Einleitung

Bei der Auswahl eines Thermoelementfühlers reicht es nicht aus, lediglich den Thermoelementtyp wie K, J, T oder E festzulegen. Ebenso wichtig ist die Ausführung der Messstelle: freiliegend, geerdet bzw. mit dem Mantel verbunden oder ungeerdet bzw. elektrisch isoliert.

Diese Varianten beruhen nicht auf unterschiedlichen Messprinzipien. Sie beschreiben vielmehr, wie die Verbindungsstelle der beiden Thermoelementleiter gegenüber dem metallischen Schutzmantel des Fühlers aufgebaut ist.

Dieser konstruktive Unterschied beeinflusst unmittelbar die Ansprechzeit, die elektrische Isolation, den mechanischen Schutz und die Eignung für verschiedene Einsatzbedingungen. Thermoelemente desselben Typs und mit vergleichbaren Abmessungen können deshalb je nach Messstellenausführung deutlich unterschiedliche Eigenschaften aufweisen.

Das Wichtigste im Überblick

● Freiliegende Messstelle: Die Messstelle liegt direkt im Messmedium. Sie bietet in der Regel die schnellste Temperaturreaktion, jedoch einen geringeren mechanischen und chemischen Schutz.
● Geerdete bzw. mantelverbundene Messstelle: Die Thermoelement-Messstelle ist direkt mit dem Metallmantel verbunden. Dadurch ergibt sich eine relativ kurze Ansprechzeit bei gleichzeitig gutem mechanischem Schutz, jedoch ohne elektrische Trennung vom Mantel.
● Ungeerdete bzw. isolierte Messstelle: Die Messstelle ist elektrisch vom Metallmantel getrennt. Dadurch lassen sich Probleme durch Erdschleifen und unterschiedliche elektrische Potenziale reduzieren, allerdings ist die Ansprechzeit normalerweise länger.
● Keine der drei Ausführungen ist grundsätzlich die beste. Entscheidend sind Ansprechzeit, elektrische Umgebung, mechanischer Schutz, Messmedium und Einbausituation.

Was ist die Messstelle eines Thermoelements?

Ein Thermoelement besteht aus zwei Leitern unterschiedlicher Metalle oder Legierungen mit verschiedenen thermoelektrischen Eigenschaften. Am Messende werden beide Leiter miteinander verbunden und bilden die Messstelle, die häufig auch als Heißstelle bezeichnet wird.

Besteht zwischen Messstelle und Referenzstelle eine Temperaturdifferenz, entsteht eine thermoelektrische Spannung. Das Messgerät erfasst dieses Signal im Millivoltbereich und berechnet unter Berücksichtigung des Thermoelementtyps und der Vergleichsstellenkompensation die Temperatur.

Der eigentliche temperaturerfassende Bereich befindet sich somit an beziehungsweise unmittelbar um die Messstelle.

Bei Thermoelementfühlern mit Metallmantel entscheidet die elektrische und mechanische Verbindung zwischen Messstelle und Mantel darüber, ob es sich um eine geerdete oder ungeerdete Ausführung handelt. Befindet sich die Messstelle frei außerhalb eines Schutzmantels, spricht man von einer freiliegenden Messstelle.

Was ist ein Thermoelement mit freiliegender Messstelle?

Bei einem Thermoelement mit freiliegender Messstelle sind die beiden Thermoelementdrähte an der Spitze miteinander verbunden. Die Messstelle ist direkt der Luft, einem Gas oder einem anderen Messmedium ausgesetzt und nicht vollständig von einem Metallmantel umschlossen.

Der wesentliche Vorteil besteht darin, dass Wärme unmittelbar vom Messmedium auf die Messstelle übertragen werden kann, ohne zuvor einen Schutzmantel oder ein Isolationsmaterial durchdringen zu müssen.

Daher besitzt diese Bauform unter den drei üblichen Varianten in der Regel die kürzeste thermische Ansprechzeit.

● Vorteil: Sehr schnelle Reaktion auf Temperaturänderungen.
● Vorteil: Geringe thermische Masse, besonders geeignet für schnell wechselnde Luft- und Gastemperaturen.
● Einschränkung: Geringerer mechanischer Schutz.
● Einschränkung: Höhere Empfindlichkeit gegenüber Korrosion, Oxidation, Verschmutzung und mechanischer Beschädigung.
● Einschränkung: Die freiliegende Metallmessstelle ist elektrisch leitfähig und darf nicht ohne Weiteres an spannungsführenden Teilen eingesetzt werden.

Typische Anwendungen sind Luftströmungen, Gase, Laboraufbauten, HLK-Messungen sowie Prüfungen, bei denen eine schnelle Temperaturerfassung erforderlich ist.

Bei aggressiven Medien, hohem Druck, mechanischer Beanspruchung, Abrasion oder leitfähigen Flüssigkeiten sollte geprüft werden, ob eine geschützte Fühlerausführung geeigneter ist.

Was ist ein Thermoelement mit geerdeter Messstelle?

Ein Thermoelement mit geerdeter beziehungsweise mantelverbundener Messstelle verfügt üblicherweise über einen metallischen Schutzmantel. Die beiden Thermoelementleiter bilden an der Fühlerspitze die Messstelle, die direkt mit dem Metallmantel verbunden ist.

Das bedeutet:

Zwischen Thermoelement-Messstelle und Metallmantel besteht eine elektrische Verbindung.

Da die Wärme über den Metallmantel unmittelbar zur Messstelle übertragen werden kann, ist der thermische Übertragungsweg kürzer als bei einer ungeerdeten Ausführung. Bei vergleichbarer Fühlergröße und Konstruktion ist die Ansprechzeit daher in der Regel kürzer.

Gleichzeitig schützt der Metallmantel die innenliegenden Thermoelementdrähte und macht diese Bauform für viele industrielle Anwendungen geeignet.

● In der Regel schnelleres Ansprechverhalten als bei einer vergleichbaren ungeerdeten Ausführung.
● Guter mechanischer Schutz durch den Metallmantel.
● Geeignet für Flüssigkeiten, Gase, Maschinenoberflächen und allgemeine Prozessmessungen.
● Keine elektrische Isolation zwischen Messstelle und Mantel.
● Bei unterschiedlichen Potenzialen von Maschine, Rohrleitung, Mantel und Messgerät können Erdschleifen oder elektrische Störeinflüsse auftreten.

Wird beispielsweise ein mantelverbundenes Thermoelement an einer geerdeten Metallrohrleitung installiert und ist das Messgerät über einen anderen Weg ebenfalls geerdet, kann ein zusätzlicher elektrischer Strompfad entstehen.

Diese Ausführung eignet sich daher besonders dann, wenn eine kurze Ansprechzeit und guter mechanischer Schutz erforderlich sind und die elektrischen Erdungsverhältnisse eindeutig definiert sind.

Was ist ein Thermoelement mit ungeerdeter Messstelle?

Auch ein ungeerdetes Thermoelement besitzt üblicherweise einen metallischen Schutzmantel. Die Messstelle steht jedoch nicht in direktem elektrischem Kontakt mit diesem Mantel.

Zwischen Messstelle und Mantel befindet sich normalerweise ein elektrisch isolierendes und gleichzeitig wärmeleitendes Material, beispielsweise Magnesiumoxid.

Damit gilt:

Der Thermoelement-Messkreis ist elektrisch vom Metallmantel isoliert.

Diese Konstruktion kann Störungen reduzieren, die durch Mantelpotenziale, Geräteerdung oder andere elektrische Verbindungen innerhalb des Messsystems entstehen. Ungeerdete Thermoelemente werden deshalb häufig in industrieller Automatisierung, an elektrischen Anlagen und in komplexen Mehrkanal-Messsystemen eingesetzt.

● Elektrische Isolation zwischen Messstelle und Metallmantel.
● Geringere Anfälligkeit gegenüber Erdschleifen.
● Geeignet für Anlagen mit unterschiedlichen Erdpotenzialen.
● Guter mechanischer Schutz durch den Metallmantel.
● Aufgrund des zusätzlichen thermischen Weges durch Mantel und Isolationsmaterial ist die Reaktion in der Regel langsamer als bei einer vergleichbaren geerdeten Ausführung.

Eine ungeerdete Messstelle verhindert jedoch nicht sämtliche elektromagnetischen Störungen. Auch Leitungsführung, Schirmung, Eingangsdesign des Messgeräts, Erdungskonzept und die Nähe zu elektrischen Anlagen beeinflussen die Messstabilität.

Die wichtigsten Unterschiede im Vergleich

Unter vergleichbaren Bedingungen lassen sich die drei Ausführungen folgendermaßen gegenüberstellen:

Die angegebenen Ansprechzeiten beschreiben allgemeine konstruktive Tendenzen und sind keine festen Werte für jedes Produkt.

Die tatsächliche Ansprechzeit wird außerdem durch Fühlerdurchmesser, Mantelmaterial, Größe der Messstelle, Eintauchtiefe, Strömungsgeschwindigkeit des Mediums und Montageart beeinflusst.

Warum reagiert eine freiliegende Messstelle besonders schnell?

Die Ansprechzeit eines Thermoelements hängt wesentlich davon ab, wie schnell Wärme vom Messobjekt oder Messmedium zur Messstelle übertragen wird.

Bei einer freiliegenden Messstelle besteht direkter Kontakt zum Medium. Zusätzliche Schichten zwischen Medium und Messstelle sind praktisch nicht vorhanden.

Bei einem geerdeten Thermoelement muss die Wärme zunächst den Metallmantel durchdringen. Da die Messstelle unmittelbar mit diesem verbunden ist, bleibt der Wärmeweg jedoch relativ kurz.

Bei einem ungeerdeten Thermoelement verläuft der Wärmeweg typischerweise über:

● Das Messmedium;
● Den Metallmantel;
● Das interne Isolationsmaterial;
● Die Thermoelement-Messstelle.

Der längere thermische Übertragungsweg führt dazu, dass die Messstelle normalerweise mehr Zeit benötigt, um ein neues thermisches Gleichgewicht zu erreichen.

Warum bietet eine ungeerdete Messstelle eine bessere elektrische Isolation?

Thermoelemente liefern Signale im Millivoltbereich. Deshalb können Erdungsverhältnisse und elektrische Störungen einen vergleichsweise großen Einfluss auf das Messsystem haben.

Bei einer geerdeten Ausführung ist die Messstelle elektrisch mit dem Metallmantel verbunden. Wird dieser Mantel in einer geerdeten Maschine, Rohrleitung, Ofenanlage oder anderen metallischen Konstruktion eingebaut, kann dadurch auch der Thermoelement-Messkreis elektrisch mit der Anlage verbunden werden.

Besitzt das Messgerät zusätzlich einen weiteren Erdungspfad, können Potenzialdifferenzen oder Erdschleifen entstehen und die Messung beeinträchtigen.

Bei einer ungeerdeten Ausführung trennt eine elektrische Isolation die Messstelle vom Mantel. Dadurch besteht keine direkte elektrische Verbindung zwischen Messstelle und Anlage über den Fühlermantel.

Für welche Anwendungen eignen sich freiliegende Thermoelemente?

Freiliegende Messstellen eignen sich besonders für Anwendungen, bei denen eine schnelle Reaktion wichtiger ist als hoher mechanischer Schutz und das Messmedium die Messstelle nicht wesentlich beschädigt.

Typische Einsatzbereiche sind:

● Temperaturmessungen an Zuluft und in Luftkanälen von HLK-Anlagen;
● Luft- und Gastemperaturmessungen im Labor;
● Messung dynamischer Lufttemperaturen in Öfen;
● Inbetriebnahme von Lüftungs- und Warmluftsystemen;
● Überwachung schnell wechselnder Luftströmungen;
● Forschung, Entwicklung und Geräteprüfung.

Bei Korrosion, Abrasion, hohem Druck, mechanischem Stoß oder elektrischen Gefährdungen sind geschützte Fühlerkonstruktionen in der Regel geeigneter.

Für welche Anwendungen eignen sich geerdete Thermoelemente?

Geerdete beziehungsweise mantelverbundene Messstellen bieten einen guten Kompromiss, wenn sowohl eine relativ schnelle Reaktion als auch mechanischer Schutz erforderlich sind.

Typische Anwendungen sind:

● Temperaturmessung an Industriemaschinen;
● Messungen an Rohrleitungen und Behältern;
● Prozessmessung in Flüssigkeiten und Gasen;
● Prüfungen an HLK-Anlagen und Wärmetauschern;
● Überwachung von Heizsystemen und allgemeinen Industrieprozessen;
● Instandhaltung und thermische Zustandsdiagnose von Maschinen.

Dabei sollte stets geprüft werden, wie das Messobjekt und das Messgerät elektrisch geerdet sind.

Für welche Anwendungen eignen sich ungeerdete Thermoelemente?

Eine ungeerdete Messstelle ist häufig sinnvoll, wenn elektrische Isolation wichtiger ist als die kürzestmögliche Ansprechzeit.

Typische Anwendungen sind:

● Elektromotoren, Generatoren und andere elektrische Maschinen;
● Industrieanlagen mit komplexen Erdungssystemen;
● Automatisierungs- und Datenerfassungssysteme;
● Mehrkanal-Temperaturmesssysteme;
● Maschinen mit möglichen Potenzialunterschieden;
● Industrieanwendungen mit erhöhten Anforderungen an elektrische Isolation und Messstabilität.

In solchen Anwendungen kann eine etwas längere Ansprechzeit zugunsten einer besseren elektrischen Trennung akzeptabel sein.

Wie wählt man die geeignete Messstellenausführung?

Keine Messstellenausführung ist für jede Anwendung optimal. Bei der Auswahl sollten insbesondere folgende Fragen berücksichtigt werden:

● Ist eine sehr schnelle Reaktion erforderlich? Für schnell wechselnde Luft- oder Gastemperaturen kann eine freiliegende Messstelle sinnvoll sein. Wird zusätzlich mechanischer Schutz benötigt, ist eine geerdete Ausführung oft geeigneter.
● Gibt es komplexe Erdungsverhältnisse? Bei großen Metallmaschinen, Motoren oder Anlagen mit mehreren Erdungspfaden sollte eine ungeerdete Ausführung geprüft werden.
● Kann das Messmedium die Messstelle beschädigen? Bei Korrosion, Abrasion, Druck, Stoßbelastung oder Verschmutzung ist eine freiliegende Messstelle häufig weniger geeignet.
● Ist ein Schutzmantel erforderlich? Für dauerhafte Industrie- und Prozessinstallationen werden häufig geerdete oder ungeerdete Mantelthermoelemente eingesetzt.
● Was ist wichtiger: Ansprechgeschwindigkeit oder elektrische Isolation? Geerdete Messstellen bieten tendenziell eine schnellere Reaktion, ungeerdete Ausführungen eine bessere elektrische Trennung.

Zusätzlich sind Thermoelementtyp, Temperaturbereich, Mantelmaterial, Fühlerdurchmesser, Fühlerlänge, Messmedium und Montageart zu berücksichtigen.

Beeinflusst die Messstellenausführung die Genauigkeit?

Freiliegende, geerdete und ungeerdete Messstellen sind keine Genauigkeitsklassen.

Ein Thermoelement vom Typ K mit derselben spezifizierten Genauigkeit kann beispielsweise mit jeder dieser drei Messstellenausführungen hergestellt werden.

Die Konstruktion beeinflusst jedoch Wärmeübertragung, elektrische Verbindung und Einbauverhalten und kann dadurch indirekt das praktische Messergebnis beeinflussen.

Bei schnell wechselnden Temperaturen kann ein langsamer Fühler dem tatsächlichen Temperaturverlauf zeitlich folgen. Eine Erdschleife bei einer geerdeten Ausführung kann zudem schwankende Messwerte oder zusätzliche Messabweichungen verursachen.

Die passende Messstellenkonstruktion ist daher ein wichtiger Bestandteil einer technisch geeigneten Messlösung.

Wie erkennt man ein geerdetes oder ungeerdetes Thermoelement?

Bei einem Thermoelement mit Metallmantel ist die Herstellerangabe beziehungsweise das Datenblatt die zuverlässigste Informationsquelle.

Wenn elektrische Prüfungen zulässig sind und der Fühler sicher von spannungsführenden Geräten getrennt wurde, kann ergänzend eine Widerstands- oder Durchgangsmessung durchgeführt werden.

● Besteht elektrischer Durchgang zwischen Thermoelement-Messkreis und Metallmantel, handelt es sich in der Regel um eine geerdete Ausführung.
● Sind die Thermoelementleiter gegenüber dem Metallmantel elektrisch isoliert, handelt es sich normalerweise um eine ungeerdete Ausführung.

Bei einer freiliegenden Messstelle ist die ungeschützte Verbindung an der Fühlerspitze meist direkt sichtbar.

Bei Industrieausführungen, deren interner Aufbau nicht eindeutig erkennbar ist, sollte jedoch ausschließlich die technische Dokumentation des Herstellers herangezogen werden.

FAQ

Ist eine freiliegende Messstelle immer schneller als eine geerdete?
In der Regel ja, da sie direkt mit dem Messmedium in Kontakt steht. Die tatsächliche Ansprechzeit hängt jedoch auch von Drahtdurchmesser, Fühlerabmessungen, Strömungsgeschwindigkeit und Montageart ab. Maßgeblich sind daher die produktspezifischen Angaben.

Bedeutet „geerdete Messstelle“, dass das Thermoelement mit der Schutzerdung verbunden ist?
Nein. Der Begriff beschreibt in erster Linie die elektrische Verbindung zwischen Thermoelement-Messstelle und Metallmantel. Der Mantel selbst muss nicht mit dem Schutzleiter oder der Gebäudeerdung verbunden sein.

Ist ein ungeerdetes Thermoelement vollständig gegen elektromagnetische Störungen geschützt?
Nein. Die ungeerdete Ausführung trennt hauptsächlich Messstelle und Mantel elektrisch. Leitungsführung, Kabellänge, Schirmung, Messgeräteingang und benachbarte elektrische Anlagen können das Signal weiterhin beeinflussen.

Welche Messstelle eignet sich für Flüssigkeitstemperaturen?
Die Auswahl hängt von Medium und Einbausituation ab. Für industrielle Flüssigkeitsmessungen werden häufig geerdete oder ungeerdete Mantelfühler verwendet. Bei korrosiven oder elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten müssen zusätzlich Mantelmaterial und elektrische Isolation berücksichtigt werden.

Können Thermoelemente vom Typ K, J, T und E mit allen drei Messstellenausführungen gefertigt werden?
Ja. Der Thermoelementtyp bestimmt die thermoelektrischen Eigenschaften, während die Messstellenausführung hauptsächlich Ansprechzeit, elektrische Isolation und mechanischen Schutz beeinflusst.

Fazit

Der grundlegende Unterschied zwischen freiliegenden, geerdeten und ungeerdeten Thermoelement-Messstellen liegt in der mechanischen und elektrischen Beziehung zwischen Messstelle, Messmedium und metallischem Schutzmantel.

● Freiliegende Messstellen stehen direkt mit dem Messmedium in Kontakt und reagieren in der Regel am schnellsten, bieten jedoch weniger mechanischen Schutz.
● Geerdete Messstellen sind direkt mit dem Metallmantel verbunden und bieten einen guten Kompromiss zwischen schneller Reaktion und mechanischem Schutz. Erdung und mögliche Erdschleifen müssen jedoch berücksichtigt werden.
● Ungeerdete Messstellen sind elektrisch vom Mantel isoliert und eignen sich besonders für Anwendungen, in denen elektrische Isolation und Messstabilität im Vordergrund stehen. Ihre Reaktion ist in der Regel etwas langsamer.

Bei der Auswahl eines Thermoelementfühlers sollten deshalb neben Thermoelementtyp und Temperaturbereich auch Ansprechzeit, elektrische Umgebung, mechanischer Schutz, Messmedium und Einbaubedingungen berücksichtigt werden. Nur wenn Werkstoff, Fühlerkonstruktion und Anwendung zueinander passen, lässt sich eine stabile und zuverlässige Temperaturmessung erreichen.