Die Temperatur beeinflusst die Qualität von Fleisch, Fleischwaren und anderen Lebensmitteln in jeder Phase der Prozesskette, von der Lagerung der Rohstoffe über deren Verarbeitung und Veredelung bis in die Kühltheken des Handels und die Kühlschränke der Verbraucher. Die laufende Temperaturkontrolle ist daher eine notwendige Maßnahme, um beste Produktqualität sowie Lebensmittelsicherheit zu gewährleisten. Dem Messverfahren kommt deshalb eine zentrale Bedeutung zu.
Richtig messen
EEs hängt von der Messaufgabe ab, wie eine Temperaturmessung erfolgen muss und welcher Sensortyp geeignet ist. Die Auswahl des richtigen Fühlers richtet sich nach Messbereich, Genauigkeit und messortabhängiger Bauform sowie nach Ansprechzeit und Beständigkeit. Auch die Frage, ob Kontaktmessung oder berührungsloses Messen die geeignete Methode ist, kann nur mit Blick auf die Messaufgabe beantwortet werden. So gibt es Anwendungsbereiche, bei denen eine Kontaktmessung nicht oder nur bedingt zum Ziel führt; dann ist die berührungslose Temperaturmessung mit Infrarotsystemen das Mittel der Wahl, etwa an spannungsführenden Teilen, rotierenden Maschinenkomponenten oder bei verpackten Lebensmitteln, die beim Einstechen eines Messfühlers beschädigt würden.
Für verschiedene Messaufgaben stehen diverse Sensorelemente und Temperaturmessgeräte unterschiedlichster Art zur Verfügung:
Elektrische Thermometer sind Kontaktthermometer und liefern an ihrem Ausgang ein weiterverarbeitbares Signal. Dies sowie ihre Zuverlässigkeit und Genauigkeit machen sie zu der heute am häufigsten verwendeten Messmethode. Dabei eignet sich kontaktierendes, also berührendes Messen gut für die Temperaturmessung von glatten Oberflächen mit guter Wärmeleitung, zum Beispiel zur Ermittlung von Kerntemperaturen in Flüssigkeiten und Lebensmitteln.
Für alle Anforderungen gibt es entsprechend geeignete Sensortypen und Fühlerbauformen. Bei schlechten Wärmeleitern, Papier, Putz, Textilien und organischen Stoffen hingegen ist die berührungslose Infrarotmessung angezeigt.
Elektrische Temperaturmessung Messen mit Kontakt
-Thermoelemente: Zwischen zwei Punkten eines elektrischen Leiters mit unterschiedlichen Temperaturen herrscht elektrische Spannung. Sie rührt daher, dass Elektronen im Fluss sind: Kommen zwei verschiedene Metalle mit unterschiedlichen energetischen Zuständen miteinander in Berührung, so treten Elektronen dorthin über, wo potenziell günstigere Bedingungen herrschen. Die Größe der Spannung hängt von der Temperaturdifferenz zwischen den Verbindungsstellen ab. Dieser Strom aus Temperaturdifferenz (Thermostrom) entdeckt 1821 durch den Arzt und Physiker Thomas Johann Seebeck ist als Seebeck-Effekt bekannt.
Auf der Basis dieses Effekts funktionieren die Thermoelemente in der heutigen Temperaturmessung: Es sind Thermopaare, die aus zwei punktuell miteinander verschweißten Drähten aus unterschiedlichen Metallen oder Metalllegierungen bestehen. Für die Realisierung von Thermoelementen eignen sich eine Vielzahl von Materialpaarungen, die unterschiedlichste Fühlerformen zulassen; sie lassen sich sogar walzen und in Kreuzbandfühlern zum direkten Kontakt mit dem Messobjekt verwenden. Als Temperaturmessmethode kommen Thermoelemente ohne zusätzliche Hilfsenergie aus und lassen sich in einem großen Temperaturbereich je nach Typ und Klasse von 200 °C bis +1.200 °C einsetzen. Thermoelemente zeigen sich robust gegenüber mechanischer Belastung. Sie eignen sich für den Einsatz überall dort, wo es heiße Bauteile gibt, etwa in der Metallverarbeitung mit sehr heißen Oberflächen oder bei Herdplatten, Backöfen sowie an Heizungsrohren. Hierfür eignen sich die testo-Geräte 922 und 925.
Auch in der Food-Industrie, wo höhere Temperaturbereiche abzudecken sind, kommt die Messung mit Thermoelementen zum Einsatz; Lebensmittelkontrolleure messen kritische Temperaturgrenzwerte je nach Speisenart, ihrer Lagerung und Verwendung.
-NTC-Sensoren (Thermistoren): Ebenfalls schon früh entdeckt wurde die Tatsache, dass jeder elektrische Leiter mit der Temperatur seinen elektrischen Widerstand verändert; der Widerstand wird mit steigender Temperatur kleiner. Auf der Basis der temperaturabhängigen Widerstandsänderung des Fühlerelements arbeiten die so genannten Widerstandsthermometer. Aus dieser Kategorie gibt es die NTC-Sensoren (Heißleiter), auch als Thermistoren bezeichnet, sowie die Platin-Widerstandsthermometer, auch Kaltleiter genannt.
Thermistoren sind keramische Temperatursensoren, die ihren spezifischen Widerstand mit steigender Temperatur verringern, da sie einen negativen Temperaturkoeffizienten haben. Hier sind seit den 70er Jahren robuste, relativ stabile und temperaturempfindliche Sensoren entwickelt worden, in der Standardausführung für Temperaturmessbereiche von 50 °C bis +150 °C und in der Hochtemperaturausführung bis 275 °C. Sie werden mit einer definierten Widerstands-Temperatur-Charakteristik gefertigt und leisten Messgenauigkeiten von +/0,2 °C. Auch sie finden im Food-Bereich dort Anwendung, wo es nicht unbedingt um sehr hohe Temperaturen geht. Beispielsweise gibt es ein Messgerät, das testo 926, mit dem sich Produkte im Wareneingang, im Kühlhaus oder bei der Speisenausgabe sicher überprüfen lassen.
Das universelle Temperaturmessgerät testo 110 arbeitet sehr genau und kann dort verwendet werden, wo ein großes Temperaturspektrum nicht relevant ist, vielmehr aber die Genauigkeit dies kann sowohl im Lebensmittelbereich als auch in der Industrie, im Handwerkssektor oder im Labor der Fall sein.
-Platin-100-Widerstandssensoren: Kaltleiter mit positiven Temperaturkoeffizienten verhalten sich genau umgekehrt sie erhöhen ihren spezifischen Widerstand mit steigender Temperatur. Man unterscheidet keramische-, Halbleiter- und metallische Sensoren; zu Letzteren gehören die gebräuchlichsten Platin-Widerstandsthermometer. Sie ändern ihren elektrischen Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur auf reproduzierbare Weise und verändern ihre charakteristischen Eigenschaften während der Betriebsphase nicht sie sind chemisch stabil. Der Messwiderstand wird mit einem konstanten Strom gespeist, und der Spannungsabfall, der sich mit dem Widerstandswert über der Temperatur ändert, wird gemessen.
Die Größe R0 wird als Nennwert bezeichnet und gibt den Widerstandswert bei 0 °C an. Beträgt der Nennwert beispielsweise 100 Ohm, handelt es sich um einen Pt100-Sensor. Dabei betragen die Widerstandsänderungen ungefähr 0,4 Ohm. Pt100-Sensoren arbeiten besonders präzise; unter den vorgenannten Temperaturmessmethoden sind es die mit der größten Genauigkeit. Klassisches Einsatzgebiet für die Pt100-Sensoren ist der Laborbereich über alle Branchen hinweg. Ein typisches Gerät für den praktischen Einsatz ist das testo 735; es leistet im Zusammenhang mit einem speziellen Laborfühler eine Genauigkeit von 0,05 °C das ist sehr genau und reicht in der Güte an Referenzgeräte heran. Für den Einsatz bei der Lebensmittelinspektion im Food-Bereich kommt oft das Gerät testo 112 zur Anwendung; es ist ein eichfähiges Messgerät mit einem ebenfalls eichfähigen Fühler und eignet sich wegen seiner Aussagegenauigkeit auch für gerichtliche Verwendungen.
Der richtige Fühler
Welcher Sensortyp sich für die jeweilige Messaufgabe am besten eignet, hängt wesentlich ab vom Mess-, sprich Temperaturbereich, der notwendigen Genauigkeit und der Ansprechzeit (t99-Zeit) also jener Zeitspanne, die als vergleichende Größe angegeben wird, bis ein Sensor 99 Prozent des Temperatursprunges anzeigt.
Thermoelemente sind in einem großen Messbereich bis zu hohen Temperaturen einsetzbar und mit wenigen Sekunden Ansprechzeit sehr schnell allerdings mit vergleichsweise eingeschränkter Genauigkeit. Dagegen sind Pt100-Sensoren sehr präzise, benötigen jedoch eine längere Ansprechzeit mit 20 Sekunden oder sogar mehr. Für viele Anwendungen ist ein Messbereich bis 150 oder 250 °C ausreichend das bieten moderne NTC-Sensoren, und sie sind schnell und genau.
Ebenso entscheidend bei der Auswahl ist die richtige Bauform des Fühlers. Für Messungen in Flüssigkeiten, pulvrigen Medien oder Luft eignen sich Tauchfühler. Bei plastischen oder pastösen Medien verwendet man Einstechfühler. Beide Fühler-Bauformen können auch zur Messung von Lufttemperaturen verwendet werden. Allerdings gibt es hierzu Luftfühler, bei denen der Sensor frei liegt und der somit schnellere Messungen ermöglicht. Eine weitere Kategorie sind die Oberflächenfühler. Mit planer Bauform eignen sie sich wegen der verbreiterten Messspitze für Messungen auf glatten, planen Oberflächen. Für einen optimalen Wärmeübergang und zu Vermeidung von Luftspalten wird die Verwendung einer wärmeleitenden Flüssigkeit empfohlen, etwa Silikon-Wärmeleitpaste. Zur schnellen Messung an nicht planen Oberflächen gibt es patentierte Kreuzband-Oberflächenfühler mit federndem Thermoelement-Band. Hier nimmt das Messband in wenigen Sekunden die tatsächliche Temperatur des Messobjektes an.
In allen Fällen gilt stets der Merksatz: „Gemessen wird nie die Temperatur des zu messenden Mediums, sondern nur die Temperatur des Sensors.“ Aus diesem Grund ist die anwendungsspezifische Gestaltung des Fühlers von wesentlicher Bedeutung, besonders in Bezug auf die Ansprechzeit. Neben einer Vielzahl von Standardfühlern werden oft auch Sonderlösungen appliziert.
Infrarot-Temperaturmessung berührungslos messen
Neben der berührenden ist auch die kontaktlose Temperaturmessung möglich. Während bei den berührenden Methoden die Fühler ihre eigene, dem Messobjekt angeglichene Temperatur messen, was ein relativ langsames Ansprechverhalten bedingt, messen kontaktlos arbeitende Sensoren indes die vom Messobjekt abgestrahlte Infrarotenergie das macht eine schnellere Ansprechzeit möglich.
-Wärmestrahlung: Alle Körper senden in Abhängigkeit von ihrer Temperatur elektromagnetische Wellen aus also eine Strahlung. Bei ihrer Ausbreitung wird Energie transportiert, die es ermöglicht, auf Basis der Strahlung die Temperatur des Körpers berührungslos zu messen.
Dabei sind die abgestrahlte Energie und deren charakteristische Wellenlänge vor allem von der Temperatur des strahlenden Körpers abhängig. Idealerweise nimmt ein Messobjekt alle Energie auf (Absorption) und wandelt sie in eigene Wärmestrahlung um (Emission).
In einem solchen Fall spricht man dann vom so genannten „Schwarzen Strahler“. In der Natur gibt es diese Eigenschaft fast nie vielmehr finden zusätzlich Reflexion und Transmission der Strahlung an einem beziehungsweise durch einen Körper statt.
Um deshalb in der Praxis zuverlässige Messergebnisse mit Infrarot-Messsystemen zu erzielen, ist es erforderlich, das Verhalten von Emission, Reflexion und Transmission zu erkennen oder deren Einflüsse mit geeigneten Maßnahmen zu eliminieren etwa durch Referenzmessungen mit Kontaktthermometern oder durch eine bewusste Veränderung der Messfläche, so dass sie für die Infrarot-Messtechnik einfach zu handhaben ist, beispielsweise durch Lackanstriche, mit Kleber oder Leim, durch Kunststoffüberzüge oder Papiersticker.
-Anwendungsbereiche: Die Infrarot-Messtechnik eignet sich als einfache Temperaturerfassung dank der kurzen Ansprechzeit der Sensoren besonders für schnelle, dynamische Prozesse, etwa die Messung an Getrieben, Gehäusen und Lagern kleiner und großer Motoren, sich bewegenden Teilen wie Papierbahnen oder Blechbahnen in Betrieb oder sich drehenden Reifen. Diese Messmethode übt keinerlei Einfluss auf das Messobjekt aus damit sind Messungen an empfindlichen Oberflächen, keimfreien Produkten, spannungsführenden Teilen, aggressiven Medien oder frisch lackierten Objekten ebenso durchführbar wie Messungen an gefährlichen oder schwer zugänglichen Stellen, etwa an Gegenständen im Vakuum.
Infrarot-Temperaturmessgeräte eignen sich außerdem für die Anwendung bei schlechten Wärmeleitern, etwa Keramik, Gummi oder Kunststoffen. Der Grund dafür: Ein Fühler für die kontaktbehaftete Messung kann nur dann die richtige Temperatur anzeigen, wenn er die Temperatur des Messkörpers annehmen kann. Das ist bei schlechten Wärmeleitern meist nicht der Fall, zumindest sind die Einstellzeiten dann sehr lang.
Auch für die Temperaturbestimmung an kleinen und massearmen Teilen ist die Infrarotmethode geeignet: Ein Kontaktfühler würde zu viel Wärme entziehen und somit Fehlmessungen verursachen.
Bei jeder Anwendung steht primär das Messobjekt im Vordergrund. Die Aufgabe besteht darin, die Temperatur exakt und präzise zu bestimmen. Ob Festkörper, Flüssigkeiten oder Gase jedes Messobjekt stellt sich für einen Infrarotsensor individuell und spezifisch dar; das beruht auf seiner material- und oberflächenspezifischen Gegebenheit.
Lebensmittel haben wie alle organischen Materialien gute Emissionseigenschaften und eignen sich für die Infrarot-Temperaturmessung. Ihr Emissionsgrad liegt bei etwa 0,95; dieser Wert wird in vielen Geräten fest eingegeben, um Messfehler durch (oft unbemerkt) falsch eingestellte Emissionsgrade zu vermeiden.