Einleitung

Thermoelementfühler sind mit unterschiedlichen internen Messstellenkonstruktionen erhältlich. Je nach elektrischer und mechanischer Verbindung zwischen Messstelle und metallischem Schutzmantel wird unter anderem zwischen geerdeten, ungeerdeten und freiliegenden Messstellen unterschieden.

Bei einem ungeerdeten Thermoelement besteht keine direkte elektrische Verbindung zwischen der Messstelle und dem Metallmantel. Die Messstelle wird durch ein Isoliermaterial vom Schutzmantel getrennt.

Diese Konstruktion führt in der Regel zu einer etwas längeren thermischen Ansprechzeit als bei einer geerdeten Messstelle, bietet jedoch eine bessere elektrische Isolation. Sie eignet sich deshalb besonders für Anwendungen mit elektrischen Störungen, unterschiedlichen Massepotenzialen oder dem Risiko von Masseschleifen.

Die wichtigsten Punkte

● Die Messstelle eines ungeerdeten Thermoelements ist elektrisch vom Metallmantel isoliert;
● Die Thermoelementdrähte sind üblicherweise von einem Isoliermaterial wie Magnesiumoxid umgeben;
● Gegenüber einer geerdeten Ausführung bietet ein ungeerdetes Thermoelement eine bessere elektrische Isolation;
● Die Bauform kann Einflüsse durch Masseschleifen, Gleichtaktspannungen und bestimmte elektrische Störungen reduzieren;
● Da die Wärme zunächst den Schutzmantel und die Isolierung durchlaufen muss, ist die Ansprechzeit in der Regel länger als bei einer geerdeten Messstelle;
● Ungeerdete Thermoelemente werden häufig in Motoren, elektrischen Anlagen, Industriemaschinen, Heizsystemen, Automatisierungsanlagen und störungsbehafteten Umgebungen eingesetzt.

Was ist ein ungeerdetes Thermoelement?

Ein ungeerdetes Thermoelement wird auch als isoliertes Thermoelement oder Thermoelement mit isolierter Messstelle bezeichnet.

Bei dieser Bauform werden die beiden unterschiedlichen Thermoelementleiter an der Fühlerspitze zur Messstelle verbunden. Diese Messstelle ist jedoch weder mit dem metallischen Schutzmantel verschweißt noch anderweitig elektrisch verbunden.

Zwischen Messstelle und Schutzmantel befindet sich üblicherweise Magnesiumoxid oder ein vergleichbares Material mit guter Wärmeleitfähigkeit und hoher elektrischer Isolationswirkung. Dadurch kann Wärme zur Messstelle gelangen, während die elektrische Trennung zum Metallmantel erhalten bleibt.

Elektrisch betrachtet gilt:

● Die Thermoelement-Messstelle ist nicht leitend mit dem Metallmantel verbunden;
● Wärme wird dennoch über Mantel und Isoliermaterial übertragen;
● Das Thermoelement erzeugt ein eigenes thermoelektrisches Signal, das an das Temperaturmessgerät oder Messsystem weitergeleitet wird.

„Ungeerdet“ bedeutet nicht, dass das gesamte Messsystem ohne Erdung betrieben wird. Gemeint ist ausschließlich, dass die Messstelle des Thermoelements elektrisch vom metallischen Schutzmantel getrennt ist.

Wie ist ein ungeerdetes Thermoelement aufgebaut?

Ein typisches ungeerdetes Mantelthermoelement besteht aus Thermoelementleitern, Messstelle, Isoliermaterial und metallischem Schutzmantel.

● Thermoelementleiter: Zwei unterschiedliche Metalle oder Legierungen bilden den thermoelektrischen Stromkreis. Bei einem Thermoelement Typ K werden beispielsweise Nickel-Chrom- und Nickel-Aluminium-Legierungen verwendet;
● Messstelle: Die beiden Leiter werden an der Fühlerspitze verbunden und bilden die temperaturempfindliche Messstelle;
● Isoliermaterial: Verdichtetes Magnesiumoxid wird häufig eingesetzt, da es elektrische Isolation und gleichzeitig eine gute Wärmeübertragung ermöglicht;
● Metallischer Schutzmantel: Er schützt die Thermoelementleiter vor mechanischer Beschädigung, Oxidation, Verschmutzung und bestimmten korrosiven Einflüssen.

Bei der ungeerdeten Ausführung befindet sich die Messstelle innerhalb des Schutzmantels und ist vollständig von Isoliermaterial umgeben.

Dadurch werden der mechanische Schutz eines Mantelfühlers und die elektrische Trennung zwischen Messkreis und zu messender Anlage miteinander kombiniert.

Wie misst ein ungeerdetes Thermoelement die Temperatur?

Das grundlegende Messprinzip entspricht dem anderer Thermoelemente und basiert auf dem Seebeck-Effekt.

Besteht ein Stromkreis aus zwei unterschiedlichen Metallen und herrscht zwischen den Verbindungsstellen eine Temperaturdifferenz, entsteht eine thermoelektrische Spannung. Ein angeschlossenes Temperaturmessgerät, ein Temperaturregler oder ein Datenerfassungssystem misst diese kleine Spannung und berechnet unter Berücksichtigung des Thermoelementtyps und der Vergleichsstellenkompensation die Temperatur.

Die ungeerdete Bauform verändert dieses physikalische Grundprinzip nicht. Sie beeinflusst vor allem den Wärmeübertragungsweg sowie die elektrische Beziehung zwischen Messstelle und äußerem Metallmantel.

Typischer Wärmefluss:

● Das Messobjekt oder Medium überträgt Wärme auf den Metallmantel;
● Die Wärme gelangt durch Mantel und Isoliermaterial zur Messstelle;
● Die Temperatur der Messstelle verändert sich;
● Das Thermoelement erzeugt eine entsprechende Thermospannung;
● Das Messgerät wandelt diese Spannung in einen Temperaturwert um.

Da sich zwischen Mantel und Messstelle Isoliermaterial befindet, folgt die Messstelle einer Temperaturänderung langsamer als eine direkt mit dem Mantel verbundene Messstelle.

Warum bietet ein ungeerdetes Thermoelement eine bessere elektrische Isolation?

Metallgehäuse, Rohrleitungen, Motoren, Heizgeräte und Industrieanlagen können auf unterschiedlichen elektrischen Potenzialen liegen.

Ist die Thermoelement-Messstelle leitend mit dem Schutzmantel verbunden und steht dieser wiederum elektrisch mit der Anlage in Kontakt, kann der Messkreis unbeabsichtigt an das Masse- oder Erdungssystem der Anlage gekoppelt werden.

Unter bestimmten Bedingungen kann dadurch eine Masseschleife entstehen oder der Messeingang durch Gleichtaktspannungen und elektrische Störsignale beeinflusst werden.

Bei einem ungeerdeten Thermoelement trennt die Isolierung die Messstelle elektrisch vom Schutzmantel und reduziert damit diese direkte Kopplung.

Diese Bauform ist besonders vorteilhaft, wenn:

● verschiedene Anlagenkomponenten unterschiedliche Massepotenziale aufweisen;
● mehrere Thermoelemente an ein gemeinsames Datenerfassungssystem angeschlossen sind;
● Motoren, Frequenzumrichter oder leistungsstarke elektrische Geräte Störungen erzeugen;
● an metallischen Gehäusen Fremd- oder Streuspannungen auftreten können;
● zwischen mehreren Temperaturmesskanälen eine höhere elektrische Isolation erforderlich ist.

Die ungeerdete Messstelle kann störungsbedingte Einflüsse durch die Fühlerkonstruktion verringern. Die gesamte Störfestigkeit hängt jedoch weiterhin von Eingangsschaltung, Abschirmung, Leitungsführung, Erdungskonzept und elektromagnetischer Umgebung ab.

Welche Vorteile bietet ein ungeerdetes Thermoelement?

Der wesentliche Vorteil liegt nicht zwangsläufig in einer höheren Temperaturgenauigkeit, sondern in der verbesserten elektrischen Isolation.

● Gute elektrische Isolation: Die Messstelle ist vom Metallmantel getrennt und wird dadurch weniger direkt vom Potenzial der Anlage beeinflusst;
● Reduziertes Risiko von Masseschleifen: Vorteilhaft bei Mehrkanalmessungen, Datenerfassung und Automatisierung;
● Geeignet für elektrisch störbehaftete Umgebungen: Häufig sinnvoll in der Nähe von Motoren, Frequenzumrichtern, Industrieanlagen und Schaltsystemen;
● Hoher mechanischer Schutz: Die Messstelle befindet sich innerhalb des Metallmantels und ist vor Stößen, Abrieb und mechanischer Belastung geschützt;
● Gute Anpassung an unterschiedliche Umgebungen: Je nach Mantelwerkstoff für Gase, Flüssigkeiten, Maschinen, Heizsysteme und bestimmte korrosive Medien geeignet;
● Geeignet für dauerhafte Installation: Die elektrische Trennung ist insbesondere bei fest installierten industriellen Temperaturmesssystemen vorteilhaft.

Welche Nachteile hat ein ungeerdetes Thermoelement?

Eine gute elektrische Isolation bedeutet nicht, dass diese Ausführung für jede Messaufgabe optimal ist.

Der wichtigste Nachteil ist in der Regel die längere Ansprechzeit.

Da die Messstelle den Metallmantel nicht direkt berührt, muss die Wärme zunächst den Mantel und anschließend das Isoliermaterial durchdringen. Der thermische Übertragungsweg ist damit länger.

Bei vergleichbarem Fühlerdurchmesser, Mantelmaterial und Aufbau gilt allgemein:

● Freiliegende Thermoelement-Messstellen reagieren meist am schnellsten;
● Geerdete Messstellen folgen in der Regel danach;
● Ungeerdete Messstellen weisen üblicherweise die längste Ansprechzeit auf.

Auch der Zustand des Isoliermaterials ist wichtig. Starke mechanische Beschädigung, dauerhafte Übertemperatur, Feuchtigkeit oder Verschmutzung können den Isolationswiderstand verringern und die elektrische Trennung beeinträchtigen.

Bei der Auswahl müssen deshalb Ansprechzeit, Isolation, mechanische Belastbarkeit, Arbeitstemperatur und Umgebungsbedingungen gemeinsam berücksichtigt werden.

Was ist der Unterschied zwischen geerdeten und ungeerdeten Thermoelementen?

Der entscheidende Unterschied besteht darin, ob die Messstelle elektrisch mit dem metallischen Schutzmantel verbunden ist.

Bei einem geerdeten Thermoelement ist die Messstelle üblicherweise direkt mit dem Mantel verschweißt oder verbunden. Wärme kann dadurch schneller vom Mantel zur Messstelle übertragen werden, was meist eine kürzere Ansprechzeit ermöglicht.

Bei einem ungeerdeten Thermoelement ist die Messstelle dagegen elektrisch vom Mantel isoliert. Die thermische Reaktion ist langsamer, die elektrische Isolation dafür besser.

Vereinfacht:

● Geerdetes Thermoelement: Schnelle Reaktion, Messstelle elektrisch mit dem Mantel verbunden;
● Ungeerdetes Thermoelement: Langsamere Reaktion, Messstelle elektrisch vom Mantel isoliert;
● Freiliegendes Thermoelement: Sehr schnelle Reaktion, da die Messstelle direkt dem Medium ausgesetzt ist, jedoch geringerer mechanischer Schutz.

Keine der Bauformen ist grundsätzlich besser. Entscheidend ist die konkrete Anwendung.

Für welche Anwendungen eignen sich ungeerdete Thermoelemente?

Ungeerdete Thermoelemente sind besonders geeignet, wenn elektrische Isolation wichtiger ist als die kürzest mögliche Ansprechzeit.

Typische Anwendungen:

● Motoren und Generatoren: Überwachung von Lagern, Gehäusen oder internen Komponenten bei reduzierter elektrischer Kopplung;
● Industriemaschinen: Temperaturüberwachung an Kompressoren, Pumpen, Getrieben und rotierenden Maschinen;
● Heiztechnik: Industrielle Heizgeräte, Öfen, elektrische Heizsysteme und Messstellen in der Nähe von Heizelementen;
● Automatisierung: Anschluss an SPS, Temperaturregler oder Mehrkanal-Datenerfassungssysteme;
● Leistungselektronik: Frequenzumrichter, Stromversorgungen und andere elektrisch störende Geräte;
● HLK-Systeme: Temperaturmessung an Rohrleitungen, Luftkanälen, Wärmetauschern und Kälteanlagen;
● Labor- und Prüfsysteme: Mehrkanalige Temperaturerfassung, bei der elektrische Wechselwirkungen zwischen Messstellen reduziert werden sollen;
● Metallische Anlagen und Rohrleitungen: Besonders geeignet, wenn der Metallmantel leitend an der Anlage anliegt, der Messkreis jedoch elektrisch isoliert bleiben soll.

Wie wählt man zwischen geerdeter und ungeerdeter Ausführung?

Bei der Auswahl sollten vor allem Ansprechzeit, elektrische Umgebung und Einbauart berücksichtigt werden.

Wenn sich die Temperatur schnell ändert, eine kurze Ansprechzeit entscheidend ist und kaum Risiko für Masseschleifen oder starke elektrische Störungen besteht, kann eine geerdete Ausführung sinnvoll sein.

Bei Motoren, Metallmaschinen, elektrischen Anlagen oder Mehrkanal-Datenerfassung ist eine ungeerdete Messstelle häufig die bessere Wahl.

Wichtige Auswahlkriterien:

● Sind Motoren, Frequenzumrichter, leistungsstarke Schaltgeräte oder andere Störquellen vorhanden?
● Berührt der Metallmantel direkt die zu messende Anlage?
● Können zwischen verschiedenen Messstellen Potenzialunterschiede auftreten?
● Ist eine besonders schnelle thermische Reaktion erforderlich?
● Werden mehrere Thermoelemente an dasselbe Temperaturmess- oder Datenerfassungssystem angeschlossen?
● Entsprechen Fühlerdurchmesser, Mantelwerkstoff, Temperaturbereich und Isolationsleistung der Anwendung?

Zusätzlich zur Messstellenkonstruktion beeinflussen auch Thermoelementtyp, Fühlerdurchmesser, Eintauchtiefe, Mantelmaterial und Einbauposition die Messqualität.

FAQ

Ist ein ungeerdetes Thermoelement vollständig gegen elektrische Störungen geschützt?

Nein. Die elektrische Isolation zwischen Messstelle und Metallmantel kann Masseschleifen und direkte elektrische Kopplung reduzieren. Leitungsführung, Abschirmung, Eingangsschaltung des Messgeräts, elektromagnetische Felder und Erdung können das Ergebnis jedoch weiterhin beeinflussen.

Ist ein ungeerdetes Thermoelement immer genauer als ein geerdetes?

Nein. Die Messstellenkonstruktion bestimmt nicht direkt die Grundgenauigkeit. Diese hängt zusätzlich von Materialtoleranzen, Vergleichsstellenkompensation, Gerätegenauigkeit, Einbau, Temperaturgradienten und Umgebungsbedingungen ab.

Warum reagiert ein ungeerdetes Thermoelement langsamer?

Weil die Messstelle nicht direkt mit dem Metallmantel verbunden ist. Die Wärme muss zunächst Mantel und Isoliermaterial durchlaufen.

Wie erkennt man ein ungeerdetes Thermoelement?

In den technischen Daten finden sich Angaben wie „Junction Type“, „Ungrounded“ oder „Insulated Junction“. Zusätzlich kann, sofern zulässig, eine elektrische Prüfung zwischen Thermoelementleitern und Metallmantel Aufschluss über die Isolation geben.

Kann ein ungeerdetes Thermoelement hohe Temperaturen messen?

Ja. Die maximal zulässige Temperatur hängt jedoch nicht allein von der ungeerdeten Bauform ab, sondern auch von Thermoelementtyp, Leiterwerkstoffen, Mantelmaterial, Isolierung, Fühlerdurchmesser und Gesamtkonstruktion.

Können Thermoelemente vom Typ K, J, T und E ungeerdet ausgeführt werden?

Ja. „Geerdet“ oder „ungeerdet“ beschreibt die Konstruktion der Messstelle. Typ K, J, T oder E beschreibt dagegen die Materialpaarung und thermoelektrischen Eigenschaften. Es handelt sich um zwei unterschiedliche Klassifizierungsmerkmale.

Fazit

Bei einem ungeerdeten Thermoelement ist die Messstelle elektrisch vom metallischen Schutzmantel isoliert.

Der wichtigste Vorteil ist die verbesserte elektrische Trennung. Dadurch können Einflüsse durch Masseschleifen, unterschiedliche Anlagenpotenziale und bestimmte elektrische Störungen reduziert werden. Diese Bauform eignet sich daher besonders für Motoren, Industriemaschinen, elektrische Geräte, Automatisierungssysteme und Mehrkanal-Temperaturerfassung.

Im Vergleich zu einer geerdeten Ausführung reagiert ein ungeerdetes Thermoelement üblicherweise langsamer, da die Wärme zunächst Schutzmantel und Isoliermaterial durchdringen muss.

Bei der Auswahl sollten Ansprechzeit, elektrische Isolation, Temperaturbereich, Fühlerdurchmesser, Mantelmaterial, Einbauart und elektrische Umgebungsbedingungen gemeinsam bewertet werden.