Einleitung
Ja. Thermoelemente gehören zu den weit verbreiteten berührenden Temperatursensoren in Industrie und Labor. Mit einem geeigneten Fühler können sie zur Messung von Wasser, Öl, Kühlmitteln, chemischen Lösungen und zahlreichen industriellen Prozessflüssigkeiten eingesetzt werden.
Ein Thermoelement-Thermometer zeigt jedoch normalerweise nicht die „mittlere Temperatur“ der gesamten Flüssigkeit an. Gemessen wird die Temperatur im Bereich der Messstelle des Thermoelements. Bei Temperaturschichtung, ungleichmäßiger Strömung oder lokaler Erwärmung hat die Position des Fühlers deshalb direkten Einfluss auf das Messergebnis.
Für eine zuverlässige Flüssigkeitstemperaturmessung sind daher neben der Gerätegenauigkeit auch Fühlertyp, Eintauchtiefe, Messposition, Ansprechzeit und die chemische Beständigkeit des Fühlermaterials zu berücksichtigen.
Wichtige Punkte
● Thermoelemente können Flüssigkeitstemperaturen messen, sollten dafür jedoch mit einem geeigneten Eintauchfühler eingesetzt werden;
● Der aktive Messbereich muss ausreichend tief in die Flüssigkeit eintauchen und einen guten thermischen Kontakt haben;
● Eine zu geringe Eintauchtiefe kann Messfehler durch Umgebungsluft und Wärmeleitung entlang des Fühlers verursachen;
● Der Fühler sollte Behälterwand, Behälterboden und Heizelemente möglichst nicht berühren;
● Bei korrosiven, hochtemperierten oder chemisch aggressiven Flüssigkeiten ist die Eignung des Mantelwerkstoffs zu prüfen;
● Bei Temperaturgradienten können unterschiedliche Messpositionen unterschiedliche Werte liefern.
Warum kann ein Thermoelement Flüssigkeitstemperaturen messen?
Ein Thermoelement besteht aus zwei unterschiedlichen metallischen Leitern. Besteht zwischen Messstelle und Vergleichsstelle eine Temperaturdifferenz, entsteht eine temperaturabhängige Thermospannung. Das Thermometer erfasst diese geringe Spannung und berechnet unter Berücksichtigung der Kaltstellenkompensation und der genormten Thermoelement-Kennlinie den Temperaturwert.
Bei der Messung in Flüssigkeiten nimmt die Messstelle durch Wärmeübertragung Energie auf oder gibt sie ab, bis sie sich der lokalen Flüssigkeitstemperatur annähert.
Abhängig vom Fühleraufbau können Thermoelemente daher zur Messung von Oberflächen, Gasen, Flüssigkeiten sowie Innentemperaturen eingesetzt werden.
Für Flüssigkeiten werden häufig Eintauchfühler mit Metallmantel verwendet. Der schlanke Mantel lässt sich direkt in geeignete Medien eintauchen und schützt gleichzeitig die Thermoelementdrähte vor mechanischer und chemischer Beanspruchung.
Welcher Thermoelementfühler eignet sich für Flüssigkeiten?
Nicht jeder Thermoelementfühler ist gleichermaßen für das direkte Eintauchen geeignet.
● Eintauchfühler: Die typische Wahl für Flüssigkeitstemperaturen. Der längliche Metallmantel kann in Wasser, Öl und andere kompatible Flüssigkeiten eingetaucht werden;
● Thermoelemente mit freiliegender Messstelle: Reagieren sehr schnell, bieten jedoch meist eine geringere mechanische Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit;
● Mantelthermoelemente: Robust und für Industrieanlagen, Behälter, Rohrleitungen sowie wiederholte oder kontinuierliche Messungen geeignet;
● Einstechfühler: Vor allem für weiche Materialien, halbfeste Medien und Lebensmittel vorgesehen und nicht grundsätzlich die beste Wahl für allgemeine Flüssigkeitsmessungen.
Bei der Auswahl sind außerdem zulässiger Temperaturbereich, Korrosionsbeständigkeit, Durchmesser, Länge und Thermoelementtyp zu berücksichtigen.
Ein Typ-K-Thermoelement wird beispielsweise in vielen industriellen Anwendungen eingesetzt. Ob es für ein bestimmtes Medium geeignet ist, hängt jedoch vom gesamten Fühleraufbau und insbesondere vom Mantelwerkstoff ab.
Wie tief muss der Fühler in die Flüssigkeit eintauchen?
Der Fühler muss ausreichend tief eingetaucht werden, damit Wärmeleitungsfehler möglichst gering bleiben.
Wird nur die Spitze sehr flach in die Flüssigkeit gehalten, kann Wärme entlang des Fühlers an die Umgebung abgeführt oder von ihr aufgenommen werden. Dadurch wird die Messstelle nicht nur von der Flüssigkeit, sondern auch von der Umgebungstemperatur beeinflusst.
Der aktive Messbereich sollte daher vollständig eingetaucht sein. Die erforderliche Eintauchtiefe hängt vom Fühlerdurchmesser, vom Aufbau und von den Herstellerangaben ab.
Dünne und kurze Fühler mit schneller Ansprechzeit benötigen häufig eine geringere Eintauchtiefe. Größere oder längere Metallmantelfühler können eine größere Eintauchtiefe erfordern, um Wärmeleitung entlang des Schafts ausreichend zu reduzieren.
Eine allgemein gültige Eintauchtiefe für alle Thermoelementfühler gibt es daher nicht.
Darf der Fühler den Behälterboden oder die Behälterwand berühren?
Im Regelfall sollte dies vermieden werden.
Berührt der Thermoelementfühler die Behälterwand oder den Boden, kann Wärme direkt zwischen Behälter und Fühler übertragen werden. Der Messwert kann dann nicht nur die Flüssigkeitstemperatur, sondern auch die Temperatur des Behälters widerspiegeln.
Besonders deutlich kann dieser Effekt sein, wenn:
● Der Behälterboden direkt beheizt wird;
● Die Außenwand durch die Umgebung gekühlt wird;
● Der Behälter aus einem gut wärmeleitenden Metall besteht;
● Die Flüssigkeit noch keine gleichmäßige Temperaturverteilung erreicht hat.
Der Fühler sollte möglichst an einer repräsentativen Position innerhalb der Flüssigkeit und mit ausreichendem Abstand zu Wand, Boden und Heizelementen positioniert werden.
So bildet der Messwert die tatsächliche Flüssigkeitstemperatur an der gewählten Messstelle besser ab.
Warum werden in derselben Flüssigkeit an verschiedenen Stellen unterschiedliche Temperaturen gemessen?
Dieses Verhalten ist bei Flüssigkeitsmessungen häufig.
Ist die Flüssigkeit nicht ausreichend durchmischt, können deutliche Temperaturgradienten entstehen. Beim Erwärmen kann die Flüssigkeit in der Nähe der Wärmequelle beispielsweise wärmer sein als im Bereich der Oberfläche oder der Behälterwand.
In großen Tanks, Ölbädern, Wasserbehältern und industriellen Prozessanlagen können solche Unterschiede besonders ausgeprägt sein.
Soll eine möglichst repräsentative Temperatur der gesamten Flüssigkeit bestimmt werden, können je nach Anwendung folgende Maßnahmen sinnvoll sein:
● Messung an einer festgelegten, repräsentativen Position;
● Geeignetes Durchmischen der Flüssigkeit;
● Messung an mehreren Positionen;
● Abwarten, bis sich die Temperatur stabilisiert hat.
Soll dagegen die Temperaturverteilung selbst untersucht werden, sollte die Flüssigkeit nicht allein zur Erzeugung eines einheitlichen Messwerts durchmischt werden.
Warum stabilisiert sich der Messwert nach dem Eintauchen nicht sofort?
Ein Thermoelementfühler besitzt eine eigene thermische Masse. Wird er aus der Luft in eine Flüssigkeit gebracht, benötigt er Zeit, um sich dem thermischen Gleichgewicht mit dem neuen Medium anzunähern.
Diese Eigenschaft wird üblicherweise als Ansprechzeit bezeichnet.
Die Ansprechgeschwindigkeit wird unter anderem beeinflusst durch:
● Fühlerdurchmesser;
● Mantelwerkstoff;
● Aufbau der Thermoelement-Messstelle;
● Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit;
● Temperaturunterschied zwischen Fühler und Flüssigkeit;
● Eintauchtiefe.
Dünnere Fühler reagieren in der Regel schneller. Mechanisch robuste Industrieausführungen mit größerem Durchmesser weisen häufig eine längere Ansprechzeit auf.
Der Messwert sollte deshalb nicht unmittelbar nach dem Eintauchen abgelesen werden. Vor der Dokumentation ist zu warten, bis sich die Anzeige weitgehend stabilisiert hat.
Unterscheiden sich Messungen in ruhenden und strömenden Flüssigkeiten?
Das ist möglich.
In ruhenden Flüssigkeiten können sich insbesondere beim Erwärmen, Abkühlen oder bei natürlicher Konvektion lokale Temperaturzonen um den Fühler bilden.
Bei geeigneter Strömung verbessert sich üblicherweise der Wärmeübergang zwischen Flüssigkeit und Fühler. Dadurch kann sich die Ansprechzeit verkürzen und die Messung kann die Temperatur des umgebenden Mediums repräsentativer erfassen.
Bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten sind jedoch zusätzlich mechanische Belastungen zu berücksichtigen. Starke Strömung kann Vibrationen, Biegung oder Beschädigungen des Fühlers verursachen.
Für dauerhafte Messungen in Rohrleitungen, Kühlkreisläufen und industriellen Prozessen sollten Fühler oder Schutzrohre deshalb entsprechend Strömung, Druck und Einbausituation ausgewählt werden.
Können alle Flüssigkeiten direkt mit einem Thermoelement gemessen werden?
Nicht grundsätzlich.
Aus messtechnischer Sicht können Thermoelemente bei vielen Flüssigkeiten eingesetzt werden. Ob ein Fühler direkt in ein bestimmtes Medium eingetaucht werden darf, hängt jedoch von der chemischen Beständigkeit des Mantelwerkstoffs ab.
Bestimmte Säuren, Laugen, Salzlösungen und andere aggressive Medien können herkömmliche Metallmäntel angreifen.
Auch geschmolzene Stoffe, sehr heiße Medien und chemisch anspruchsvolle Prozessflüssigkeiten können spezielle Fühlerwerkstoffe oder zusätzliche Schutzmaßnahmen erfordern.
Vor der Messung sollten daher folgende Punkte geprüft werden:
● Zulässiger Mindest- und Höchsttemperaturbereich des Fühlers;
● Chemische Beständigkeit des Mantelwerkstoffs gegenüber dem Medium;
● Eignung des Fühleraufbaus für direktes Eintauchen;
● Bedarf eines zusätzlichen Schutzrohrs;
● Elektrische oder prozesstechnische Sicherheitsanforderungen.
Wichtig ist außerdem die Unterscheidung zwischen Fühler und Messgerät. Ein Eintauchfühler kann für Flüssigkeitskontakt geeignet sein, während Stecker, Kabelanschluss oder Thermometergehäuse ohne entsprechende Schutzart nicht in die Flüssigkeit eingetaucht werden dürfen.
Welche Fehlerquellen treten bei Flüssigkeitstemperaturmessungen häufig auf?
Messabweichungen müssen nicht zwangsläufig vom Thermometer selbst verursacht werden.
Typische Ursachen sind:
● Zu geringe Eintauchtiefe;
● Kontakt des Fühlers mit Behälterwand oder Boden;
● Ausgeprägte Temperaturgradienten in der Flüssigkeit;
● Zu frühes Ablesen vor Stabilisierung des Messwerts;
● Fühler mit großem Durchmesser und langsamer Ansprechzeit;
● Falsch eingestellter Thermoelementtyp am Messgerät;
● Vertauschte Thermoelement-Polarität;
● Alterung, Verschmutzung oder Korrosion des Fühlers;
● Ungeeignete Ausgleichs- oder Verlängerungsleitungen und Steckverbinder;
● Änderungen der Umgebungstemperatur mit Einfluss auf die Kaltstellenkompensation;
● Kalibrierabweichungen nach längerer Nutzungsdauer.
Bei höheren Genauigkeitsanforderungen sollten Thermometer, Fühler, Einbausituation und Umgebungsbedingungen als vollständiges Temperaturmesssystem betrachtet werden.
FAQ
Kann ein Thermoelement direkt in Wasser eingetaucht werden?
Ja, sofern ein dafür vorgesehener Eintauchfühler verwendet wird. Metallummantelte Eintauchfühler eignen sich in der Regel für Wassertemperaturmessungen. Stecker und Thermometergehäuse sollten jedoch normalerweise trocken bleiben.
Kann ein Typ-K-Thermoelement Wassertemperaturen messen?
Ja. Mit einem geeigneten Eintauchfühler kann ein Typ-K-Thermoelement für Wasser, Kühlwasser und viele allgemeine Industrieflüssigkeiten eingesetzt werden. Der tatsächlich zulässige Temperaturbereich wird zusätzlich durch Mantel- und Isolationsmaterial bestimmt.
Kann mit einem Thermoelement Öltemperatur gemessen werden?
Ja. Thermoelemente werden häufig für Schmieröl, Hydrauliköl, Wärmeträgeröl und andere Öle eingesetzt. Bei hohen Temperaturen sind Temperaturbeständigkeit und Materialverträglichkeit des Fühlers zu prüfen.
Muss die Flüssigkeit während der Messung ständig gerührt werden?
Nein. Soll eine repräsentative Gesamttemperatur bestimmt werden, kann kontrolliertes Rühren Temperaturschichtungen reduzieren. Wird dagegen die Temperaturverteilung untersucht, wäre ein Durchmischen möglicherweise nicht sinnvoll.
Ist eine größere Eintauchtiefe immer besser?
Nein. Eine ausreichende Eintauchtiefe ist notwendig, um Wärmeleitungsfehler zu reduzieren. Ein unnötig tiefes Eintauchen verbessert die Messung jedoch nicht automatisch. Die erforderliche Tiefe hängt von Fühlerabmessungen, Aufbau, Behältergröße und Messposition ab.
Warum zeigt kochendes Wasser nicht immer genau 100 °C an?
Der Siedepunkt von Wasser hängt vom Luftdruck und von der Höhenlage ab und beträgt deshalb nicht unter allen Bedingungen exakt 100 °C. Zusätzlich können Gerätegenauigkeit, Fühlerabweichung, Eintauchposition und Stabilisierungszeit den Messwert beeinflussen.
Kann ein Thermoelement dauerhaft in einer Flüssigkeit verbleiben?
Das hängt vom Fühleraufbau ab. Bestimmte Industrie-Thermoelemente sind für dauerhafte Installation und kontinuierliche Überwachung ausgelegt. Allgemeine handgeführte Eintauchfühler sind dagegen nicht zwangsläufig für dauerhafte Flüssigkeitsexposition vorgesehen.
Zusammenfassung
Thermoelemente eignen sich für die Temperaturmessung von Wasser, Öl, Kühlmitteln und zahlreichen industriellen Prozessflüssigkeiten. Entscheidend ist jedoch nicht allein, ob ein Thermoelement grundsätzlich messen kann, sondern ob ein geeigneter Fühler und eine korrekte Messmethode verwendet werden.
Der Fühler sollte ausreichend tief eintauchen, Abstand zu Behälterwand, Boden und Heizelementen halten und erst nach Stabilisierung des Messwerts abgelesen werden. Auch mögliche Temperaturgradienten innerhalb der Flüssigkeit sind zu berücksichtigen.
Bei korrosiven, hochtemperierten oder speziellen Prozessmedien müssen Mantelwerkstoff, Temperaturbereich und Einbauart des Fühlers für die jeweilige Anwendung geeignet sein. Nur wenn Messgerät, Fühler und Messumgebung als Gesamtsystem betrachtet werden, lassen sich stabile und zuverlässige Messergebnisse erzielen.
