Einleitung
Ja. Thermoelemente können zur Messung der Oberflächentemperatur von Metall eingesetzt werden und gehören in industriellen Anwendungen zu den etablierten kontaktierenden Temperaturmessverfahren.
Bei der Instandhaltung, in HLK-Anwendungen, im Maschinenbau, bei elektrischen Prüfungen, im Formenbau und in industriellen Produktionsprozessen müssen häufig Temperaturen an Rohren, Heizplatten, Motorgehäusen, Lagergehäusen, Metallformen oder anderen Bauteilen erfasst werden.
Wird ein geeigneter Thermoelementfühler mit ausreichendem Kontakt auf die Metalloberfläche aufgesetzt, findet ein Wärmeaustausch statt, bis sich die Temperatur der Messstelle der Oberflächentemperatur annähert.
Da Metalle jedoch meist eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen, kann das Messergebnis deutlich durch Kontaktqualität, Fühlerkonstruktion, Messposition, Umgebungsluft und Wärmeleitung beeinflusst werden. Nicht jeder Thermoelementfühler liefert daher bei einfachem Aufsetzen auf eine Metallfläche die gleiche Messqualität.
Das Wichtigste im Überblick
● Thermoelemente eignen sich für Oberflächenmessungen an industriellen Anlagen, Rohren, Formen, Motoren und mechanischen Bauteilen.
● Für zuverlässige Messungen ist ein spezieller Oberflächen-Thermoelementfühler gegenüber Luft- oder Einstechfühlern meist vorzuziehen.
● Die aktive Messstelle muss stabil und möglichst vollständig auf der Metalloberfläche aufliegen.
● Auch die Umgebungsluft beeinflusst den Wärmehaushalt des Fühlers und damit das Messergebnis.
● Oberflächenform, Rauheit, Verschmutzung, Oxidation und Messposition können den thermischen Kontakt verändern.
● Für heiße, kleine, gekrümmte oder schnell wechselnde Oberflächen sind Fühleraufbau und Ansprechzeit besonders wichtig.
Warum kann ein Thermoelement Metalloberflächen messen?
Ein Thermoelement ist ein kontaktierender Temperatursensor. Werden zwei unterschiedliche metallische Leiter zu einer Messstelle verbunden und besteht zwischen Mess- und Referenzstelle eine Temperaturdifferenz, entsteht eine temperaturabhängige Thermospannung.
Ein Thermoelement-Thermometer erfasst diese Spannung und berechnet mithilfe der Kaltstellenkompensation sowie der Kennlinie des jeweiligen Thermoelementtyps die Temperatur.
Bei der Oberflächenmessung wird nicht unmittelbar die Temperatur im Inneren des Metalls erfasst. Die Wärme wird vielmehr durch Wärmeleitung auf die Messstelle des Thermoelements übertragen.
Nach dem Aufsetzen des Fühlers:
● wird Wärme zwischen Metalloberfläche und Thermoelement-Messstelle übertragen;
● nähert sich die Temperatur der Messstelle schrittweise der Oberflächentemperatur an;
● kann der stabilisierte Messwert als Temperatur des jeweiligen Oberflächenbereichs verwendet werden.
Entscheidend ist daher, dass die Thermoelement-Messstelle möglichst genau die tatsächliche Temperatur der Oberfläche annimmt.
Warum eignet sich nicht jeder Thermoelementfühler für Oberflächenmessungen?
Thermoelementfühler werden je nach Messaufgabe unterschiedlich konstruiert.
Ein spitzer Einstechfühler ist beispielsweise in erster Linie für Flüssigkeiten, halbfeste Stoffe oder Materialien vorgesehen, in die der Fühler eingeführt werden kann. Wird nur seine Spitze leicht auf eine ebene Metallfläche aufgesetzt, ist die tatsächliche Kontaktfläche häufig sehr klein. Dadurch kann die Messung stärker von der Umgebungsluft beeinflusst werden.
Spezielle Oberflächenfühler sind dagegen so ausgelegt, dass die aktive Messstelle einen besseren thermischen Kontakt mit der Oberfläche herstellen kann.
Für wiederholbare oder genauere Oberflächenmessungen sollte daher nicht nur der Thermoelementtyp, sondern auch die mechanische Ausführung des Fühlers zur Anwendung passen.
Welche Faktoren beeinflussen die Messgenauigkeit an Metalloberflächen?
Die praktische Messabweichung wird nicht allein durch die spezifizierte Genauigkeit des Thermoelements bestimmt. Auch Messaufbau und Einsatzbedingungen spielen eine wichtige Rolle.
● Anpressdruck: Ein zu geringer Anpressdruck erhöht den thermischen Kontaktwiderstand und verlangsamt die Temperaturangleichung.
● Kontaktfläche: Je kleiner die wirksame Kontaktfläche, desto größer ist in der Regel der Einfluss der Umgebungsluft.
● Oberflächengeometrie: Ebene Flächen, Rohre, gekrümmte Bereiche und kleine Bauteile stellen unterschiedliche Anforderungen an den Fühler.
● Oberflächenzustand: Öl, Beschichtungen, Oxidschichten, Korrosion oder Unebenheiten verändern den Wärmeübergang.
● Umgebungsluft: Bei großen Temperaturunterschieden zwischen Metall und Umgebung kann der frei liegende Teil des Fühlers Wärme aufnehmen oder abgeben.
● Thermische Masse des Fühlers: Größere Fühler sind häufig robuster, reagieren jedoch langsamer und können bei kleinen Messobjekten selbst den Wärmehaushalt beeinflussen.
● Messdauer: Direkt nach dem Aufsetzen verändert sich der Messwert meist noch. Die Temperatur sollte erst nach ausreichender Stabilisierung dokumentiert werden.
Wie misst man die Temperatur einer Metalloberfläche richtig?
Zur Reduzierung von Bedien- und Wärmeleitungsfehlern sollten folgende Punkte beachtet werden:
● Einen Oberflächenfühler wählen, der für Temperaturbereich und Geometrie des Messobjekts geeignet ist;
● sicherstellen, dass Thermoelementtyp und Messgerät zueinander passen, beispielsweise Typ K mit einem für Typ K ausgelegten Thermometer;
● offensichtliche Verschmutzungen, lose Ablagerungen oder überschüssiges Öl im Messbereich gegebenenfalls entfernen;
● die aktive Messfläche vollständig und stabil auf die Metalloberfläche aufsetzen;
● einen gleichmäßigen Anpressdruck beibehalten und den Fühler während der Messung nicht unnötig bewegen;
● den Messwert erst nach ausreichender Stabilisierung erfassen;
● bei Vergleichsmessungen möglichst denselben Fühler sowie vergleichbare Anpresskraft, Messdauer und Vorgehensweise verwenden.
Für eine kontinuierliche Überwachung kann ein fest installiertes Thermoelement geeigneter sein. Je nach Anwendung kann die Messstelle beispielsweise durch Schweißen, Klemmen, Verschrauben oder eine andere geeignete Befestigungsmethode fixiert werden.
Was ist bei Rohren und gekrümmten Metalloberflächen zu beachten?
Rohre, Lagergehäuse und andere gekrümmte Bauteile bieten andere Kontaktbedingungen als ebene Flächen.
Wird ein flacher Oberflächenfühler an einem Rohr mit kleinem Durchmesser eingesetzt, berührt möglicherweise nur ein kleiner Teil der Messfläche tatsächlich die Rohrwand. Dadurch erhöht sich der thermische Kontaktwiderstand.
Für gekrümmte Oberflächen sollte deshalb nach Möglichkeit ein Fühler verwendet werden, dessen Messfläche sich gut an die Geometrie des Bauteils anpasst.
Bei einer dauerhaften Überwachung kann die Thermoelement-Messstelle an der Rohrwand befestigt werden. Sofern es die Anwendung zulässt, kann auch eine Verringerung des Wärmeaustauschs zwischen Messstelle und Umgebung die Messzuverlässigkeit verbessern.
Dabei ist zu beachten: Ein außen am Rohr angebrachtes Thermoelement misst die äußere Rohroberflächentemperatur. Diese darf insbesondere bei ausgeprägten Temperaturgradienten nicht automatisch mit der Temperatur des Mediums im Rohr gleichgesetzt werden.
Was ist bei hohen Metalltemperaturen zu beachten?
Bei hohen Oberflächentemperaturen steigen die Anforderungen an Fühlermaterial, Isolation, Anschlussleitung und Arbeitssicherheit.
Zunächst muss geprüft werden, ob der gesamte Fühleraufbau für den erforderlichen Temperaturbereich ausgelegt ist. Der theoretische Temperaturbereich eines Thermoelementtyps bedeutet nicht, dass jeder daraus gefertigte Fühler für denselben Bereich geeignet ist.
Schutzrohr, Isolation, Griff und Leitung können jeweils unterschiedliche zulässige Temperaturgrenzen besitzen.
Darüber hinaus ist der Wärmeaustausch zwischen einer heißen Metalloberfläche und der Umgebung besonders ausgeprägt. Ein zu massiver Fühler oder unzureichender Kontakt kann deshalb zu erheblichen Wärmeleitungsfehlern führen.
Bei Hochtemperaturmessungen sind Konstruktion und Befestigung des Fühlers daher besonders relevant.
Was ist der Unterschied zwischen Thermoelement und Infrarotthermometer bei Metalloberflächen?
Ein Thermoelement misst die Temperatur durch direkten Kontakt mit der Oberfläche. Ein Infrarotthermometer arbeitet berührungslos und ermittelt die Oberflächentemperatur anhand der vom Objekt abgegebenen Infrarotstrahlung.
Bei Metallen kann die Infrarotmessung insbesondere an blankem Edelstahl, Aluminium, Kupfer und anderen Oberflächen mit niedrigem Emissionsgrad anspruchsvoll sein. Der Messwert kann durch den eingestellten Emissionsgrad sowie reflektierte Wärmestrahlung aus der Umgebung beeinflusst werden.
Ein Oberflächen-Thermoelement ist nicht vom Emissionsgrad abhängig und stellt daher eine wichtige Alternative dar, wenn eine kontaktierende Messung möglich ist.
Auch Thermoelemente haben jedoch mögliche Fehlerquellen, darunter Kontaktwärmewiderstand, Ansprechzeit und Wärmeleitung. Keine der beiden Methoden ist unter allen Bedingungen grundsätzlich genauer; die geeignete Messmethode hängt von der jeweiligen Anwendung ab.
FAQ
Kann ein normales Typ-K-Thermoelement eine Metalloberfläche messen?
Ja. Entscheidend ist jedoch die Fühlerkonstruktion. Ein Perlen-, Einstech- oder Universalfühler stellt möglicherweise keinen optimalen Kontakt zur Oberfläche her. Für reproduzierbare Messungen empfiehlt sich ein spezieller Typ-K-Oberflächenfühler.
Warum zeigt das Thermoelement eine zu niedrige Metalltemperatur an?
Häufige Ursachen sind schlechter Kontakt, eine zu kleine Kontaktfläche, Wärmeabgabe des Fühlers an die Umgebungsluft, eine zu große thermische Masse oder eine noch nicht stabilisierte Messstelle. Ist das Metall wärmer als die Umgebung, führen diese Effekte häufig zu einem zu niedrigen Anzeigewert.
Muss der Fühler stark gegen das Metall gedrückt werden?
Ein stabiler Kontakt ist erforderlich, übermäßiger Druck jedoch nicht. Entscheidend ist eine gute thermische Verbindung zwischen aktiver Messfläche und Oberfläche, ohne den Fühler zu beschädigen.
Kann die Temperatur einer lackierten Metalloberfläche gemessen werden?
Ja. Gemessen wird jedoch unmittelbar die Temperatur der Lack- oder Beschichtungsoberfläche. Dicke, Wärmeleitfähigkeit und Haftung der Beschichtung können dazu führen, dass diese Temperatur von der Temperatur des darunterliegenden Metalls abweicht.
Kann ein Thermoelement eine bewegte Metalloberfläche messen?
Ein herkömmlicher Kontaktfühler ist für schnell bewegte Metallflächen meist ungeeignet, da Verschleiß, instabiler Kontakt und Sicherheitsrisiken auftreten können. Je nach Anwendung eignen sich spezielle Rollfühler oder berührungslose Messverfahren besser.
Entspricht die gemessene Oberflächentemperatur der Temperatur im Inneren des Metalls?
Nicht zwingend. Ein Oberflächenfühler erfasst die Temperatur im Bereich der Kontaktstelle. Bei vorhandenen Temperaturgradienten kann die Oberflächentemperatur deutlich von der Innentemperatur abweichen.
Fazit
Thermoelemente eignen sich sehr gut zur Messung von Metalloberflächentemperaturen und werden unter anderem in der industriellen Instandhaltung, im Maschinenbau, in HLK-Anwendungen, bei Rohrleitungsprüfungen, der Motorüberwachung, im Formenbau und im Labor eingesetzt.
Die Qualität der Messung hängt nicht nur von der Genauigkeit des Thermoelements ab, sondern insbesondere von Fühlertyp, Kontaktfläche, Anpressdruck, Ansprechzeit, Umgebungsbedingungen sowie Geometrie und Zustand der Oberfläche.
Für zuverlässige Ergebnisse sollte ein geeigneter Oberflächenfühler verwendet, ein guter thermischer Kontakt hergestellt und die Stabilisierung des Messwerts abgewartet werden. Bei hohen Temperaturen, gekrümmten oder kleinen Bauteilen sowie schnell wechselnden Temperaturen kann eine speziell angepasste Fühlerkonstruktion oder Befestigung erforderlich sein.
