Was ist thermische Überwachung?

Die Temperatur ist ein grundlegender Indikator dafür, wie Geräte und Prozesse funktionieren. Übermäßige Hitze kann auf Reibung durch verschlissene Teile, überlastete Komponenten oder ausgefallene Kühlsysteme hinweisen, während ungewöhnlich niedrige Temperaturen auf Ineffizienzen oder Probleme bei Kälte- oder Kryoprozessen hindeuten können. Durch die kontinuierliche Überwachung von Temperaturtrends erhalten Teams wertvolle Einblicke in den Zustand von Hardwareprodukten – was eine proaktive Wartung ermöglicht, die Produktqualität sichert und eine sicherere Arbeitsumgebung fördert.

^{Abbildung 1: Temperatursensor}

Zur Temperaturüberwachung werden häufig verschiedene Sensortypen eingesetzt:

• Thermoelemente—Diese Sensoren nutzen den Seebeck-Effekt. Wenn zwei Drähte aus unterschiedlichen Metallen an einem Ende (Messstelle) verbunden sind, erzeugt die Temperaturdifferenz zwischen dieser Messstelle und dem anderen Ende (Referenzstelle) eine Spannung. Diese Spannung ist proportional zur Temperaturdifferenz und hängt von den verwendeten Metallen ab (Beispiele: Typen K, J, T, E). Thermoelemente sind robust, kostengünstig und decken weite Temperaturbereiche ab, benötigen jedoch eine Referenzstellenkompensation, auch Kaltstellenkompensation (CJC) genannt.
• Widerstandstemperaturfühler (RTDs)—RTDs basieren auf dem Prinzip, dass der elektrische Widerstand eines Metalls sich vorhersehbar mit der Temperatur ändert. Sie verwenden typischerweise einen feinen Draht (oft Platin wegen dessen Stabilität und Linearität), der um einen Keramik- oder Glaskern gewickelt ist. RTDs bieten hohe Genauigkeit und Stabilität in moderaten Temperaturbereichen, sind in der Regel teurer und erfordern einen Erregerstrom zur Widerstandsmessung.
• Thermistoren—Dies sind Halbleiterbauelemente, deren Widerstand sich mit der Temperatur ändert. Es gibt zwei Arten: Thermistoren mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC) verringern ihren Widerstand bei steigender Temperatur, während Thermistoren mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) bei steigender Temperatur ihren Widerstand erhöhen. Thermistoren sind sehr sensitiv, ideal zur Erkennung kleiner Temperaturänderungen und relativ kostengünstig. Sie haben jedoch einen begrenzten Temperaturbereich und eine nichtlineare Kennlinie im Vergleich zu RTDs, was die Dateninterpretation erschweren kann. Sie benötigen ebenfalls einen Erregerstrom.

^{Abbildung 2: Drahtloser thermischer Überwachungsprozess}

Komponenten und Prozesse zeigen unter Normalbetrieb charakteristische thermische Signaturen. Abweichungen von diesen erwarteten Temperaturen können auf bevorstehende Probleme hinweisen. Thermische Überwachungssysteme nutzen Sensoren, Datenerfassungs-Hardware und spezialisierte Analyse-Software wie NI LabVIEW, um Temperaturdaten zu erfassen, umzuwandeln und zu analysieren. Auf Basis der Analyse können Wartungen geplant oder Prozesse angepasst werden, bevor Probleme eskalieren. Verschiedene Systemkonfigurationen ermöglichen die Datenerfassung, darunter kontinuierliche Online-Überwachung über kabelgebundene und drahtlose Systeme sowie Offline-Überwachung.  

• Verdrahtete Online-Überwachung – Sensoren sind über Kabel mit einem DAQ-Gerät und Computer verbunden. Diese Konfiguration bietet hohe Zuverlässigkeit, Echtzeitdaten und geringere Anfälligkeit für Störungen. Die Installation kann jedoch komplex sein, Kabel können beschädigt werden, und das erneute Bereitstellung der Sensoren kann eine Neuverdrahtung erfordern.
• Drahtlose Online-Überwachung—Sensoren übertragen Temperaturdaten drahtlos an ein Gateway oder DAQ-Gerät. Diese Lösung erlaubt die Platzierung an schwer zugänglichen oder gefährlichen Orten ohne umfangreiche Verkabelung. Bedenken betreffen hierbei Akkulaufzeit, drahtlose Sicherheit sowie potenzielle Einschränkungen der Signalreichweite oder Störungen.
• Periodische (Offline-)Überwachung – Ein Techniker misst periodisch Temperaturen an verschiedenen Stellen mit einem tragbaren Gerät. Diese Methode bietet Flexibilität, ist jedoch nicht kontinuierlich, erfordert manuelle Kontrollen und kann Personal in die Nähe von laufenden Maschinen bringen.

Die Interpretation thermischer Daten umfasst die Auswertung der von Sensoren erfassten Temperaturinformationen, oftmals mit spezialisierter Software. Analysemethoden mit Werkzeugen wie NI DIAdem reichen von einfachen Schwellwertvergleichen über Trendanalysen bis hin zu komplexen thermischen Modellen oder bildgebenden Analysen. Mögliche Warnzeichen wie plötzliche Temperaturanstiege, Abweichungen vom erwarteten Profil oder inkonsistente Messwerte können für eine menschliche Überprüfung markiert werden. Thermische Überwachungssysteme können auch so konfiguriert werden, dass sie automatisierte Aktionen auslösen, wie das Aktivieren von Kühlsystemen, das Drosseln der Last, das Auslösen von Alarmen oder das Abschalten von Geräten, wenn kritische Temperaturschwellen überschritten werden.

Thermische Überwachung wird in vielen Branchen in Fabrikhallen, in Verarbeitungsanlagen und im Einrichtungensmanagement eingesetzt. Häufige Anwendungen umfassen die Überwachung der folgenden Gerätetypen oder Prozesse:

• Lager und Getriebe
• Motoren und Generatoren
• Motoren und Turbinen
• Pumpen und Kompressoren
• Elektronische Komponente und Schaltschränke
• Prozessflüssigkeiten und Rohrleitungen
• HLK-Systeme
• Öfen und Backöfen
• Serverräume und Rechenzentren
• Materialhärtungsprozesse

Die Temperaturmessung ist grundlegend für das Design, die Validierung und Verifizierung neuer Produkte und Materialien, z. B. beim Testen von Elektronik unter Last, bei thermischen Zyklustests von Motorkomponenten oder beim thermischen Verhalten von Batterien beim Laden und Entladen. Ingenieure verwenden Werkzeuge wie NI TestStand, um Sequenzen zu automatisieren, sicherzustellen, dass Komponenten zuverlässig in vorgegebenen Temperaturbereichen arbeiten, die Effektivität von Thermomanagementsystemen zu bestätigen und das Materialverhalten unter thermischer Belastung zu verstehen.  

Die thermische Überwachung bietet folgende wesentliche Vorteile:

• Verringerung ungeplanter Ausfallzeiten durch Überhitzung oder thermische Schäden
• Kostenreduktion durch vorausschauende Wartung und optimierten Energieverbrauch
• Erhöhung der Sicherheit durch Vermeidung von Bränden oder Gefahrgutunfällen
• Verlängerung der Lebensdauer von Maschinen durch Betrieb innerhalb optimaler Temperaturbereiche
• Verbesserung der Prozesssteuerung und Produktqualität durch Temperaturoptimierung

NI Temperaturmessmodule verfügen über integrierte Signalaufbereitung, die für präzise Messungen unerlässlich ist, einschließlich CJC für Thermoelemente, Erregung für RTDs und Thermistoren sowie Filterung und Verstärkung. Unsere Softwareprodukte wie NI LabVIEW, NI FlexLogger™ und NI DIAdem ermöglichen es Anwendern, Temperaturdaten zu erfassen, zu analysieren, zu visualisieren und zu berichten, wodurch umfassende thermische Überwachungslösungen entstehen.  

NI-Lösungen für die thermische Überwachung bieten gegenüber anderen Ansätzen mehrere Vorteile:

• Unsere langjährige Erfahrung mit Messungen in zahlreichen Anwendungen bedeutet, dass Messwerte mit NI-Geräten qualitativ hochwertiger sind als mit speziell für Zustandsüberwachung entwickelter Hardware. NI-Produkte sind genauer, verfügen über stabileres Timing und liefern zuverlässigere Messungen.
• NI-Plattformen basieren auf einem modularen Konzept, wodurch Systeme effizienter zu entwerfen und während der gesamten Lebensdauer einfacher zu warten sind. Im Gegensatz zu Systemen mit fester Konfiguration können Sie Systeme einfach durch Hinzufügen von Modulen erweitern, um neue Kanäle oder Messgrößen zu erhalten.
• Hochgeschwindigkeitssysteme von NI können alle Daten erfassen, nicht nur periodische Bursts. Das bedeutet, Sie können Ereignisse aufzeichnen, die andere Systeme übersehen.