Einleitung
In den technischen Daten von Thermoelement-Thermometern und Temperaturfühlern findet sich häufig die Angabe „Ansprechzeit“, beispielsweise 0,5 s, 2 s, 5 s, T63 oder T90.
Dieser Wert beschreibt nicht den maximalen oder minimalen Messbereich des Thermoelements. Er gibt vielmehr an, wie schnell der Thermoelementfühler einer Änderung der zu messenden Temperatur folgen kann.
Bei langsam veränderlichen Temperaturen spielt die Ansprechzeit häufig nur eine untergeordnete Rolle. Bei schnellen Aufheiz- und Abkühlprozessen, Strömungsmessungen, bewegten Produktionsprozessen oder anderen dynamischen Anwendungen kann sie jedoch entscheidend dafür sein, ob Temperaturänderungen rechtzeitig erfasst werden.
Die wichtigsten Punkte
● Die Ansprechzeit beschreibt die Zeit, die ein Thermoelement benötigt, um sich nach einer Temperaturänderung einem neuen Temperaturwert anzunähern.
● Häufig wird die Ansprechzeit als T63 oder T90 angegeben. Werte mit unterschiedlichen Definitionen sind nicht direkt vergleichbar.
● Dünnere Thermoelementdrähte, kleinere Fühlerdurchmesser und eine geringere thermische Masse führen in der Regel zu einer schnelleren Reaktion.
● Freiliegende Messstellen reagieren normalerweise schneller als ummantelte oder zusätzlich geschützte Fühler, bieten jedoch weniger mechanischen Schutz.
● Derselbe Fühler kann in Luft, Flüssigkeiten und an festen Oberflächen deutlich unterschiedliche Ansprechzeiten aufweisen.
● Fühlerkonstruktion, Eintauchtiefe, thermischer Kontakt, Strömungsgeschwindigkeit und Temperaturdifferenz beeinflussen die tatsächliche Reaktionsgeschwindigkeit.
Was ist die Ansprechzeit eines Thermoelements?
Die Ansprechzeit eines Thermoelements ist die Zeitspanne, die die Messstelle benötigt, um nach einem Wechsel der thermischen Umgebung einen festgelegten Anteil der gesamten Temperaturänderung zu erreichen.
Befindet sich ein Thermoelement beispielsweise zunächst bei 20 °C und wird anschließend schnell in eine stabile Umgebung mit 100 °C gebracht, beträgt die gesamte Temperaturänderung:
100 °C − 20 °C = 80 °C
Die Anzeige springt nicht sofort von 20 °C auf 100 °C. Die Temperatur der Messstelle steigt schrittweise an, während Wärme aufgenommen wird und sich der Fühler dem neuen thermischen Gleichgewicht nähert.
Die Ansprechzeit beschreibt somit die Geschwindigkeit dieses Übergangs.
Sie darf nicht mit der Messgenauigkeit verwechselt werden. Ein Thermoelement kann sehr genau messen und dennoch vergleichsweise langsam reagieren. Umgekehrt kann ein sehr schneller Fühler weiterhin Messabweichungen aufweisen, die beispielsweise durch Thermoelementtoleranz, Messgerätegenauigkeit, Vergleichsstellenkompensation oder Einbaubedingungen entstehen.
Warum zeigt ein Thermoelement eine neue Temperatur nicht sofort an?
Die Temperaturmessung mit einem Thermoelement basiert auf der Wärmeübertragung zwischen dem Messmedium und der Messstelle. Erst wenn sich die Temperatur der Messstelle verändert, ändert sich auch die erzeugte Thermospannung.
Dieser Vorgang benötigt Zeit.
● Wärme wird zunächst vom Messmedium auf die Oberfläche des Fühlers übertragen.
● Anschließend gelangt sie gegebenenfalls durch Mantel, Schutzschichten oder Isoliermaterial zur Messstelle.
● Die Messstelle selbst muss erwärmt oder abgekühlt werden.
● Mit der Temperatur der Messstelle verändert sich die Thermospannung.
● Das Messgerät erfasst die Spannung, rechnet sie in einen Temperaturwert um und aktualisiert die Anzeige.
Die Ansprechgeschwindigkeit wird daher nicht nur vom Thermoelementdraht bestimmt, sondern vom gesamten mechanischen Aufbau des Fühlers und den Wärmeübergangsbedingungen.
Was bedeuten T63 und T90?
Die Ansprechzeit wird üblicherweise nicht als die Zeit definiert, nach der die endgültige Temperatur vollständig erreicht ist. Thermische Systeme nähern sich ihrem Endwert schrittweise an.
Daher wird die Ansprechzeit anhand eines definierten Anteils der gesamten Temperaturänderung angegeben. Häufig verwendet werden T63 und T90.
● T63: Zeit bis zum Erreichen von etwa 63,2 % der gesamten Temperaturänderung.
● T90: Zeit bis zum Erreichen von 90 % der gesamten Temperaturänderung.
Bei einer Änderung von 20 °C auf 100 °C beträgt die Temperaturdifferenz 80 °C.
Für T63 ergibt sich:
20 °C + 80 °C × 63,2 % ≈ 70,6 °C
Erreicht der Fühler nach einer Sekunde etwa 70,6 °C, beträgt seine T63-Ansprechzeit ungefähr 1 s.
Für T90 gilt:
20 °C + 80 °C × 90 % = 92 °C
Werden 92 °C nach etwa 2,3 Sekunden erreicht, beträgt die T90-Ansprechzeit ungefähr 2,3 s.
Beim Vergleich verschiedener Fühler muss deshalb geprüft werden, ob T63, T90 oder eine andere Definition verwendet wurde. Angaben wie „1 s“ und „2 s“ sind ohne Kenntnis der jeweiligen Prüfkriterien nur eingeschränkt vergleichbar.
Welche Faktoren beeinflussen die Ansprechzeit?
Die Ansprechgeschwindigkeit hängt im Wesentlichen davon ab, wie schnell Wärme vom Messobjekt beziehungsweise Messmedium zur Messstelle gelangt.
● Fühlerdurchmesser: Kleinere Durchmesser bedeuten in der Regel eine geringere thermische Masse und damit eine schnellere Reaktion.
● Drahtdurchmesser: Dünnere Thermoelementdrähte besitzen meist eine geringere Wärmekapazität und können Temperaturänderungen schneller folgen.
● Ausführung der Messstelle: Eine freiliegende Messstelle steht direkt mit dem Messmedium in Kontakt und reagiert üblicherweise am schnellsten.
● Schutzmantel: Dicke Edelstahlmäntel, Keramikschutzrohre oder andere Schutzkonstruktionen erhöhen die Robustheit, vergrößern jedoch meist die thermische Masse.
● Messmedium: Flüssigkeiten übertragen Wärme üblicherweise effizienter als ruhende Luft. Derselbe Fühler reagiert daher in einer Flüssigkeit häufig schneller.
● Strömungsgeschwindigkeit: Eine höhere Gas- oder Flüssigkeitsgeschwindigkeit verbessert im Allgemeinen den konvektiven Wärmeübergang und kann die Ansprechzeit verkürzen.
● Oberflächenkontakt: Luftspalte, Verschmutzungen, zu geringer Anpressdruck oder eine ungeeignete Fühlergeometrie können bei Oberflächenmessungen den Wärmeübergang verlangsamen.
● Eintauchtiefe: Eine zu geringe Eintauchtiefe kann den Einfluss der Umgebungstemperatur und der Wärmeleitung entlang des Fühlers erhöhen.
Warum reagieren unterschiedliche Thermoelementfühler unterschiedlich schnell?
Auch zwei Fühler desselben Thermoelementtyps, beispielsweise Typ K, J, T oder E, können deutlich unterschiedliche Ansprechzeiten besitzen.
Der Thermoelementtyp bestimmt vor allem die verwendeten Werkstoffe, die thermoelektrische Kennlinie und den geeigneten Temperaturbereich. Die Ansprechzeit wird dagegen wesentlich stärker vom mechanischen Aufbau beeinflusst.
Ein freiliegendes Feindraht-Thermoelement besitzt nur eine geringe thermische Masse und kann daher sehr schnell reagieren.
Industrielle Mantelthermoelemente verfügen dagegen über einen Metallmantel, Isoliermaterial und mechanische Schutzstrukturen. Die Wärme muss diese Materialien durchdringen, bevor sie die Messstelle erreicht.
Zusätzliche Schutzrohre können die Druck-, Abrieb-, Korrosions- oder mechanische Beständigkeit weiter verbessern, verlängern jedoch normalerweise die Ansprechzeit.
Die Fühlerauslegung ist deshalb stets ein Kompromiss zwischen Ansprechgeschwindigkeit, mechanischer Festigkeit, Lebensdauer und Umgebungsbeständigkeit.
Ist eine möglichst kurze Ansprechzeit immer besser?
Nein.
Eine kurze Ansprechzeit ermöglicht es dem Fühler, schnelle Temperaturänderungen besser zu verfolgen. Dafür sind jedoch häufig kleine Fühlerdurchmesser, weniger Schutzmaterial oder freiliegende Messstellen erforderlich, was die mechanische Belastbarkeit und Lebensdauer reduzieren kann.
● Für Laboranwendungen mit schnellen Temperaturänderungen eignen sich häufig Feindraht- oder Kleindurchmesserfühler.
● In Industrieöfen oder an Hochtemperaturanlagen können Robustheit, Temperaturbeständigkeit und Langzeitstabilität wichtiger sein als maximale Geschwindigkeit.
● Bei Flüssigkeits- und Rohrleitungsmessungen müssen zusätzlich Dichtheit, Druckfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit berücksichtigt werden.
● Bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten ist eine geringe thermische Masse vorteilhaft, gleichzeitig muss der Fühler mechanisch ausreichend stabil sein.
Der schnellste Fühler ist daher nicht automatisch der geeignetste.
Wie beeinflusst die Ansprechzeit die praktische Messung?
Ändert sich die Prozesstemperatur wesentlich langsamer als der Fühler reagieren kann, hat die Ansprechzeit normalerweise nur geringen Einfluss auf das Messergebnis.
Bei schnellen Temperaturänderungen und einem langsamen Fühler entsteht dagegen ein deutlicher zeitlicher Temperaturverzug.
Steigt ein Objekt beispielsweise innerhalb weniger Sekunden von 50 °C auf 150 °C, während der eingesetzte Fühler mehr als zehn Sekunden benötigt, um sich der neuen Temperatur anzunähern, kann die Anzeige während des Aufheizens deutlich unter der tatsächlichen momentanen Temperatur liegen.
Beim schnellen Abkühlen kann der gegenteilige Effekt auftreten: Die angezeigte Temperatur bleibt vorübergehend zu hoch.
Bei dynamischen Prozessen beeinflusst die Ansprechzeit daher nicht nur die Zeit bis zu einer stabilen Anzeige, sondern auch die Fähigkeit, Temperaturspitzen, Minimalwerte und kurzzeitige thermische Ereignisse zu erfassen.
Wie wählt man eine geeignete Ansprechzeit?
Entscheidend ist zunächst, wie schnell sich die Temperatur im jeweiligen Prozess tatsächlich verändert.
● Bei langsamen Änderungen über mehrere Minuten ist eine extrem schnelle Ansprechzeit meist nicht erforderlich.
● Bei Aufheiz- oder Abkühlvorgängen innerhalb weniger Sekunden sind kleine, thermisch leichte Fühler vorteilhaft.
● Für sehr kurze Temperaturspitzen müssen Messstellenkonstruktion, Drahtdurchmesser und Abtastrate des gesamten Messsystems berücksichtigt werden.
● In Umgebungen mit mechanischer Belastung, Korrosion, Druck oder sehr hohen Temperaturen muss die Reaktionsgeschwindigkeit gegen Schutzwirkung und Lebensdauer abgewogen werden.
Auch das Messgerät selbst beeinflusst das Gesamtverhalten.
Abtastintervall, digitale Filterung, Anzeigeaktualisierung und Datenaufzeichnungsrate können bestimmen, wie schnell eine Temperaturänderung sichtbar wird. Bei dynamischen Messungen sollten deshalb sowohl die Ansprechzeit des Fühlers als auch die Abtastleistung des Messgeräts bewertet werden.
FAQ
Sind Ansprechzeit und Messgenauigkeit dasselbe?
Nein. Die Ansprechzeit beschreibt die Reaktionsgeschwindigkeit auf Temperaturänderungen. Die Genauigkeit beschreibt die Abweichung zwischen Messwert und tatsächlicher Temperatur.
Ist T90 länger als T63?
Ja. Unter identischen Bedingungen ist T90 normalerweise länger, weil sich der Fühler dem endgültigen Temperaturwert stärker annähern muss.
Warum reagiert derselbe Fühler in Wasser schneller als in Luft?
Flüssigkeiten übertragen Wärme normalerweise effizienter als ruhende Luft. Dadurch kann sich die Messstelle schneller erwärmen oder abkühlen.
Reagiert ein dünnerer Fühler immer schneller?
Im Allgemeinen begünstigt ein kleinerer Durchmesser eine schnellere Reaktion. Die tatsächliche Ansprechzeit hängt jedoch auch von Messstellenaufbau, Mantelmaterial, Medium und Einbausituation ab.
Ist eine freiliegende Messstelle am schnellsten?
In der Regel ja. Da die Messstelle direkt mit dem Medium in Kontakt steht, sind die thermischen Barrieren minimal. Der mechanische und chemische Schutz ist jedoch geringer.
Bedeutet eine langsam aktualisierte Anzeige automatisch, dass das Thermoelement langsam ist?
Nein. Auch Abtastrate, digitale Filter und Aktualisierungsrate des Messgeräts können die sichtbare Reaktionsgeschwindigkeit begrenzen.
Zusammenfassung
Die Ansprechzeit beschreibt, wie schnell ein Thermoelementfühler einer Änderung der zu messenden Temperatur folgt. Sie ist insbesondere bei dynamischen Temperaturmessungen ein wichtiger Kennwert.
Die tatsächliche Reaktionsgeschwindigkeit wird weniger durch den Thermoelementtyp als durch Fühlerdurchmesser, Messstellenaufbau, Schutzmantel, Messmedium, Strömungsgeschwindigkeit und Einbaubedingungen bestimmt.
Beim Vergleich technischer Daten sollte immer geprüft werden, ob sich die Ansprechzeit auf T63, T90 oder ein anderes Kriterium bezieht und unter welchen Prüfbedingungen sie ermittelt wurde.
Für schnelle Prozesse sind Fühler mit geringer thermischer Masse und kleinem Durchmesser meist vorteilhaft. In anspruchsvollen Industrieumgebungen müssen dagegen Ansprechgeschwindigkeit, mechanische Festigkeit, Lebensdauer und Umgebungsbeständigkeit gemeinsam berücksichtigt werden.
