Einleitung

In der industriellen Instandhaltung, Anlagenprüfung, Labormesstechnik und HLK-Technik müssen häufig Temperaturen an Rohrleitungen, Metalloberflächen, Flüssigkeiten, Luft oder innerhalb von Geräten direkt gemessen werden. Anders als ein Infrarotthermometer, das die von einer Oberfläche abgegebene Infrarotstrahlung auswertet, arbeitet ein Thermoelement-Thermometer in der Regel mit einem Fühler, der thermischen Kontakt zum Messobjekt hat.

Das Thermoelement-Thermometer zählt zu den weit verbreiteten elektronischen Temperaturmessgeräten. Das eigentliche Sensorelement ist ein Thermoelement, das eine Temperaturdifferenz in eine sehr kleine elektrische Spannung umwandelt. Das Messgerät verarbeitet dieses Signal, führt eine Kaltstellenkompensation durch und berechnet daraus den Temperaturwert.

Durch den großen Temperaturbereich, die schnelle Reaktion und die Vielzahl verfügbarer Fühlerbauformen eignen sich Thermoelement-Thermometer besonders für Anwendungen, bei denen unterschiedliche Messstellen und Temperaturbereiche abgedeckt werden müssen.

Das Wichtigste auf einen Blick

● Ein Thermoelement-Thermometer ist ein Kontaktmessgerät, das ein Thermoelement als Temperatursensor verwendet.
● Ein Thermoelement erzeugt eine Thermospannung, die von der Temperaturdifferenz zwischen Messstelle und Vergleichsstelle abhängt.
● Ein typisches System besteht aus Thermoelementfühler, Eingang, Signalaufbereitung, Kaltstellenkompensation, Linearisierung und Anzeige.
● Typ K gehört zu den am häufigsten verwendeten Thermoelementtypen, während andere Typen für unterschiedliche Temperaturbereiche und Anwendungen ausgelegt sind.
● Je nach Aufgabe können Oberflächen-, Luft-, Gas-, Tauch-, Einstich- oder Hochtemperaturfühler eingesetzt werden.
● Die Messgenauigkeit wird nicht nur vom Messgerät bestimmt, sondern auch von Fühlergenauigkeit, thermischem Kontakt, Kaltstellenkompensation, Umgebungseinflüssen und Ansprechzeit.

Was ist ein Thermoelement-Thermometer?

Ein Thermoelement-Thermometer ist ein Temperaturmessgerät, das einen Thermoelementfühler verwendet und den ermittelten Temperaturwert digital oder über eine andere Anzeige ausgibt.

Ein Thermoelement besteht aus zwei unterschiedlichen Metallen oder Legierungen, die an der Messstelle miteinander verbunden sind. Besteht zwischen Messstelle und Vergleichsstelle eine Temperaturdifferenz, entsteht eine Thermospannung. Das Messgerät erfasst diese sehr kleine Spannung und berechnet anhand der Kennlinie des gewählten Thermoelementtyps die entsprechende Temperatur.

Genau genommen misst ein Thermoelement-Thermometer die Temperatur also nicht unmittelbar. Zunächst wird die vom Thermoelement erzeugte Spannung erfasst und anschließend durch elektronische Signalverarbeitung und Berechnung in einen Temperaturwert umgewandelt.

Moderne digitale Geräte zeigen die Temperatur üblicherweise direkt in Grad Celsius oder Fahrenheit an. Je nach Ausführung können zusätzliche Funktionen wie Zweikanalmessung, Differenztemperatur, MIN/MAX-Erfassung, Data Hold oder Datenaufzeichnung vorhanden sein.

Aus welchen Komponenten besteht ein Thermoelement-Thermometer?

Ein typisches Thermoelement-Messsystem besteht im Wesentlichen aus dem Thermoelementfühler und dem eigentlichen Messgerät.

● Thermoelementfühler: Erfasst die Temperatur direkt am Messobjekt oder in der zu messenden Umgebung.
● Thermoelementeingang: Verbindet den Fühler mit dem Messgerät und muss zum verwendeten Thermoelementtyp passen.
● Signalaufbereitung: Erfasst die sehr kleinen Ausgangssignale im Mikrovolt- oder Millivoltbereich.
● Kaltstellenkompensation: Kompensiert die Temperatur an der Vergleichsstelle und ist für eine korrekte Temperaturberechnung erforderlich.
● Linearisierung und Berechnung: Wandelt die Thermospannung anhand der Kennlinie des jeweiligen Thermoelementtyps in Temperatur um.
● Anzeige: Stellt den berechneten Messwert dar.
● Bedien- und Zusatzfunktionen: Je nach Gerät beispielsweise Einheitenauswahl, Data Hold, MIN/MAX, Alarm oder Datenlogging.

Professionelle Geräte können zwei oder mehr Eingangskanäle besitzen, sodass mehrere Fühler gleichzeitig angeschlossen und Temperaturen direkt miteinander verglichen werden können.

Warum kann ein Thermoelement Temperatur messen?

Die Temperaturmessung mit Thermoelementen basiert auf dem Seebeck-Effekt.

Werden zwei unterschiedliche elektrische Leiter zu einem Stromkreis verbunden und befinden sich die Verbindungsstellen auf unterschiedlichen Temperaturen, entsteht eine Thermospannung. Ihre Höhe hängt von den verwendeten Materialien und der Temperaturdifferenz ab.

Das Messgerät erfasst diese Spannung und berechnet mithilfe der Kennlinie des gewählten Thermoelementtyps die Temperatur.

Da das Signal eines Thermoelements sehr klein ist, benötigt das Messgerät eine empfindliche und stabile Signalverarbeitung. Zusätzlich bezieht sich die Thermospannung grundsätzlich auf die Temperaturdifferenz zwischen Messstelle und Vergleichsstelle. Deshalb ist eine Kaltstellenkompensation notwendig.

Aus diesem Grund können selbst bei Verwendung desselben Fühlers Unterschiede bei Kaltstellenkompensation, Elektronik und Signalverarbeitung zu unterschiedlichen Messergebnissen führen.

Was ist ein Thermoelementfühler?

Der Thermoelementfühler ist der Teil des Messsystems, der die Temperatur unmittelbar erfasst.

Für unterschiedliche Messaufgaben stehen verschiedene Bauformen zur Verfügung.

● Oberflächenfühler: Für Rohrleitungen, Metallflächen, Gehäuse und Maschinenoberflächen.
● Luft- und Gasfühler: Für Luft, Lüftungskanäle und gasförmige Medien.
● Tauchfühler: Für Wasser, Öl und andere Flüssigkeiten.
● Einstichfühler: Für Lebensmittel, weiche Materialien und andere durchdringbare Messobjekte.
● Hochtemperaturfühler: Für Öfen, Abgassysteme, Heizeinrichtungen und andere Hochtemperaturanwendungen.
● Flexible Draht-Thermoelemente: Für beengte Einbausituationen oder temporäre Messungen.

Bei der Auswahl eines Thermoelement-Thermometers sollten daher nicht nur die technischen Daten des Messgeräts berücksichtigt werden. Ebenso wichtig ist die passende Fühlerausführung.

Welche Thermoelementtypen sind gebräuchlich?

Thermoelemente werden nach den verwendeten Metall- oder Legierungskombinationen unterschieden. Häufig verwendet werden die Typen K, J, T, E und N. Für höhere Temperaturen kommen unter anderem die Typen R, S und B zum Einsatz.

● Typ K: Einer der am häufigsten verwendeten Typen mit großem Einsatzbereich, beispielsweise für industrielle Instandhaltung, HLK und allgemeine Temperaturmessungen.
● Typ J: Wird häufig in bestimmten industriellen Prozessen und mittleren Temperaturbereichen eingesetzt.
● Typ T: Typisch für niedrige und mittlere Temperaturen.
● Typ E: Liefert eine vergleichsweise hohe Thermospannung und wird für bestimmte präzise Temperaturmessungen eingesetzt.
● Typ N: Zeichnet sich bei erhöhten Temperaturen durch gute Stabilität aus.
● Typ R, S und B: Werden vor allem für Hochtemperaturmessungen in Industrie und Spezialanwendungen verwendet.

Da sich Materialien, Empfindlichkeit, Temperaturbereich und Einsatzbedingungen unterscheiden, muss das Messgerät den angeschlossenen Thermoelementtyp unterstützen.

Wird am Messgerät ein falscher Thermoelementtyp eingestellt, kann der angezeigte Temperaturwert deutlich vom tatsächlichen Wert abweichen.

Was kann mit einem Thermoelement-Thermometer gemessen werden?

Mit dem passenden Fühler lassen sich sehr unterschiedliche Messobjekte und Umgebungen erfassen.

● Oberflächentemperaturen industrieller Anlagen.
● Motoren, Lager und Getriebe.
● Zuluft, Abluft und Luftkanäle in HLK-Anlagen.
● Kühl- und Kälteanlagen.
● Kessel, Heizgeräte und Hochtemperaturanlagen.
● Rohrleitungen und Wärmetauscher.
● Wasser, Öl und andere Flüssigkeiten.
● Kerntemperatur von Lebensmitteln.
● Laborproben und Prüfgeräte.
● Elektronische Bauteile und Kühlkörper.
● Formen, Metallteile und Produktionsanlagen.

Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Infrarotthermometer, das primär Oberflächentemperaturen misst, können mit geeigneten Thermoelementfühlern auch Innen-, Flüssigkeits- und Lufttemperaturen erfasst werden.

Welche Vorteile bietet ein Thermoelement-Thermometer?

Thermoelement-Thermometer werden häufig eingesetzt, weil sie einen guten Kompromiss zwischen Temperaturbereich, Fühlerflexibilität und Praxistauglichkeit bieten.

● Großer Messbereich: Verschiedene Thermoelementtypen decken niedrige bis hohe Temperaturen ab.
● Schnelle Reaktionszeit: Dünne oder frei liegende Messstellen können Temperaturänderungen schnell erfassen.
● Große Fühlerauswahl: Für Oberflächen, Luft, Flüssigkeiten, Einstichmessungen und Spezialanwendungen stehen unterschiedliche Ausführungen zur Verfügung.
● Bewährtes Messprinzip: Thermoelemente sind robust und für viele industrielle Einsatzbedingungen geeignet.
● Geeignet für Kontaktmessungen: Die Messung hängt nicht direkt vom Emissionsgrad der Oberfläche ab.
● Mehrpunktmessung möglich: Zwei- oder Mehrkanalgeräte können mehrere Messstellen gleichzeitig überwachen.

Die erreichbare Genauigkeit ist dennoch von Fühler, Montage, Kontaktbedingungen und Gerätequalität abhängig.

Was ist der Unterschied zwischen Thermoelement-Thermometer und Infrarotthermometer?

Beide Geräte messen Temperatur, arbeiten jedoch nach unterschiedlichen Prinzipien.

Ein Thermoelement-Thermometer arbeitet kontaktbasiert. Der Fühler muss die Oberfläche berühren, in ein Medium eingetaucht oder in die Messumgebung eingebracht werden.

Ein Infrarotthermometer arbeitet berührungslos und bestimmt die Oberflächentemperatur anhand der vom Zielobjekt abgegebenen Infrarotstrahlung.

● Thermoelemente können Oberflächen-, Innen-, Flüssigkeits- und Lufttemperaturen messen.
● Infrarotthermometer messen hauptsächlich Oberflächentemperaturen.
● Kontaktmessungen benötigen normalerweise eine gewisse Stabilisierungszeit.
● Infrarotthermometer ermöglichen schnelle Messungen ohne Berührung.
● Bei Thermoelementen ist in der Regel keine Emissionsgradeinstellung der Oberfläche erforderlich.
● Infrarotmessungen können durch Emissionsgrad, Messabstand, Messfleckgröße und reflektierte Hintergrundstrahlung beeinflusst werden.

Keine der beiden Methoden ist grundsätzlich besser. Entscheidend ist die jeweilige Messaufgabe.

Wovon hängt die Messgenauigkeit ab?

Die Gesamtmessabweichung eines Thermoelement-Thermometers ergibt sich normalerweise aus mehreren Einflussgrößen.

● Genauigkeit des Messgeräts: Signalaufbereitung, Elektronik, digitale Verarbeitung und Kaltstellenkompensation beeinflussen das Ergebnis.
● Genauigkeit des Fühlers: Thermoelemente besitzen abhängig von Ausführung und Qualität eigene Toleranzen.
● Thermischer Kontakt: Unzureichender Kontakt kann insbesondere bei Oberflächenmessungen deutliche Abweichungen verursachen.
● Ansprechzeit: Bei sich ändernder Temperatur kann ein noch nicht thermisch stabilisierter Fühler einen Zwischenwert anzeigen.
● Umgebungstemperatur: Nach einem starken Wechsel der Umgebungstemperatur benötigt die Kaltstellenkompensation möglicherweise Zeit zur Stabilisierung.
● Leitungen und Steckverbinder: Falsche Verlängerungs- oder Ausgleichsleitungen können zusätzliche Fehler verursachen.
● Fühlermontage: Unzureichende Eintauchtiefe, starke Luftbeeinflussung oder nahe Wärmequellen können das Ergebnis verändern.

Zuverlässige Temperaturmessungen hängen deshalb nicht nur von den Gerätespezifikationen, sondern auch von der korrekten Messmethode ab.

Wie verwendet man ein Thermoelement-Thermometer richtig?

Für zuverlässige Ergebnisse müssen sowohl Geräteeinstellung als auch Fühlerposition berücksichtigt werden.

● Prüfen, ob das Messgerät den verwendeten Thermoelementtyp unterstützt.
● Den richtigen Thermoelementtyp, beispielsweise K oder J, einstellen.
● Einen zur Messaufgabe passenden Fühler verwenden.
● Einen stabilen und ausreichenden thermischen Kontakt sicherstellen.
● Bei Flüssigkeitsmessungen auf ausreichende Eintauchtiefe achten.
● Bei Oberflächenmessungen den Einfluss der Umgebungsluft auf den Fühler möglichst gering halten.
● Vor dem Ablesen auf einen stabilen Messwert warten.
● Die zulässigen Temperaturbereiche von Fühler und Messgerät nicht überschreiten.
● Kabel, Stecker und Fühler vor mechanischer Beschädigung schützen.
● Bei höheren Genauigkeitsanforderungen regelmäßig Funktionsprüfungen oder Kalibrierungen durchführen.

Bei schnellen Temperaturänderungen ist die Ansprechzeit besonders wichtig. Dickere oder stärker geschützte Fühler sind häufig robuster, reagieren jedoch langsamer.

Welche Grenzen haben Thermoelement-Thermometer?

Trotz ihrer Vielseitigkeit besitzen Thermoelement-Thermometer einige Einschränkungen.

Da sie kontaktbasiert arbeiten, können Messungen an schnell bewegten, gefährlichen, unter Spannung stehenden, schwer zugänglichen oder nicht berührbaren Objekten problematisch sein.

Das Thermoelementsignal ist sehr klein. Daher können schlechte Verbindungen, elektrische Störungen und unzureichende Kaltstellenkompensation das Ergebnis beeinflussen.

Außerdem ist die Beziehung zwischen Thermospannung und Temperatur nicht vollständig linear, weshalb das Messgerät eine korrekte Linearisierung durchführen muss.

Bei Oberflächenmessungen können Luftspalte, unebene Oberflächen oder zu geringer Anpressdruck dazu führen, dass die Fühlertemperatur von der tatsächlichen Oberflächentemperatur abweicht.

Messobjekt, Temperaturbereich, Reaktionszeit, Genauigkeitsanforderung und Einsatzumgebung sollten daher immer gemeinsam betrachtet werden.

Für welche Anwendungen eignen sich Thermoelement-Thermometer?

Thermoelement-Thermometer eignen sich besonders für Messaufgaben, bei denen direkter Kontakt, Innenmessungen oder austauschbare Fühler erforderlich sind.

● Industrielle Instandhaltung: Motoren, Lager, Rohrleitungen, Heizgeräte und Maschinen.
● HLK-Technik: Zuluft, Abluft, Luftkanäle, Kälte- und Klimaanlagen.
● Labor: Proben, Prüfstände und Versuchsanlagen.
● Lebensmittelverarbeitung: Kerntemperaturmessungen mit Einstichfühlern.
● Elektronikprüfung: Kühlkörper, Bauteile und interne Temperaturerhöhungen.
● Produktion: Formen, Heizplatten, Maschinen und Prozessmessungen.
● Inbetriebnahme und Service: Vergleich mehrerer Messstellen und Ermittlung von Temperaturdifferenzen.

Für den direkten Vergleich zweier Messstellen ist ein Zweikanal-Thermoelement-Thermometer besonders praktisch, beispielsweise zur Ermittlung der Temperaturdifferenz zwischen Zu- und Rückluft oder zwischen Ein- und Ausgang eines Geräts.

FAQ

Ist ein Thermoelement-Thermometer ein Kontaktthermometer?

Ja. Thermoelementmessungen sind in der Regel Kontaktmessungen. Der Fühler muss das Messobjekt berühren, in ein Medium eingeführt oder in der Messumgebung positioniert werden.

Ist Typ K der häufigste Thermoelementtyp?

Typ K gehört zu den am weitesten verbreiteten Thermoelementtypen für allgemeine Temperaturmessungen. Aufgrund seines großen Einsatzbereichs unterstützen viele Handmessgeräte Typ-K-Fühler.

Können verschiedene Thermoelementtypen beliebig verwendet werden?

Nein. Verschiedene Thermoelementtypen besitzen unterschiedliche Spannungs-Temperatur-Kennlinien. Das Messgerät muss auf den angeschlossenen Typ eingestellt sein.

Kann ein Thermoelement-Thermometer Flüssigkeiten messen?

Ja. Dafür sollte ein geeigneter Tauchfühler verwendet werden. Wichtig sind ausreichende Eintauchtiefe und ein möglichst geringer Einfluss von Behälterwand und Umgebung.

Kann damit Lufttemperatur gemessen werden?

Ja. Dafür werden Luft- oder Gasfühler eingesetzt. Da der Wärmeübergang zwischen Luft und Fühler relativ langsam ist, kann die Reaktionszeit länger sein als bei Flüssigkeiten oder Metalloberflächen.

Ist eine Kaltstellenkompensation erforderlich?

Ja. Die Thermospannung hängt von der Temperaturdifferenz zwischen Messstelle und Vergleichsstelle ab. Digitale Thermoelement-Thermometer kompensieren deshalb die Vergleichsstellentemperatur elektronisch.

Warum dauert es, bis sich der Messwert stabilisiert?

Der Fühler muss Wärme mit dem Messobjekt austauschen, bis seine Messstelle annähernd dessen Temperatur erreicht. Bauform, Abmessungen, Material und Kontaktbedingungen beeinflussen diese Zeit.

Ist ein Thermoelement-Thermometer genauer als ein Infrarotthermometer?

Nicht grundsätzlich. Thermoelemente werden nicht direkt durch den Emissionsgrad beeinflusst, reagieren jedoch auf Fühlerfehler, Kontaktbedingungen und Ansprechzeit. Infrarotthermometer messen berührungslos, können jedoch durch Emissionsgrad, Reflexion, Messabstand und Messfleckgröße beeinflusst werden.

Fazit

Ein Thermoelement-Thermometer ist ein kontaktbasiertes Temperaturmessgerät, dessen Sensorelement ein Thermoelement ist. Es erfasst die durch eine Temperaturdifferenz erzeugte Thermospannung und wandelt sie mithilfe von Kaltstellenkompensation, Signalverarbeitung und Linearisierung in einen Temperaturwert um.

Durch den großen Temperaturbereich, die schnelle Reaktion und die vielfältigen Fühlerausführungen werden Thermoelement-Thermometer unter anderem in Industrie, Instandhaltung, HLK, Laboren, Lebensmittelverarbeitung, Elektronikprüfung und Fertigung eingesetzt.

Zuverlässige Messergebnisse setzen nicht nur ein geeignetes Messgerät voraus, sondern auch den richtigen Thermoelementtyp, eine passende Fühlerbauform, guten thermischen Kontakt, eine geeignete Messposition und ausreichende Stabilisierungszeit.