Hinweis: Bei den folgenden Inhalten handelt es sich um ein Projektbeispiel aus der Arbeit von GetPEC mbH. Es handelt sich um eine kundenspezifische Entwicklung, kein Standardprodukt.
Hintergrund und Aufgabenstellung
Im Rahmen von Forschungsarbeiten zu Phasenwechselprozessen und konvektivem Wärmeübergang bestand die Anforderung, Temperaturen mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung an oder nahe der Phasengrenzfläche zu messen. Konventionelle Thermoelemente mit Schweißperlen im Millimeterbereich sind für solche Aufgaben zu groß und zu träge.
GetPEC hat in Kooperation mit dem Institut für Technische Thermodynamik der TU Darmstadt miniaturisierte Thermoelemente entwickelt, die für diese anspruchsvollen Messaufgaben geeignet sind. Die Entwicklung erfolgte zunächst für experimentelle Grundlagenforschung und wurde anschließend für kundenspezifische Anwendungen weiterentwickelt.
Technischer Hintergrund
Thermoelemente bestehen aus zwei unterschiedlichen metallischen Leitern, die an ihrem Messsensor – der sogenannten Messstelle (Schweißperle) – miteinander verbunden sind. Die Ansprechzeit eines Thermoelements hängt maßgeblich von der Masse der Messstelle ab: Kleinere Schweißperlen reagieren schneller auf Temperaturänderungen.
Standard-Thermoelemente vom Typ K oder J weisen Schweißperlendurchmesser von typischerweise 0,5–2 mm auf, was Ansprechzeiten im Bereich von Sekunden ergibt. Für Messungen in turbulenten Strömungen oder an Siedefronten sind Ansprechzeiten im Millisekundenbereich erforderlich.
Entwicklungsschritte
Die Entwicklung der Mikrothermoelemente umfasste folgende Schritte:
- Sensorkonzept und Materialauswahl: Auswahl geeigneter Thermoelement-Typen (Typ K, Typ T) und Drahtdurchmesser im Bereich 25–100 µm
- Fertigungstechnik: Entwicklung eines zuverlässigen Schweiß- und Isolationsverfahrens für sehr feine Drähte
- Integration in Messaufbau: Konzeption von Halterungen und Zuleitungsführungen, die mechanische Beanspruchung minimieren
- Kalibrierung: Entwicklung eines Kalibrierverfahrens für miniaturisierte Messketten mit Unsicherheitsangabe
- Validierung: Vergleich mit Referenzmessverfahren und Literaturdaten
Technische Eckdaten (Beispielwerte)
| Parameter | Typischer Bereich |
|---|---|
| Drahtdurchmesser | 25–100 µm |
| Schweißperlendurchmesser | ca. 50–200 µm |
| Ansprechzeit (63 % in Flüssigkeit) | < 5 ms (25 µm Draht) |
| Messbereich (Typ K) | -200 °C bis +1260 °C |
| Messbereich (Typ T) | -200 °C bis +350 °C |
| Medieneignung | Flüssigkeiten, Gase |
Hinweis: Die genannten Werte sind typische Entwicklungsbeispiele. Konkrete Spezifikationen werden für jede Anwendung individuell definiert und validiert.
Kompetenzdarstellung
Dieses Projektbeispiel zeigt folgende Kernkompetenzen von GetPEC:
- Sensorentwicklung und Miniaturisierung: Herstellung und Integration von Messsensoren jenseits der Grenzen kommerzieller Standardlösungen
- Messtechnisches Systemverständnis: Ganzheitliche Betrachtung der Messkette von Sensor bis Datenerfassung
- Kalibrierung und Messunsicherheit: Wissenschaftlich belastbare Kalibrierung und transparente Unsicherheitsangaben
- Anwendungswissen: Verständnis der physikalischen Vorgänge bei Phasenwechselprozessen und schnellen Temperaturänderungen
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