Einleitung

Bei der Auswahl eines Thermoelements oder Thermoelement-Thermometers finden sich häufig Angaben wie „Klasse 1“, „Klasse 2“ oder „Genauigkeitsklasse“. Diese Angaben werden teilweise als Genauigkeit des gesamten Messgeräts verstanden. So entsteht beispielsweise die Annahme, dass ein Thermoelement der Klasse 1 automatisch eine Gesamtmessgenauigkeit von ±1,5 °C gewährleistet.

Das ist technisch nicht korrekt.

Präziser handelt es sich bei diesen Angaben um Toleranzklassen. Sie legen fest, wie stark die tatsächlich erzeugte Thermospannung eines Thermoelements von der genormten Temperatur-Thermospannungs-Kennlinie des jeweiligen Thermoelementtyps abweichen darf.

Die Klasse beschreibt daher in erster Linie die Eigenschaften des Thermoelements selbst und nicht die Gesamtmessabweichung eines vollständigen Thermoelement-Thermometers.

Das Wichtigste in Kürze

● Die Genauigkeitsklasse eines Thermoelements ist technisch eine Toleranzklasse des Thermoelements.
● Klasse 1, Klasse 2 und Klasse 3 erlauben unterschiedliche Abweichungen; Klasse 1 weist in der Regel engere Toleranzen als Klasse 2 auf.
● Dieselbe Klasse bedeutet bei unterschiedlichen Thermoelementtypen und Temperaturen nicht zwangsläufig denselben Zahlenwert.
● Die Toleranz wird häufig als Kombination aus einem festen Temperaturwert und einem temperaturabhängigen Prozentwert angegeben.
● Ein Fühler der Klasse 1 macht aus einem Thermoelement-Thermometer nicht automatisch ein Messsystem der Klasse 1.
● Zur tatsächlichen Messabweichung tragen zusätzlich Messgerät, Vergleichsstellenkompensation, Steckverbinder, Ausgleichs- bzw. Verlängerungsleitungen, Einbausituation und Umgebungsbedingungen bei.

Was ist die Genauigkeitsklasse eines Thermoelements?

Thermoelemente bestimmen Temperaturen anhand der Thermospannung, die zwischen zwei unterschiedlichen metallischen Leitern entsteht. Für genormte Thermoelementtypen wie K, J, T, E, N, R, S und B sind definierte Zusammenhänge zwischen Temperatur und Thermospannung festgelegt.

Im Idealfall würde jedes Thermoelement desselben Typs bei derselben Temperatur exakt dieselbe Thermospannung erzeugen.

In der Praxis führen jedoch Unterschiede in Legierungszusammensetzung, Fertigung und Materialzustand zu geringfügigen Abweichungen von der genormten Kennlinie.

Die Toleranzklasse legt fest, wie groß diese Abweichung maximal sein darf.

IEC 60584-1 definiert Referenzfunktionen und Toleranzen für die gebräuchlichen, mit Buchstaben bezeichneten Thermoelementtypen K, J, T, E, N, R, S und B.

Technisch lässt sich die Genauigkeitsklasse daher folgendermaßen beschreiben:

Maximal zulässige Abweichung eines Thermoelements von seiner genormten Temperatur-Thermospannungs-Kennlinie.

Je enger die Toleranzklasse, desto kleiner die zulässige Abweichung und desto höher die Anforderungen an die Gleichmäßigkeit des Thermoelementmaterials.

Was bedeuten Klasse 1, Klasse 2 und Klasse 3?

Im IEC-System werden für Thermoelemente häufig die Klassen 1, 2 und 3 verwendet.

Grundsätzlich gilt:

● Klasse 1: engere Toleranzen und höhere Anforderungen an die thermischen Eigenschaften des Thermoelements.
● Klasse 2: häufig verwendete industrielle Toleranzklasse mit größerer zulässiger Abweichung.
● Klasse 3: für bestimmte Thermoelementtypen und definierte niedrige Temperaturbereiche vorgesehen; nicht für jeden Thermoelementtyp verfügbar.

Die Klassen dürfen nicht vereinfacht als „Klasse 1 = ±1,5 °C“ oder „Klasse 2 = ±2,5 °C“ interpretiert werden.

Die zulässige Abweichung hängt sowohl vom Thermoelementtyp als auch von der tatsächlichen Temperatur ab.

Für ein Thermoelement Typ K gelten nach IEC 60584-1 beispielsweise häufig folgende Werte:

Dabei bezeichnet t die gemessene Temperatur in °C. Maßgebend ist grundsätzlich der jeweils größere Absolutwert der beiden Angaben.

Warum wird die Toleranz sowohl in °C als auch prozentual angegeben?

Thermoelemente decken typischerweise sehr große Temperaturbereiche ab. Ein Thermoelement Typ K kann je nach Konstruktion beispielsweise von niedrigen Temperaturen bis deutlich über 1000 °C eingesetzt werden.

Ein einziger fester ±°C-Wert würde die zulässigen thermischen Abweichungen über einen derart großen Bereich nicht angemessen abbilden.

Deshalb wird die Toleranz häufig aus zwei Angaben bestimmt:

● Einem festen Temperaturwert, beispielsweise ±1,5 °C.
● Einer temperaturabhängigen Toleranz, beispielsweise ±0,004 × |t|.

Der größere Wert ist anzuwenden.

Bei einem Thermoelement Typ K, Klasse 1, und einer Messtemperatur von 200 °C ergibt sich:

Feste Toleranz:

±1,5 °C

Temperaturabhängige Toleranz:

±0,004 × 200 = ±0,8 °C

Es gilt somit:

±1,5 °C

Bei 800 °C:

Feste Toleranz:

±1,5 °C

Temperaturabhängige Toleranz:

±0,004 × 800 = ±3,2 °C

Damit gilt:

±3,2 °C

Klasse 1 steht folglich nicht über den gesamten gültigen Temperaturbereich für einen konstanten ±°C-Wert.

Bedeutet dieselbe Klasse bei allen Thermoelementtypen dieselbe Genauigkeit?

Nein.

Klasse 1 und Klasse 2 bezeichnen Toleranzklassen, die konkreten Grenzwerte unterscheiden sich jedoch je nach Thermoelementtyp.

Grund dafür sind unterschiedliche Werkstoffkombinationen, thermische Eigenschaften und zulässige Einsatztemperaturen.

Bei Thermoelementen Typ T kann die feste Toleranz der Klasse 1 in einem Teil des spezifizierten Bereichs beispielsweise ±0,5 °C betragen, während bei den Typen K, J, E und N in den entsprechenden Bereichen häufig ±1,5 °C verwendet werden.

Für einen korrekten Vergleich sind daher immer folgende Angaben gemeinsam zu betrachten:

● Thermoelementtyp.
● Angewandte Norm.
● Toleranzklasse.
● Für die Klasse gültiger Temperaturbereich.
● Konkrete Toleranz bei der tatsächlichen Messtemperatur.

Die reine Klassenbezeichnung reicht nicht aus, um die zulässige Messabweichung zu bestimmen.

Sind Genauigkeitsklasse und Messbereich dasselbe?

Nein.

Es handelt sich um zwei unterschiedliche technische Kenngrößen.

Der Mess- bzw. Einsatzbereich beschreibt den Temperaturbereich, in dem das Thermoelement unter Berücksichtigung von Thermodrähten, Isolation, Schutzmantel und Fühlerkonstruktion eingesetzt werden kann.

Der Gültigkeitsbereich einer Toleranzklasse beschreibt dagegen den Temperaturbereich, innerhalb dessen die genormte Toleranz dieser Klasse gilt.

Beide Bereiche müssen nicht identisch sein.

Ein Thermoelement kann konstruktiv möglicherweise höhere Temperaturen vertragen, obwohl die Toleranzklasse 1 nur bis zu einer bestimmten Temperatur definiert ist.

Das bedeutet nicht automatisch, dass das Thermoelement oberhalb dieser Temperatur nicht mehr funktioniert. Es bedeutet vielmehr, dass seine Abweichung dort nicht mehr anhand der betreffenden Klasse-1-Toleranz bewertet werden kann.

Neben der Frage

„Welche maximale Temperatur kann der Fühler messen?“

ist daher ebenso wichtig:

„Bis zu welcher Temperatur gilt die benötigte Toleranzklasse?“

Ist Klasse 1 immer besser als Klasse 2?

Aus Sicht der Werkstofftoleranz weist Klasse 1 beim gleichen Thermoelementtyp und innerhalb des jeweils gültigen Temperaturbereichs in der Regel eine kleinere zulässige Abweichung auf als Klasse 2.

Das bedeutet jedoch nicht, dass jede Anwendung Klasse 1 benötigt.

Bei allgemeinen Wartungsmessungen, HVAC-Anwendungen, Maschinenkontrollen oder Trendmessungen kann der praktische Unterschied zwischen etwa ±1 °C und ±2 °C für die Entscheidung unerheblich sein.

In solchen Fällen kann Klasse 2 vollständig ausreichend sein.

Bei Laborprüfungen, Temperaturverifizierungen, präziser Prozessregelung oder Vergleichsmessungen mit kleinen Temperaturdifferenzen kann dagegen eine engere Toleranz sinnvoll sein.

Die geeignete Auswahl lautet daher:

Die Toleranzklasse sollte entsprechend dem tatsächlichen Temperaturbereich und der maximal zulässigen Messabweichung der Anwendung gewählt werden.

Warum entspricht die Thermoelementklasse nicht der Genauigkeit des Thermometers?

Dies ist einer der wichtigsten Punkte bei der Bewertung von Thermoelement-Messsystemen.

Ein vollständiges Messsystem kann aus folgenden Komponenten bestehen:

● Messstelle des Thermoelements.
● Thermodrähte.
● Steckverbinder oder Verlängerungsleitungen.
● Eingangsschaltung des Messgeräts.
● Analog-Digital-Wandler.
● Sensor für die Vergleichsstellentemperatur.
● Vergleichsstellenkompensation.
● Linearisierung des Thermoelementsignals.

Klasse 1 oder Klasse 2 beschreibt in erster Linie die zulässige Abweichung des Thermoelements gegenüber der genormten Kennlinie.

Der angezeigte Temperaturwert wird jedoch zusätzlich durch die Genauigkeit des Messgeräts, die Vergleichsstellenkompensation und weitere Komponenten beeinflusst.

Vereinfacht gilt:

Thermoelementtoleranz ≠ Messgerätegenauigkeit ≠ Gesamtgenauigkeit des Messsystems.

Ein Thermoelement der Klasse 1 erreicht an einem Messgerät mit vergleichsweise großer Eigenabweichung nicht automatisch eine hohe Systemgenauigkeit.

Umgekehrt bleibt auch ein hochgenaues Messgerät durch die Toleranz eines weniger genauen Thermoelements begrenzt.

Welche Faktoren beeinflussen die tatsächliche Messgenauigkeit?

Neben der Toleranzklasse wirken sich weitere Faktoren auf das Messergebnis aus.

● Genauigkeit des Messgeräts: Eingangsschaltung, Analog-Digital-Wandlung und interne Berechnung verursachen eigene Messabweichungen.
● Vergleichsstellenkompensation: Die Temperatur am Anschluss des Thermoelements muss erfasst und kompensiert werden. Fehler dieser Kompensation wirken direkt auf das Ergebnis.
● Ausgleichsleitungen und Steckverbinder: Falsche Leitungstypen, ungeeignete Kontaktmaterialien oder fehlerhafte Verdrahtung können zusätzliche Thermospannungen erzeugen.
● Thermischer Kontakt: Schlechter Kontakt kann dazu führen, dass der Fühler stärker von der Umgebung als von der tatsächlichen Objekttemperatur beeinflusst wird.
● Wärmeleitung: Schutzrohr, Fühlerleitung und Montageelemente können Wärme von der Messstelle ableiten.
● Ansprechzeit: Bei schnell veränderlichen Temperaturen kann der Fühler den thermischen Gleichgewichtszustand noch nicht erreicht haben.
● Langzeitdrift: Hohe Temperaturen, Oxidation, Verunreinigungen und wiederholte Temperaturzyklen können die thermoelektrischen Eigenschaften langfristig verändern.

Bei anspruchsvollen Messaufgaben reicht es deshalb nicht aus, lediglich zwischen Klasse 1 und Klasse 2 zu unterscheiden.

Wie sollte die Toleranzklasse ausgewählt werden?

Eine praxisgerechte Auswahl erfolgt schrittweise:

● Mindest- und Höchsttemperatur der Anwendung bestimmen.
● Einen geeigneten Thermoelementtyp wie K, J, T, E oder N entsprechend Temperaturbereich, Umgebung und Fühlerkonstruktion auswählen.
● Prüfen, ob die tatsächliche Betriebstemperatur innerhalb des gültigen Bereichs der gewünschten Toleranzklasse liegt.
● Klasse 1, Klasse 2 oder eine andere geeignete Klasse anhand der zulässigen Prozessabweichung auswählen.
● Die Genauigkeit und die Qualität der Vergleichsstellenkompensation des Thermoelement-Messgeräts prüfen.
● Bei höheren Genauigkeitsanforderungen die Gesamtbeiträge von Fühler, Messgerät, Leitungen und Einbau berücksichtigen.

Für routinemäßige Wartungs- und Kontrollmessungen ist die höchste Toleranzklasse nicht immer erforderlich.

Wenn Temperaturmessungen jedoch unmittelbar die Prozessführung, Produktqualität oder Laborergebnisse beeinflussen, sollten sowohl die Thermoelementtoleranz als auch die Gesamtmessunsicherheit betrachtet werden.

Lassen sich Genauigkeitsklassen verschiedener Normen direkt vergleichen?

Nicht allein anhand ihrer Bezeichnung.

Im IEC-System werden häufig Klasse 1, Klasse 2 und Klasse 3 verwendet. ASTM E230/E230M arbeitet dagegen unter anderem mit Bezeichnungen wie Standard Limits of Error und Special Limits of Error.

Temperaturbereiche, Toleranzgrenzen und Definitionen unterscheiden sich.

Daher darf eine Bezeichnung aus einem Normensystem nicht ohne Weiteres einer Bezeichnung aus einem anderen System gleichgesetzt werden.

Steht in einer Spezifikation beispielsweise:

„Type K, Class 1“

oder

„Type K, Special Limits of Error“,

sollte immer geprüft werden, welche Norm zugrunde liegt.

Für technische Vergleiche sind Norm, Thermoelementtyp, Temperaturbereich und konkrete Toleranzwerte gemeinsam zu betrachten.

FAQ

Ist ein Thermoelement der Klasse 1 genauer als Klasse 2?

Bei gleichem Thermoelementtyp, gleicher Norm und im jeweils gültigen Temperaturbereich weist Klasse 1 normalerweise die engere Toleranz auf.

Bedeutet Typ K, Klasse 1 immer ±1,5 °C?

Nein. Bei höheren Temperaturen kann der temperaturabhängige Anteil von ±0,004 × |t| größer werden und damit die maßgebende Toleranz bestimmen.

Garantiert Klasse 1 eine Gesamtgenauigkeit des Messgeräts von ±1,5 °C?

Nein. Klasse 1 beschreibt primär die Thermoelementtoleranz. Messgeräteabweichung, Vergleichsstellenkompensation und weitere Systemeinflüsse kommen hinzu.

Bedeutet eine höhere Klasse automatisch einen größeren Temperaturbereich?

Nein. Toleranzklasse und Temperaturbereich sind unterschiedliche Kenngrößen. Eine engere Klasse kann sogar über einen kleineren Bereich definiert sein.

Gibt es für alle Thermoelementtypen Klasse 1, Klasse 2 und Klasse 3?

Nein. Verfügbare Klassen und Temperaturbereiche unterscheiden sich je nach Thermoelementtyp.

Reicht die Toleranzklasse für die Auswahl eines Thermoelements aus?

Nein. Auch Thermoelementtyp, Temperaturbereich, Fühlerkonstruktion, Ansprechzeit, Umgebung und Messgerätegenauigkeit sind zu berücksichtigen.

Zusammenfassung

Die Genauigkeitsklasse eines Thermoelements beschreibt die zulässige Abweichung gegenüber der genormten Temperatur-Thermospannungs-Kennlinie.

Klasse 1, Klasse 2 und Klasse 3 sind keine festen ±°C-Angaben für den gesamten Messbereich. Die tatsächliche Toleranz hängt vom Thermoelementtyp, von der zugrunde liegenden Norm und von der Messtemperatur ab.

Bei der Auswahl sollte geprüft werden:

● Ob die gewünschte Klasse den tatsächlichen Betriebstemperaturbereich abdeckt.
● Wie groß die zulässige Abweichung bei der Zieltemperatur ist.
● Ob die Fühlertoleranz für die Anwendung ausreicht.
● Welche Genauigkeit das verwendete Thermoelement-Messgerät besitzt.
● Welche Gesamtleistung sich aus Fühler, Leitungen, Messgerät und Einbausituation ergibt.

Die Genauigkeit eines Thermoelement-Messsystems sollte daher nicht allein nach „Klasse 1“ oder „Klasse 2“ beurteilt werden. Entscheidend ist die gemeinsame Betrachtung von Thermoelementtoleranz, Messgerätegenauigkeit und realen Einsatzbedingungen.