung |
| Thermoelement | Niedrige elektrische Spannung | Hängt von der Abschirmung und Verkabelung ab | Hängt von der Installation ab | Industrielle Prozess- und Hochtemperaturmessung |
| Infrarot | Optisch / berührungslos | Nicht beeinträchtigt durch leitungsgebundenes elektrisches Rauschen am Erfassungspunkt | Ja | Begehbare Oberflächenmessung |
| Thermisches Modell | Berechnet | Kein physischer Punktsensor | N/A | Geschätzte Gerätetemperatur |
Warum starke elektromagnetische Felder die Temperaturmessung beeinflussen können
EMI verändert nicht nur die physikalische Temperatur – sie wirkt sich hauptsächlich auf das elektrische Sensorsignal, die Verkabelung, die Datenerfassung, die Erdung und die Signalaufbereitung aus.
Zu den häufigsten Störquellen gehören Hochstrom, Schaltgeräte, Transformatoren, Generatoren, Motoren, Sammelschienen, HF-Sender, Mikrowellensysteme und Hochspannungsprüfgeräte.
Zu den Auswirkungen können instabile Messwerte, induziertes Rauschen, Messdrift und Kommunikationsstörungen gehören. In diesen Umgebungen versagen nicht alle elektrischen Sensoren – das Ergebnis hängt davon ab, wie die Messschleife gestaltet ist.
Methode 1: faseroptische Temperaturmessung
Die faseroptische Temperaturmessung nutzt einen optischen Pfad zwischen dem Messpunkt und dem Auswertegerät. Zu den Hauptmerkmalen gehören kein elektrisches Signal am Erfassungspunkt, eine nicht leitende optische Faser, elektrische Isolierung und EMI-/RFI-Störfestigkeit entlang des Erfassungspfads – wodurch es für Punktmessungen an elektrisch empfindlichen Orten geeignet ist.
| Parameter | Typischer Wert |
|---|---|
| Temperaturbereich | -40 bis 260 °C |
| Genauigkeit | ±0,5 bis ±1 °C |
| Reaktionszeit | <1 s |
| Sondendurchmesser | Ungefähr 2–3 mm |
| Faserlänge | Konfiguriert nach Installationsabstand |
Genaue Spezifikationen hängen von der Sondenkonfiguration ab.
Methode 2: PT100 / RTD-Messung
PT100-Sensoren werden häufig in Elektro- und Industriegeräten eingesetzt und bieten eine vertraute Industrieschnittstelle, umfassende Unterstützung durch SPS und Temperaturregler, Eignung für viele herkömmliche Installationen und eine Reihe verfügbarer Sondenkonstruktionen.
In EMI-Umgebungen umfassen Überlegungen die Leitungsführung, Abschirmung, Erdung, 3-Draht- oder 4-Draht-Anordnungen, Instrumenteneingangsdesign und ggf. Isolierung.
PT100 kann in elektrisch verrauschten Umgebungen eingesetzt werden, die gesamte elektrische Messschleife muss jedoch korrekt ausgelegt sein.
Methode 3: Thermoelementmessung
Thermoelemente werden häufig dort eingesetzt, wo ein breiter Temperaturbereich, Hochtemperaturfähigkeit und industrielle Prozessmessung wichtig sind.
In Umgebungen mit starker elektromagnetischer Strahlung sind unter anderem das thermoelektrische Signal mit niedrigem Pegel, die Auswahl des Verlängerungskabels, die Abschirmung, die Erdung, die Kabelführung und die Signalaufbereitung zu berücksichtigen.
Thermoelemente können effektiv sein, wenn die elektrische Installation und das Erfassungssystem auf die Umgebung ausgelegt sind.
Methode 4: Infrarot- und berührungslose Temperaturmessung
Die Infrarotmessung vermeidet direkten elektrischen Kontakt mit dem Ziel und eignet sich daher für zugängliche Oberflächen wie Sammelschienenoberflächen, Klemmen, Maschinenoberflächen und offene Geräte.
Zu den Einschränkungen gehören die Notwendigkeit einer Sichtverbindung, die auf die Oberflächentemperatur beschränkte Messung, die Unfähigkeit, die Temperaturen der inneren Wicklung direkt zu sehen, und die Empfindlichkeit gegenüber Emissionsgrad und Oberflächenzustand.
Wenn die faseroptische Temperaturmessung besonders nützlich ist
Transformatorwicklungen
Direkte Punktmessung im Inneren elektrisch beanspruchter Wicklungsstrukturen.
Generator- und Motorwicklungen
Nützlich, wenn starke elektromagnetische Felder Stator- oder Wicklungsmesspunkte umgeben.
Hochspannungsprüfgeräte
Bietet einen elektrisch isolierten Pfad zwischen dem Erfassungspunkt und dem Auswertegerät.
HF-Ausrüstung
Vermeidet leitfähige Sensorverkabelung am Messort.
Mikrowellenerwärmung
Nützlich für die Messung ausgewählter Punkte innerhalb oder in der Nähe von Mikrowellenenergiefeldern.
MRT und starke Magnetfelder
Nichtleitende und nichtmetallische Sondenoptionen können die Temperaturmessung in stark magnetischen Umgebungen unterstützen.
So wählen Sie einen Temperatursensor für eine Umgebung mit hoher elektromagnetischer Strahlung aus
| Auswahlfaktor | Was Sie überprüfen sollten | Auswahlrichtung |
|---|---|---|
| Temperaturbereich | Erwartete Mindest- und Höchsttemperatur | Passen Sie die Sonden-/Sensorkonstruktion an den Bereich an |
| Elektrische Isolierung | Ist der Messpunkt unter Spannung oder liegt in der Nähe Hochspannung? | Erwägen Sie einen optischen Erfassungspfad, wenn eine leitende Signalverkabelung unerwünscht ist |
| Feldstärke / EMI-Pegel | Befindet sich der Sensor in einem HF-, Mikrowellen- oder starken Magnetfeld? | Bevorzugen Sie eine Erfassungsmethode, die nicht von der Übertragung schwacher elektrischer Signale abhängig ist |
| Sondengröße | Verfügbarer Platz am Erfassungspunkt | Wählen Sie eine Sondengeometrie aus, die zum Standort passt |
| Messort | Intern, extern, zugänglich oder geschlossen | Bestimmt, ob kontaktbehaftete oder berührungslose Erkennung angewendet wird |
| Kabel-/Glasfaser-Routing | Entfernung und Weg vom Erfassungspunkt zum Instrument | Planen Sie die tatsächliche Route, nicht die Luftlinie |
| Anzahl der Erfassungspunkte | Wie viele Standorte müssen überwacht werden | Bestimmen Sie die Kanalanzahl und die Instrumentenarchitektur |
| Auswertegerät | Kompatibilität mit Sensortyp | Bestätigen Sie den vom Instrument unterstützten Eingabetyp |
| Erforderliche Ausgabe | RS485, Modbus, 4–20 mA, Relais, Display | Passen Sie die Instrumentenausgabe an die Anforderungen des Steuerungssystems an |
Sondenplatzierung und -führung in elektromagnetischen Umgebungen
Bei der Installationsplanung sollten der Erfassungspunkt, der Sondensitz, die Faser- oder Kabelroute, der Abstand zum Instrument, der mechanische Schutz, die Durchführung, der Biegeradius und gegebenenfalls die Trennung von Stromleitern berücksichtigt werden.
Für viele Geräteinstallationen sind 3–5 m eine praktische Anfangsfaserlänge, obwohl die endgültige Länge der tatsächlichen Route folgen sollte. Wählen Sie die Länge nicht nur aus der geradlinigen Entfernung aus.
Einzelpunkt- oder Mehrpunkt-Temperaturüberwachung
Eine Punktsonde misst einen definierten Ort. Für mehrere Messpunkte werden mehrere Sonden und Kanäle an ein Mehrkanal-Überwachungsgerät angeschlossen.
| Anwendung | Typische Überwachungslogik |
|---|---|
| Transformator | Mehrere Wicklungspunkte zu einem Mehrkanalinstrument |
| Generator | Ausgewählte Stator-/Wicklungspunkte über Phasen hinweg |
| Schaltanlagen | Wichtige Verbindungspunkte pro Schrank oder Paneel |
| Sammelschiene | Ausgewählte Verbindungs- oder Verbindungsstellen |
| Prüfstand | Durch das Testobjekt und die Prozedur definierte Punkte |
| Mikrowellenausrüstung | Punkte innerhalb oder in der Nähe des Energiefeldes |
| Hochspannungslabor | Punkte auf oder in der Nähe des Testobjekts |
Wie Temperaturdaten SPS oder SCADA erreichen
Der typische Signalpfad ist: Sensor / Sonde → Auswertegerät → Kommunikation oder Analogausgang → SPS / SCADA.
Je nach ausgewähltem Auswertegerät umfassen die allgemeinen Ausgänge RS485, Modbus RTU, 4–20 mA, Alarmrelais und lokale Anzeige.
Passen Sie den Sensor an das Feld und den Messort an
| Anwendung | Glasfaser | PT100 | Thermoelement | Infrarot | Hauptüberlegung |
|---|---|---|---|---|---|
| Transformatorwicklung | Oft bevorzugt | Hängt von der Installation ab | Hängt von der Installation ab | Nur Oberflächenmessung | Potentiale Trennung an der Wicklung |
| Trockentransformator | Oft bevorzugt | Allgemeine Option | Hängt von der Installation ab | Nur Oberflächenmessung | EMI-Pegel und Spannungsnähe |
| Generatorstator | Oft bevorzugt | Allgemeine Option | Hängt von der Installation ab | Nur Oberflächenmessung | Starkes elektromagnetisches Feld |
| Schaltanlagen | Allgemeine Option | Allgemeine Option | Allgemeine Option | Anwendungsspezifisch | Nähe zu unter Spannung stehenden Teilen |
| Sammelschienenanschluss | Oft bevorzugt | Hängt von der Installation ab | Hängt von der Installation ab | Anwendungsspezifisch | Hohe Strom-/Spannungsnähe |
| HF-Ausrüstung | Oft bevorzugt | Hängt von der Installation ab | Hängt von der Installation ab | Nur Oberflächenmessung | Nichtleitender Erfassungspfad |
| Mikrowellenerwärmung | Oft bevorzugt | Hängt von der Installation ab | Hängt von der Installation ab | Nur Oberflächenmessung | Feldinteraktion mit konduktiven Sensoren |
| MRT | Oft bevorzugt | Hängt von der Installation ab | Hängt von der Installation ab | Anwendungsspezifisch | Starke Magnetfeldkompatibilität |
| Hochspannungsprüfung | Oft bevorzugt | Hängt von der Installation ab | Hängt von der Installation ab | Anwendungsspezifisch | Isolation vom Testobjekt |
| Industriemaschinen | Hängt von der Installation ab | Allgemeine Option | Allgemeine Option | Anwendungsspezifisch | Machbarkeit herkömmlicher Verkabelung |
| Laborprüfstand | Allgemeine Option | Allgemeine Option | Allgemeine Option | Anwendungsspezifisch | Flexibilität und vorhandenes Setup |
Typische Auswahlbeispiele
Transformatorwicklung
Wichtige Überlegungen: direkte Innentemperatur, elektrische Isolierung, Sondendurchmesser, Faserführung, Anzahl der Punkte und Mehrkanalüberwachung.
Generatorstator
Wichtige Überlegungen: starkes elektromagnetisches Feld, Sondenplatzierung, Anzahl der Wicklungsorte, Faserroute und Überwachungskanäle.
Schaltanlage / Sammelschiene
Wichtige Überlegungen: Anschlusspunkttemperatur, Sensorbefestigung, Schrankführung, Mehrpunktüberwachung und SPS/SCADA-Ausgabe.
HF-/Mikrowellenausrüstung
Wichtige Überlegungen: nichtleitende Messung, Sondenmaterial, Temperaturbereich, Faserroute außerhalb des Feldes und Gerätestandort.
Hochspannungstestlabor
Wichtige Überlegungen: Isolierung, Testobjekt, Sondengröße, Faserlänge, sicherer Gerätestandort und Ausgangsanforderungen.
Checkliste zur Temperaturmessung bei starken elektromagnetischen Feldern
- Was ist der Temperaturbereich?
- Wo ist der eigentliche Erfassungspunkt?
- Ist der Punkt unter Spannung?
- Ist eine starke EMI/RFI vorhanden?
- Ist HF- oder Mikrowellenenergie vorhanden?
- Ist ein starkes Magnetfeld vorhanden?
- Ist ein konduktiver Sensor akzeptabel?
- Wie viel Platz steht für die Sonde zur Verfügung?
- Welche Routingentfernung ist erforderlich?
- Wie viele Temperaturpunkte müssen überwacht werden?
- Ist eine lokale Anzeige erforderlich?
- Ist RS485 / Modbus erforderlich?
- Sind 4–20 mA erforderlich?
- Sind Alarmrelaisausgänge erforderlich?
- Ist eine SPS-/SCADA-Integration erforderlich?
Häufige Missverständnisse über die Temperaturmessung in starken elektromagnetischen Feldern
„Jeder elektrische Temperatursensor versagt in einem starken elektromagnetischen Feld.“ Falsch. Elektrische Sensoren können funktionieren, wenn Verkabelung, Abschirmung, Erdung und Instrumentierung richtig ausgelegt sind.
„Faseroptische Sensoren sind nur für Transformatoren geeignet.“ Sie werden auch in Generatoren, HF-, Mikrowellen-, MRT-, Hochspannungstests und anderen elektrisch empfindlichen Umgebungen verwendet.
„EMI verändert den tatsächlichen Temperaturmesswert am Sensor.“ Das Problem liegt häufig eher in Signalstörungen als in einer Änderung der physikalischen Temperatur selbst.
„Infrarot kann interne Temperatursensoren ersetzen.“ Infrarot ist nützlich für zugängliche Oberflächen, kann jedoch ohne Sichtverbindung keine verborgenen internen Punkte messen.
„Ein Sensortyp ist für jede Anwendung mit hoher EMI geeignet.“ Temperaturbereich, Sondengeometrie, elektrische Isolierung und Überwachungsarchitektur müssen noch berücksichtigt werden.