Einleitung
In den technischen Daten von Thermoelement-Thermometern und Temperaturfühlern finden sich häufig Angaben wie „-200 bis 1370 °C“ oder „0 bis 1300 °C“. Diese Werte beschreiben den vorgesehenen Messbereich. In der Praxis können jedoch Thermoelementtyp, Fühlerkonstruktion und Messgerät jeweils unterschiedliche Temperaturgrenzen besitzen.
Um die tatsächlich messbare Mindest- und Höchsttemperatur eines vollständigen Thermoelement-Messsystems zu bestimmen, reicht deshalb eine einzelne Bereichsangabe nicht aus. Thermoelementwerkstoffe, Fühlerkonstruktion und Eingangsbereich des Messgeräts müssen gemeinsam betrachtet werden.
Das Wichtigste im Überblick
● Der Temperaturbereich eines Thermoelements bezeichnet den Bereich, in dem Temperaturmessungen möglich sind.
● Unterschiedliche Thermoelementtypen besitzen unterschiedliche charakteristische Temperaturbereiche.
● Der tatsächlich zulässige Einsatzbereich eines Fühlers kann durch Mantel, Isolierung, Leitung, Griff oder Steckverbinder eingeschränkt werden.
● Auch das Thermoelement-Thermometer besitzt einen eigenen Eingangs- und Messbereich.
● Der nutzbare Bereich des Gesamtsystems wird in der Regel durch die Komponente mit dem kleinsten zulässigen Temperaturbereich bestimmt.
● Ein großer Messbereich bedeutet nicht, dass die Messgenauigkeit über den gesamten Bereich identisch ist.
Was ist der Temperaturbereich eines Thermoelements?
Der Temperaturbereich eines Thermoelements ist der Bereich zwischen der niedrigsten und höchsten Temperatur, innerhalb dessen ein Thermoelement oder ein Thermoelement-Messsystem bestimmungsgemäß messen kann.
Für einen Eingang vom Typ K kann ein Thermometer beispielsweise folgenden Bereich angeben:
● -200 bis 1370 °C
Das bedeutet, dass das Messgerät für die Verarbeitung und Umrechnung von Typ-K-Thermospannungen ausgelegt ist, die diesem Temperaturbereich entsprechen.
Daraus folgt jedoch nicht, dass jeder angeschlossene Typ-K-Fühler bis 1370 °C eingesetzt werden darf.
Ist ein konkreter Fühler beispielsweise nur bis 800 °C spezifiziert, liegt die praktische obere Messgrenze des Gesamtsystems bei etwa 800 °C, auch wenn das Thermometer höhere Temperaturen anzeigen könnte.
Warum haben unterschiedliche Thermoelementtypen unterschiedliche Temperaturbereiche?
Ein Thermoelement besteht aus zwei unterschiedlichen metallischen Leitern. Besteht zwischen Messstelle und Vergleichsstelle eine Temperaturdifferenz, entsteht eine temperaturabhängige Thermospannung. Das Messgerät erfasst diese Spannung und rechnet sie in einen Temperaturwert um.
Da verschiedene Thermoelementtypen unterschiedliche Metall- bzw. Legierungskombinationen verwenden, unterscheiden sie sich hinsichtlich Thermospannung, Hochtemperaturstabilität, Oxidationsverhalten und Eignung für bestimmte Umgebungsbedingungen.
Typische Beispiele:
● Typ K ist weit verbreitet und eignet sich aufgrund seines großen Temperaturbereichs für zahlreiche allgemeine und industrielle Anwendungen.
● Typ J wird häufig im mittleren Temperaturbereich eingesetzt, ist jedoch für stark oxidierende Hochtemperaturumgebungen nur eingeschränkt geeignet.
● Typ T wird häufig für niedrige und mittelniedrige Temperaturen eingesetzt.
● Typ E liefert eine vergleichsweise hohe Thermospannung und eignet sich für niedrige bis mittelhohe Temperaturen.
● Typ N bietet eine gute Stabilität bei erhöhten Temperaturen und eignet sich für bestimmte Hochtemperaturanwendungen.
● Typ R, S und B verwenden Edelmetalle und werden typischerweise für besonders hohe Temperaturen eingesetzt.
Der Thermoelementtyp sollte daher erst ausgewählt werden, wenn der erforderliche Prozess- oder Messbereich bekannt ist.
Welche Temperaturbereiche decken gängige Thermoelementtypen ab?
Die genauen Grenzwerte können je nach Norm, Drahtdurchmesser, Konstruktion und Hersteller variieren. Die folgenden Bereiche dienen daher zur Orientierung und sind nicht als zulässige Maximaltemperatur eines konkreten Fühlers zu verstehen.
● Typ K: großer Bereich von niedrigen Temperaturen bis über etwa 1300 °C.
● Typ J: häufig von niedrigen Temperaturen bis etwa 700–1000 °C.
● Typ T: vor allem für niedrige und mittelniedrige Temperaturen, typischerweise bis etwa 300–400 °C.
● Typ E: von niedrigen Temperaturen bis ungefähr 900 °C.
● Typ N: für Hochtemperaturanwendungen im Bereich von etwa 1200–1300 °C.
● Typ R und S: häufig für Temperaturen bis etwa 1600 °C.
● Typ B: für besonders hohe industrielle Temperaturen, bei bestimmten Anwendungen bis ungefähr 1700 °C.
Für ein konkretes Produkt sind stets die zulässige Betriebstemperatur des Fühlers und der unterstützte Messbereich des Thermometers maßgeblich.
Der Temperaturbereich des Thermoelementtyps ist nicht der Einsatzbereich des Fühlers
Diese Unterscheidung ist für die richtige Interpretation technischer Daten besonders wichtig.
Der Thermoelementtyp beschreibt die temperaturabhängige Thermospannungskennlinie der verwendeten Thermowerkstoffe. Ein fertiger Temperaturfühler besteht jedoch zusätzlich aus weiteren Bauteilen, beispielsweise:
● Thermodrähten;
● Metallmantel;
● Keramischer oder mineralischer Isolierung;
● Kunststoff-, Glasfaser- oder anderer Leitungsisolierung;
● Fühlergriff;
● Stecker oder Steckverbinder.
Diese Komponenten besitzen unterschiedliche zulässige Betriebstemperaturen.
Die Thermodrähte eines Typ-K-Thermoelements können beispielsweise grundsätzlich Temperaturen oberhalb von 1000 °C erfassen. Ist die Leitungsisolierung jedoch nur für den Dauerbetrieb bis 250 °C ausgelegt, darf der komplette Fühler nicht bis zur maximalen Temperaturgrenze der Thermowerkstoffe eingesetzt werden.
Bei der Auswahl ist deshalb immer die spezifizierte Betriebstemperatur des konkreten Fühlers zu berücksichtigen.
Auch das Thermoelement-Thermometer besitzt einen eigenen Messbereich
Das Messgerät selbst kann ebenfalls zum begrenzenden Faktor werden.
Seine Elektronik muss die geringe Thermospannung erfassen, die Kaltstellenkompensation durchführen, die Kennlinie des jeweiligen Thermoelementtyps linearisieren und daraus den Temperaturwert berechnen.
Ein Mehrkanal- oder Multityp-Thermometer kann beispielsweise Thermoelemente vom Typ K, J, T, E, R, S und N unterstützen, dabei aber für jeden Thermoelementtyp unterschiedliche Messbereiche besitzen.
Unterstützt das Thermometer maximal 1300 °C, während der angeschlossene Fühler bis 1500 °C geeignet wäre, kann das Gesamtsystem dennoch nicht ordnungsgemäß bis 1500 °C messen.
Was bestimmt den tatsächlichen Messbereich?
Ein vollständiges Thermoelement-Messsystem kann aus folgenden Komponenten bestehen:
● Messobjekt oder Prozess;
● Thermoelement-Messstelle;
● Fühlermantel;
● Anschlussleitung;
● Stecker oder Steckverbinder;
● Thermoelement-Thermometer.
Der tatsächlich nutzbare Temperaturbereich wird normalerweise durch das Bauteil mit den engsten zulässigen Temperaturgrenzen bestimmt.
Vereinfacht gilt:
Tatsächlich nutzbarer Bereich ≈ gemeinsamer Überlappungsbereich von Thermoelementtyp, Fühlerkonstruktion und Messgerätebereich.
Beispiel:
Thermoelementtyp: -200 bis 1370 °C
Fühler: -50 bis 800 °C
Thermometer: -200 bis 1370 °C
In diesem Fall sollte der praktische Systembereich mit ungefähr -50 bis 800 °C angesetzt werden.
Hängt die maximale Temperatur auch von der Einsatzdauer ab?
Ja.
Bei vielen Thermoelementfühlern hängt die maximal zulässige Temperatur auch von der Dauer der thermischen Belastung ab.
Bestimmte Werkstoffe können kurzfristig höheren Temperaturen ausgesetzt werden, sind aber nicht für einen dauerhaften Betrieb nahe der maximal zulässigen Temperatur geeignet. Mögliche Folgen sind:
● Beschleunigte Oxidation der Thermowerkstoffe;
● Alterung oder Schädigung des Metallmantels;
● Veränderung der Werkstoffeigenschaften;
● Verschlechterung der Isolationswirkung;
● Zunehmende Messwertdrift;
● Verkürzte Lebensdauer des Fühlers.
Eine angegebene Maximaltemperatur ist daher nicht automatisch mit der empfohlenen Dauerbetriebstemperatur gleichzusetzen.
Für kontinuierliche Hochtemperaturmessungen sollten die Angaben des Herstellers zur Dauerbetriebstemperatur, kurzzeitigen Maximaltemperatur und Werkstoffbeständigkeit geprüft werden.
Ist ein möglichst großer Temperaturbereich immer besser?
Nein.
Der Temperaturbereich ist nur eines von mehreren Auswahlkriterien und sagt allein wenig über die gesamte Messleistung aus.
Für eine Anwendung mit einem Messbereich von 0 bis 200 °C führt ein Thermoelement, das bis über 1300 °C eingesetzt werden kann, nicht automatisch zu einer höheren Messgenauigkeit.
Zusätzlich sollten unter anderem folgende Faktoren berücksichtigt werden:
● Messgenauigkeit;
● Temperaturauflösung;
● Ansprechzeit des Fühlers;
● Fühlerdurchmesser;
● Eintauchtiefe;
● Messmedium;
● Anforderungen an Oberflächen-, Luft- oder Flüssigkeitsmessungen;
● Korrosive oder chemisch aggressive Umgebung;
● Langzeitstabilität.
Sinnvoll ist daher ein Thermoelement-Messsystem, dessen zulässiger Arbeitsbereich die tatsächliche Anwendung mit ausreichender Reserve abdeckt.
Wie hängen Temperaturbereich und Messgenauigkeit zusammen?
Temperaturbereich und Genauigkeit sind unterschiedliche Spezifikationen.
Der Temperaturbereich beantwortet die Frage:
„Welche Temperaturen können gemessen werden?“
Die Genauigkeit beantwortet die Frage:
„Wie groß kann die Abweichung des Messwerts von der tatsächlichen Temperatur sein?“
Ein Thermoelement-Thermometer kann einen sehr großen Messbereich besitzen, ohne über diesen gesamten Bereich dieselbe Genauigkeit zu bieten.
Zu möglichen Fehlerquellen gehören:
● Zulässige Abweichung des Thermoelements;
● Messfehler des Thermometers;
● Fehler der Kaltstellenkompensation;
● Einbau- und Kontaktbedingungen des Fühlers;
● Wärmeleitung;
● Änderungen der Umgebungstemperatur;
● Alterung oder Oxidation des Fühlers.
Bei Anwendungen mit höheren Anforderungen an die Messgenauigkeit müssen deshalb Messbereich und Genauigkeit gemeinsam betrachtet werden.
Wie wählt man ein Thermoelement anhand des Temperaturbereichs aus?
Zunächst sollte die tatsächliche Prozesstemperatur definiert werden. Anschließend werden Thermoelementtyp und Fühlerkonstruktion entsprechend der Messumgebung ausgewählt.
● Normale Betriebstemperatur bestimmen und nicht nur selten auftretende Spitzenwerte berücksichtigen.
● Ausreichende Reserve für Temperaturschwankungen einplanen.
● Prüfen, ob der Thermoelementtyp für den benötigten Temperaturbereich geeignet ist.
● Die zulässige Betriebstemperatur des konkreten Fühlers prüfen.
● Temperaturgrenzen von Mantel, Isolierung, Anschlussleitung und Steckverbinder berücksichtigen.
● Sicherstellen, dass das Thermometer den jeweiligen Thermoelementtyp und den erforderlichen Messbereich unterstützt.
● Bei Hochtemperatur, Korrosion, Vakuum, reduzierender Atmosphäre oder anderen anspruchsvollen Bedingungen zusätzlich Werkstoffbeständigkeit und Lebensdauer berücksichtigen.
Liegt die normale Prozesstemperatur beispielsweise bei etwa 600 °C, genügt es nicht, wenn das Thermometer 600 °C anzeigen kann. Auch der angeschlossene Fühler muss für den dauerhaften Einsatz bei dieser Temperatur geeignet sein.
FAQ
Bis zu welcher Temperatur kann ein Thermoelement messen?
Dafür gibt es keinen einheitlichen Wert. Unterschiedliche Thermoelementtypen besitzen unterschiedliche Temperaturbereiche, und zusätzlich begrenzen Mantel, Isolierung, Leitung und Fühlerkonstruktion den tatsächlichen Einsatzbereich.
Kann jedes Typ-K-Thermoelement über 1300 °C messen?
Nein. Die Thermowerkstoffe von Typ K besitzen einen großen Temperaturbereich. Viele Handfühler, Oberflächenfühler oder flexible Fühler sind jedoch konstruktionsbedingt nicht für derart hohe Temperaturen geeignet.
Ist der Anzeigebereich des Thermometers gleich dem Messbereich des Fühlers?
Nein. Der Messgerätebereich beschreibt die Thermoelementsignale, die das Gerät verarbeiten kann. Der Fühler besitzt separate zulässige Betriebstemperaturen.
Was passiert, wenn der zulässige Temperaturbereich überschritten wird?
Mögliche Folgen sind deutlich höhere Messfehler, Überbereichsanzeigen, Oxidation, Schäden an der Isolierung, Veränderungen der Werkstoffeigenschaften oder dauerhafte Beschädigungen des Fühlers.
Kann ein Fühler dauerhaft nahe seiner Maximaltemperatur betrieben werden?
Nicht unbedingt. Einige Fühler vertragen hohe Temperaturen nur kurzzeitig. Die zulässige Dauerbetriebstemperatur kann deutlich unter der absoluten Maximaltemperatur liegen.
Bedeutet ein größerer Temperaturbereich eine höhere Genauigkeit?
Nein. Messbereich und Genauigkeit sind voneinander unabhängige Kenngrößen.
Fazit
Der Temperaturbereich eines Thermoelements beschreibt den Bereich, innerhalb dessen Temperaturen erfasst werden können. In der Praxis muss dieser Wert jedoch immer im Zusammenhang mit dem gesamten Messsystem betrachtet werden.
Der Thermoelementtyp bestimmt die grundlegende Temperaturfähigkeit. Fühlermantel, Isolierung, Leitung, Steckverbinder und der Eingangsbereich des Thermometers können den tatsächlich nutzbaren Bereich zusätzlich begrenzen. Die Mindest- und Höchsttemperatur des Gesamtsystems wird deshalb in der Regel durch die thermisch am stärksten begrenzte Komponente bestimmt.
Bei der Auswahl eines Thermoelement-Thermometers und eines geeigneten Fühlers sollte nicht allein ein möglichst großer Messbereich angestrebt werden. Entscheidend ist, dass Arbeitstemperatur, Fühlerkonstruktion, Genauigkeit und Umgebungsbedingungen zuverlässig zur jeweiligen Anwendung passen.
