Einleitung
In den technischen Daten eines Thermoelement-Thermometers finden sich häufig sowohl ein „Messbereich“ des Geräts als auch ein „Temperaturbereich“ des angeschlossenen Fühlers. Obwohl beide Angaben in °C oder °F angegeben werden, beschreiben sie unterschiedliche Grenzen.
Vereinfacht gesagt beschreibt der Messbereich des Thermometers, welche Thermoelementsignale beziehungsweise Temperaturen das Gerät verarbeiten und anzeigen kann. Der Temperaturbereich des Fühlers beschreibt dagegen, welchen Temperaturen der Fühler selbst im Betrieb ausgesetzt werden darf.
Wenn ein Thermoelement-Thermometer beispielsweise bis 1300°C spezifiziert ist, bedeutet dies daher nicht automatisch, dass jeder kompatible Fühler dauerhaft bei 1300°C eingesetzt werden kann.
Der tatsächlich nutzbare Temperaturbereich des Gesamtsystems ergibt sich aus Thermometer, Thermoelementtyp und Fühlerkonstruktion.
Das Wichtigste auf einen Blick
● Der Messbereich eines Thermoelement-Thermometers wird hauptsächlich durch Eingangsschaltung, unterstützte Thermoelementtypen, Kaltstellenkompensation und interne Umrechnungsalgorithmen bestimmt.
● Der Temperaturbereich eines Thermoelementfühlers hängt nicht nur vom Thermoelementdraht ab, sondern auch von Schutzrohr, Isolation, Fühlerkopf, Anschlussleitung, Steckverbinder und weiteren Bauteilen.
● Zwei Fühler mit demselben Thermoelementtyp K können deutlich unterschiedliche zulässige Temperaturbereiche haben.
● Der tatsächlich nutzbare Bereich des Gesamtsystems kann in der Regel nicht größer sein als der gemeinsame Bereich von Thermometer und Fühler.
● Bei der Auswahl sollten neben dem maximalen Anzeigebereich des Thermometers auch die zulässige Dauerbetriebstemperatur und gegebenenfalls die kurzzeitige Maximaltemperatur des Fühlers berücksichtigt werden.
Was bedeutet der Messbereich eines Thermoelement-Thermometers?
Der Messbereich eines Thermoelement-Thermometers bezeichnet den Temperaturbereich, in dem das Gerät Signale der spezifizierten Thermoelementtypen erfassen, umrechnen und anzeigen kann.
Ein Gerät kann beispielsweise folgende Bereiche angeben:
● Typ K: -200°C bis 1372°C
● Typ J: -210°C bis 1200°C
● Typ T: -250°C bis 400°C
Diese Angaben beschreiben in erster Linie den Eingangsbereich der Geräteelektronik für den jeweiligen Thermoelementtyp.
Ein Thermoelement erzeugt eine kleine Thermospannung, die von der Temperaturdifferenz zwischen Messstelle und Vergleichsstelle abhängt. Das Messgerät erfasst diese Spannung, berücksichtigt die Temperatur der Vergleichsstelle über die Kaltstellenkompensation und berechnet daraus anhand der Kennlinie des entsprechenden Thermoelementtyps die Temperatur.
Der Messbereich des Geräts wird deshalb typischerweise beeinflusst durch:
● Unterstützte Thermoelementtypen;
● Messbarer Thermospannungsbereich der Eingangsschaltung;
● A/D-Wandlung und Signalverarbeitung;
● Kaltstellenkompensation;
● Verwendete Thermoelementkennlinien beziehungsweise Umrechnungsalgorithmen;
● Vom Hersteller festgelegte Hard- und Softwaregrenzen.
Entscheidend ist: Nur weil das Messgerät einen bestimmten Temperaturwert berechnen und anzeigen kann, muss der angeschlossene Fühler diese Temperatur nicht zwangsläufig aushalten können.
Was bedeutet der Temperaturbereich eines Thermoelementfühlers?
Der Temperaturbereich eines Thermoelementfühlers gibt an, in welchem Bereich der konkrete Fühler unter den vorgesehenen Einsatzbedingungen ordnungsgemäß betrieben werden kann.
Ein kompletter Thermoelementfühler besteht nicht nur aus zwei Thermoelementdrähten. Je nach Bauform gehören unter anderem dazu:
● Messstelle des Thermoelements;
● Metallisches Schutzrohr beziehungsweise Mantel;
● Keramische oder mineralische Isolation;
● Fühlergriff;
● Ausgleichs- oder Verlängerungsleitung;
● Steckverbinder;
● Dicht- und Vergussmaterialien;
● Schutzrohre oder weitere konstruktive Komponenten.
Deshalb entspricht die maximal zulässige Temperatur eines fertigen Fühlers nicht zwangsläufig der theoretisch möglichen Temperatur des eingesetzten Thermoelementwerkstoffs.
Ein Thermoelementwerkstoff kann beispielsweise für hohe Temperaturen geeignet sein. Verwendet der fertige Fühler jedoch einen Kunststoffgriff, eine Standardleitung oder einen Steckverbinder mit niedrigerer Temperaturbeständigkeit, kann der zulässige Einsatzbereich des gesamten Fühlers deutlich geringer sein.
Aus diesem Grund können verschiedene Fühler mit der Bezeichnung „Thermoelement Typ K“ beispielsweise für -50°C bis 300°C, -50°C bis 500°C, 0°C bis 800°C oder für noch höhere Temperaturen ausgelegt sein.
Warum ist der Messbereich des Geräts häufig größer als der des Fühlers?
Das Thermoelement-Thermometer ist ein elektronisches Messgerät. Solange die Eingangsspannung innerhalb des vorgesehenen Bereichs liegt, kann das Gerät das Signal anhand der Kennlinie des entsprechenden Thermoelementtyps umrechnen.
Der Fühler befindet sich dagegen direkt in der Messumgebung und muss realen Temperaturen sowie thermischem Schock, Oxidation, Korrosion, mechanischer Belastung und weiteren Umgebungseinflüssen standhalten.
Ein Thermometer kann beispielsweise für ein Thermoelement Typ K einen Bereich von -200°C bis 1372°C unterstützen, während ein angeschlossener Oberflächenfühler lediglich für -50°C bis 500°C spezifiziert ist.
In diesem Fall darf der Fühler nicht bei 1000°C eingesetzt werden, nur weil das Thermometer diesen Wert anzeigen könnte.
Eine Überschreitung des zulässigen Fühlerbereichs kann zu folgenden Problemen führen:
● Oxidation oder Verformung des Mantels;
● Verringerung des Isolationswiderstands;
● Veränderung der Thermoelementwerkstoffe;
● Beschädigung der Leitungsisolation;
● Mechanischem oder konstruktivem Versagen;
● Zunehmender Messwertdrift;
● Deutlich verkürzter Lebensdauer des Fühlers.
Im Extremfall kann der Fühler vollständig ausfallen.
Wie wird der tatsächliche Messbereich des Gesamtsystems bestimmt?
In der Praxis müssen sowohl das Messgerät als auch der Fühler berücksichtigt werden.
Vereinfacht lässt sich dies so darstellen:
Tatsächlich nutzbarer Systembereich ≈ Gerätemessbereich ∩ zulässiger Fühlerbereich
Entscheidend ist also der gemeinsame Temperaturbereich beider Komponenten.
Beispiel:
● Messbereich des Thermometers für Typ K: -200°C bis 1372°C
● Temperaturbereich des angeschlossenen Typ-K-Fühlers: -50°C bis 400°C
Das Gesamtsystem sollte in diesem Fall ungefähr im Bereich -50°C bis 400°C verwendet werden und nicht im vollständigen Gerätebereich von -200°C bis 1372°C.
Ein weiteres Beispiel:
● Messbereich des Thermometers für Typ K: -200°C bis 800°C
● Temperaturbereich eines Hochtemperaturfühlers Typ K: 0°C bis 1100°C
Obwohl der Fühler selbst höhere Temperaturen verträgt, unterstützt das Messgerät nur Messungen bis 800°C. Die obere Grenze des Gesamtsystems liegt daher weiterhin bei 800°C.
Die Komponente mit dem jeweils engeren Bereich begrenzt das Gesamtsystem.
Wie unterscheidet sich der Bereich des Thermoelementtyps vom Fühlerbereich?
Zusätzlich muss ein dritter Begriff unterschieden werden: der charakteristische beziehungsweise typische Temperaturbereich eines Thermoelementtyps selbst.
Thermoelemente der Typen K, J, T, E, N, R, S und weiterer Typen bestehen aus unterschiedlichen Werkstoffpaarungen und weisen deshalb unterschiedliche Temperaturbereiche auf.
Der mögliche Temperaturbereich eines Thermoelementtyps bedeutet jedoch nicht, dass jeder fertige Fühler dieses Typs denselben Einsatzbereich besitzt.
Die drei Begriffe lassen sich wie folgt unterscheiden:
● Bereich des Thermoelementtyps: ungefährer Temperaturbereich, den das jeweilige Werkstoffsystem grundsätzlich abdecken kann;
● Messbereich des Thermometers: Temperaturbereich, den das Gerät für diesen Thermoelementtyp verarbeiten kann;
● Temperaturbereich des Fühlers: zulässiger Einsatzbereich des konkreten fertigen Fühlers.
Für die Produktauswahl sind daher stets die technischen Spezifikationen des Messgeräts und des konkret eingesetzten Fühlers maßgeblich.
Warum können zwei Typ-K-Fühler unterschiedliche Temperaturbereiche haben?
Die Bezeichnung „Typ K“ beschreibt in erster Linie die verwendete Thermoelement-Werkstoffpaarung, nicht jedoch den vollständigen mechanischen Aufbau des Fühlers.
Zwei Typ-K-Fühler können deshalb trotz identischer Thermoelementwerkstoffe deutlich unterschiedliche Temperaturgrenzen aufweisen.
Wichtige Einflussfaktoren sind:
● Mantel- beziehungsweise Schutzrohrmaterial: Edelstahl und verschiedene hitzebeständige Legierungen unterscheiden sich hinsichtlich Hochtemperaturfestigkeit, Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit;
● Manteldurchmesser: Der Durchmesser beeinflusst mechanische Festigkeit, Ansprechzeit und Temperaturbeständigkeit;
● Isolationsmaterial: Mineralische, keramische und konventionelle Isolationsmaterialien besitzen unterschiedliche Temperaturgrenzen;
● Ausführung der Messstelle: Freiliegende, massebezogene und isolierte Messstellen unterscheiden sich bei Ansprechzeit, elektrischer Isolation und Einsatzbereich;
● Leitungsisolation: PVC, Silikon, Glasfaser, PTFE und andere Materialien weisen unterschiedliche zulässige Betriebstemperaturen auf;
● Griff und Steckverbinder: Kunststoffgriffe und Standardstecker halten normalerweise nicht dieselben Temperaturen aus wie der metallische Fühlerbereich.
Die Angabe „Thermoelement Typ K“ allein reicht daher nicht aus, um die maximal zulässige Einsatztemperatur eines Fühlers zu bestimmen.
Sind Dauerbetriebstemperatur und kurzzeitige Maximaltemperatur identisch?
Nicht unbedingt.
Bei einigen Thermoelementfühlern werden sowohl eine zulässige Dauerbetriebstemperatur als auch eine kurzzeitige Maximaltemperatur angegeben.
Die Dauerbetriebstemperatur beschreibt den Bereich, in dem der Fühler unter den vorgesehenen Bedingungen über längere Zeit betrieben werden kann. Die kurzzeitige Maximaltemperatur kann dagegen eine höhere Temperatur bezeichnen, die nur für begrenzte Zeit zulässig ist.
Ein langfristiger Betrieb nahe oder oberhalb der zulässigen Dauerbetriebstemperatur kann folgende Prozesse beschleunigen:
● Oxidation der Thermoelementdrähte;
● Werkstoffveränderungen;
● Alterung der Isolation;
● Drift der thermoelektrischen Eigenschaften;
● Korrosion des Mantels;
● Verschlechterung der Kalibrierstabilität.
Die Angabe „Maximaltemperatur“ sollte deshalb nicht automatisch als zulässige Temperatur für dauerhaften Betrieb interpretiert werden.
Welche Temperaturgrenze gilt, wenn nur ein Teil des Fühlers in den heißen Bereich eingeführt wird?
Dieser Punkt ist in der Praxis besonders wichtig.
Bei vielen Fühlern darf nur der metallische Messbereich hohen Temperaturen ausgesetzt werden. Griff, Anschlussleitung und Steckverbinder müssen dagegen bei deutlich niedrigeren Umgebungstemperaturen verbleiben.
So kann beispielsweise der Metallmantel eines Einstech- oder Eintauchfühlers für mehrere hundert Grad Celsius oder mehr geeignet sein, während sich der Kunststoffgriff außerhalb des heißen Ofen- oder Prozessbereichs befinden muss.
Daher sollten folgende Punkte überprüft werden:
● Länge des Fühlerabschnitts, der in den Hochtemperaturbereich eingeführt werden darf;
● Maximal zulässige Umgebungstemperatur des Griffs;
● Zulässige Betriebstemperatur der Anschlussleitung;
● Temperaturgrenze des Steckverbinders;
● Vom Hersteller angegebene Mindesteintauchtiefe oder Einbaubedingungen.
Die angegebene „maximale Messtemperatur“ eines Fühlers bedeutet nicht automatisch, dass sämtliche Bauteile des Fühlers dieser Temperatur ausgesetzt werden dürfen.
Bedeutet ein größerer Messbereich automatisch bessere Messleistung?
Nein.
Der Messbereich ist nur ein Auswahlkriterium und sagt allein nichts über die gesamte Messleistung eines Thermoelement-Thermometers oder Fühlers aus.
Beim Messgerät sind außerdem wichtig:
● Messgenauigkeit;
● Auflösung;
● Unterstützte Thermoelementtypen;
● Qualität der Kaltstellenkompensation;
● Abtastrate;
● Anzahl der Messkanäle;
● Zulässige Umgebungstemperatur des Geräts.
Beim Fühler sollten zusätzlich berücksichtigt werden:
● Ansprechzeit;
● Fühlerdurchmesser;
● Fühlerlänge;
● Ausführung der Messstelle;
● Mantelmaterial;
● Korrosionsbeständigkeit;
● Mechanische Festigkeit;
● Eignung für Oberflächen-, Luft-, Flüssigkeits- oder Einstechmessungen.
Für schnelle Oberflächentemperaturmessungen im Bereich von 0°C bis 200°C kann beispielsweise ein schnell ansprechender Oberflächenfühler deutlich besser geeignet sein als ein robuster Hochtemperaturfühler mit einer maximalen Einsatztemperatur von 1000°C.
Wie wählt man Messgerät und Fühler für den erforderlichen Temperaturbereich aus?
Zunächst sollte der tatsächliche Temperaturbereich der Anwendung bestimmt werden, nicht nur ein einzelner erwarteter Messpunkt.
Liegt die normale Prozesstemperatur beispielsweise bei etwa 350°C, können Schwankungen aber bis 420°C erreichen, sollte ein Fühler nicht mit 350°C als oberer Grenze ausgewählt werden.
Anschließend ist zu prüfen, ob das Thermometer den vorgesehenen Thermoelementtyp unterstützt und der Gerätemessbereich die Anwendung vollständig abdeckt.
Danach sollten für den konkreten Fühler folgende Angaben geprüft werden:
● Zulässige Dauerbetriebstemperatur;
● Kurzzeitige Maximaltemperatur;
● Zulässige Temperatur des eigentlichen Messbereichs;
● Umgebungstemperaturgrenzen für Griff und Anschlussleitung;
● Mantelmaterial und Eignung für das zu messende Medium.
Idealerweise liegt die normale Betriebstemperatur innerhalb eines sicheren Bereichs der Fühlerspezifikation und nicht dauerhaft nahe an dessen Grenzwert. Dies verbessert in der Regel Stabilität und Lebensdauer.
Häufige Fehler bei der Auswahl
● Aus dem Messbereich des Thermometers bis 1300°C zu schließen, dass jeder Typ-K-Fühler ebenfalls bis 1300°C eingesetzt werden kann;
● Nur den Thermoelementtyp zu prüfen, ohne Aufbau und Temperaturspezifikation des konkreten Fühlers zu berücksichtigen;
● Die kurzzeitige Maximaltemperatur mit der zulässigen Dauerbetriebstemperatur gleichzusetzen;
● Nur die Temperaturbeständigkeit des Metallfühlers zu betrachten und Griff, Leitung und Steckverbinder zu ignorieren;
● Davon auszugehen, dass alle Fühler der Typen K, J oder T denselben Temperaturbereich besitzen;
● Ausschließlich einen möglichst großen Temperaturbereich zu wählen und dabei Ansprechzeit, Genauigkeit und Eignung für die konkrete Messaufgabe zu vernachlässigen.
Bei einem Thermoelement-Messsystem geht es daher nicht darum, einfach das Produkt mit dem größten Temperaturbereich auszuwählen. Entscheidend ist die passende Kombination aus Messgerät, Thermoelementtyp, Fühlerkonstruktion und Einsatzbedingungen.
FAQ
Wenn ein Thermoelement-Thermometer bis 1372°C anzeigt, kann der Fühler dann ebenfalls bis 1372°C messen?
Nicht unbedingt. 1372°C kann lediglich die obere Eingangsgrenze des Messgeräts für einen bestimmten Thermoelementtyp darstellen. Der tatsächliche Fühlerbereich hängt unter anderem von Mantel, Isolation, Anschlussleitung, Steckverbinder und Konstruktion ab.
Warum haben zwei Typ-K-Thermoelementfühler unterschiedliche Temperaturbereiche?
Weil Typ K nur die Thermoelement-Werkstoffpaarung definiert. Mantelmaterial, Durchmesser, Isolation, Griff, Anschlussleitung und Ausführung der Messstelle beeinflussen den zulässigen Temperaturbereich des fertigen Fühlers.
Wenn der Fühler einen größeren Temperaturbereich als das Thermometer hat, kann bis zur maximalen Fühlertemperatur gemessen werden?
Nein. Der Messbereich des Thermometers darf nicht überschritten werden. Ist ein Fühler beispielsweise bis 1100°C geeignet, das Messgerät jedoch nur bis 800°C, bleibt das Gesamtsystem auf 800°C begrenzt.
Wird ein Fühler beim Überschreiten seines Temperaturbereichs sofort beschädigt?
Nicht zwangsläufig. Es können jedoch Oxidation, Isolationsabbau, Werkstoffdrift, größere Messabweichungen oder eine verkürzte Lebensdauer auftreten. Ein Betrieb außerhalb des spezifizierten Bereichs entspricht grundsätzlich nicht den vorgesehenen Einsatzbedingungen.
Sollte bei der Auswahl zuerst das Thermometer oder der Fühler ausgewählt werden?
Beide Komponenten müssen gemeinsam betrachtet werden. Sinnvoll ist es, zunächst Temperaturbereich, Medium und Einbauart der Anwendung festzulegen, anschließend einen geeigneten Thermoelementtyp und Fühler auszuwählen und danach sicherzustellen, dass das Messgerät den erforderlichen Bereich vollständig unterstützt.
Fazit
Der „Messbereich“ eines Thermoelement-Thermometers und der „Temperaturbereich“ eines Thermoelementfühlers beschreiben unterschiedliche technische Grenzen.
Der Gerätemessbereich gibt hauptsächlich an, welche Temperaturwerte das Messgerät für einen bestimmten Thermoelementtyp erfassen, berechnen und anzeigen kann. Der Fühlerbereich beschreibt dagegen die Temperaturen, denen der konkrete Fühler aufgrund seiner Werkstoffe, seines Mantels, seiner Isolation, Anschlussleitung und Konstruktion tatsächlich ausgesetzt werden darf.
Der real nutzbare Bereich eines Thermoelement-Messsystems lässt sich deshalb weder allein aus der Gerätespezifikation noch allein aus dem Thermoelementtyp ableiten. Entscheidend sind der unterstützte Messbereich des Thermometers, der zulässige Bereich des konkreten Fühlers und die tatsächlichen Einsatzbedingungen.
Wer diese Unterschiede bei der Auswahl berücksichtigt, vermeidet eine thermische Überlastung des Fühlers und schafft die Grundlage für stabile und zuverlässige Temperaturmessungen.
