Einleitung

Thermoelemente arbeiten grundsätzlich nach demselben thermoelektrischen Prinzip, unterscheiden sich jedoch häufig im Aufbau ihrer Messstelle. Zu den verbreiteten Ausführungen zählen freiliegende, geerdete und ungeerdete Messstellen.

Bei einem Thermoelement mit freiliegender Messstelle wird die aus zwei unterschiedlichen Thermoelementleitern gebildete Messverbindung direkt dem zu messenden Medium ausgesetzt und nicht vollständig von einem Metallmantel umschlossen.

Da sich zwischen Medium und Messstelle nur sehr wenig Material befindet, kann Wärme besonders schnell übertragen werden. Diese Bauform zeichnet sich daher in der Regel durch eine sehr kurze thermische Ansprechzeit aus.

Gleichzeitig ist die Messstelle weniger geschützt und dadurch empfindlicher gegenüber mechanischer Beschädigung, Korrosion, Oxidation und elektrischen Störeinflüssen.

Eine freiliegende Messstelle ist deshalb nicht grundsätzlich „besser“, sondern eine gezielte Bauform für Anwendungen, bei denen ein schnelles thermisches Ansprechverhalten im Vordergrund steht.

Das Wichtigste auf einen Blick

● Die Messstelle liegt direkt im zu messenden Medium;
● Die geringe thermische Masse ermöglicht in der Regel eine schnelle Reaktion auf Temperaturänderungen;
● Besonders geeignet für Luft, Gase und schnell veränderliche Temperaturen;
● Mechanischer Schutz und Korrosionsbeständigkeit sind meist geringer als bei ummantelten Ausführungen;
● Für stark korrosive, druckbeaufschlagte, mechanisch belastete oder elektrisch leitfähige Umgebungen meist nicht geeignet;
● Bei der Auswahl sollten Ansprechzeit, Medium, Temperaturbereich, mechanische Festigkeit und elektrische Isolation berücksichtigt werden.

Was ist ein Thermoelement mit freiliegender Messstelle?

Bei dieser Bauform befindet sich die Messstelle nicht vollständig innerhalb eines metallischen Schutzmantels, sondern steht in direktem Kontakt mit Luft, Gas oder einem anderen zu messenden Medium.

Ein Thermoelement besteht aus zwei unterschiedlichen Metallen oder Legierungen. Ein Thermoelement vom Typ K beispielsweise verwendet zwei Legierungen mit unterschiedlichen thermoelektrischen Eigenschaften. Am Messende werden beide Leiter miteinander verbunden und bilden die eigentliche Messstelle.

Bei einem klassischen Mantelthermoelement befindet sich diese Verbindung innerhalb eines Metallmantels. Bei einer freiliegenden Ausführung liegt die Messstelle außerhalb beziehungsweise am offenen Ende des Schutzaufbaus und steht unmittelbar mit dem Medium in Kontakt.

Dadurch verkürzt sich der Wärmeübertragungsweg zwischen Medium und Messstelle deutlich.

Wie misst ein Thermoelement mit freiliegender Messstelle die Temperatur?

Das grundlegende Messprinzip unterscheidet sich nicht von anderen Thermoelementen und beruht auf dem Seebeck-Effekt.

Wenn zwei unterschiedliche Leiter einen Thermoelementkreis bilden und zwischen Messstelle und Referenzstelle eine Temperaturdifferenz besteht, entsteht eine temperaturabhängige Thermospannung.

Ein Thermometer, Datenerfassungssystem oder Temperaturregler misst diese kleine Spannung und berechnet daraus mithilfe der Kennlinie des jeweiligen Thermoelementtyps sowie der Kaltstellenkompensation den Temperaturwert.

Der Begriff „freiliegende Messstelle“ bezeichnet somit keinen eigenen Thermoelementtyp, sondern lediglich die konstruktive Ausführung der Messstelle.

Ein Thermoelement vom Typ K kann beispielsweise ausgeführt werden als:

● Freiliegende Messstelle;
● Geerdete Messstelle;
● Ungeerdete Messstelle.

Die verwendeten Thermoelementwerkstoffe können gleich sein, während sich Ansprechzeit, mechanische Eigenschaften, elektrische Isolation und Einsatzbedingungen unterscheiden.

Warum reagiert eine freiliegende Messstelle besonders schnell?

Damit ein Thermoelement die Temperatur erfassen kann, muss seine Messstelle Wärme aufnehmen oder abgeben, bis sich ihre Temperatur der des Mediums annähert.

Liegt die Messstelle in einem relativ massiven Metallmantel, muss die Wärme zunächst den Mantel und die innere Isolierung durchdringen, bevor sie die Messverbindung erreicht.

Bei einer freiliegenden Messstelle entfällt ein großer Teil dieser zusätzlichen thermischen Masse.

Das schnelle Ansprechverhalten ergibt sich vor allem aus:

● Einer meist kleinen Messstelle;
● Geringer thermischer Masse;
● Direktem Wärmeaustausch mit dem Medium;
● Kurzem Wärmeübertragungsweg;
● Geringer zusätzlicher thermischer Trägheit durch Schutzmaterialien.

Ändert sich die Temperatur von Luft, Gasströmungen oder Prüfkammern schnell, kann ein freiliegendes Thermoelement solchen Änderungen daher häufig schneller folgen als ein stärker ummantelter Fühler.

Die tatsächliche Ansprechzeit hängt dennoch unter anderem von Drahtdurchmesser, Größe der Messstelle, Strömungsgeschwindigkeit, Einbausituation und Wärmeübertragungseigenschaften des Mediums ab.

Welche Vorteile bietet eine freiliegende Messstelle?

Der wichtigste Vorteil ist die schnelle Reaktion auf Temperaturänderungen. Darüber hinaus bietet diese Bauform weitere praktische Eigenschaften.

● Schnelles Ansprechverhalten: Die Messstelle tauscht Wärme unmittelbar mit dem Medium aus;
● Geringe thermische Masse: Der Einfluss des Fühlers auf das lokale Temperaturfeld bleibt meist gering;
● Gut für Gasmessungen geeignet: Besonders nützlich in Luftströmungen, Lüftungskanälen und Laboranwendungen;
● Kompakte Bauform: Sehr kleine Messstellen sind für beengte Messbereiche möglich;
● Geeignet für transiente Messungen: Schnelle Aufheiz-, Abkühl- und kurzzeitige Temperaturänderungen lassen sich gut erfassen.

Freiliegende Thermoelemente werden deshalb häufig eingesetzt, wenn nicht nur der stationäre Temperaturwert, sondern auch die Geschwindigkeit einer Temperaturänderung von Bedeutung ist.

Welche Grenzen hat eine freiliegende Messstelle?

Die kurze Ansprechzeit wird mit einem geringeren mechanischen und chemischen Schutz erkauft.

● Geringere mechanische Belastbarkeit: Stoß, Biegen, Zug oder Vibration können die Messstelle beschädigen;
● Begrenzte Korrosionsbeständigkeit: Direkter Kontakt erhöht die Belastung durch korrosive Gase, Chemikalien und Hochtemperaturoxidation;
● Für hohe Drücke meist ungeeignet: Die Bauform bietet üblicherweise keine ausreichende Druckabdichtung;
● Mögliche elektrische Beeinflussung: Der Kontakt mit leitfähigen Oberflächen kann zusätzliche elektrische Verbindungen erzeugen;
● Möglicherweise geringere Langzeitstabilität: Hohe Temperaturen, Verschmutzung oder aggressive Atmosphären können Oxidation und Werkstoffveränderungen verursachen.

In industriellen Anwendungen sollte eine freiliegende Messstelle daher nicht allein aufgrund ihrer kurzen Ansprechzeit ausgewählt werden.

Für welche Messaufgaben eignet sich eine freiliegende Messstelle?

Diese Bauform eignet sich besonders für Anwendungen mit geringer mechanischer Belastung, geringer Korrosivität und hohen Anforderungen an die Reaktionsgeschwindigkeit.

Typische Anwendungen sind:

● Messung der Lufttemperatur;
● Temperaturmessungen in HVAC-Luftkanälen und Luftströmungen;
● Lufttemperaturmessungen in Öfen und Klimaprüfkammern;
● Gastemperaturmessungen im Labor;
● Prüfung von Heißluftgeräten und Lüftungssystemen;
● Überwachung schneller Aufheiz- und Abkühlprozesse;
● Transiente Temperaturmessungen in Forschung und Entwicklung;
● Messung in kleinen oder lokal begrenzten Lufträumen;
● Thermische Produktprüfungen;
● Lehr- und Forschungsanwendungen.

Bei der Messung einer sich schnell ändernden Heißlufttemperatur kann ein massiver ummantelter Fühler vergleichsweise verzögert reagieren. Eine freiliegende Messstelle folgt dem Temperaturanstieg und -abfall der Luft in der Regel deutlich schneller.

Für welche Umgebungen ist eine freiliegende Messstelle nicht geeignet?

Diese Bauform ist nicht für jede Messaufgabe geeignet.

Besondere Vorsicht ist erforderlich, wenn:

● Das Medium stark korrosiv ist;
● Starke mechanische Stöße oder Vibrationen auftreten;
● Der Fühler in druckbeaufschlagte Rohrleitungen oder Behälter eingebaut werden soll;
● Flüssigmetalle oder andere kritische Hochtemperaturmedien gemessen werden;
● Das Messobjekt elektrisch leitfähig ist und eine sichere galvanische Trennung erforderlich ist;
● Der Fühler dauerhaft einer stark oxidierenden Hochtemperaturatmosphäre ausgesetzt ist;
● Hohe mechanische Festigkeit und lange Lebensdauer gefordert werden.

In solchen Fällen sind Thermoelemente mit Metallmantel, keramischem Schutzrohr oder einer anderen geeigneten Schutzkonstruktion meist die bessere Wahl.

Was ist der Unterschied zwischen freiliegenden, geerdeten und ungeerdeten Messstellen?

Der wesentliche Unterschied liegt in der elektrischen und thermischen Verbindung zwischen Messstelle und Schutzmantel.

Bei einer freiliegenden Messstelle befindet sich die Messverbindung direkt im Medium. Sie bietet meist das schnellste thermische Ansprechverhalten, jedoch den geringsten mechanischen und chemischen Schutz.

Bei einem Thermoelement mit geerdeter Messstelle ist die Messverbindung elektrisch und thermisch mit dem Metallmantel verbunden. Dadurch wird Wärme schnell über den Mantel zur Messstelle übertragen, während gleichzeitig ein guter mechanischer Schutz besteht. Wegen der elektrischen Verbindung zum Mantel können jedoch Masseschleifen und elektrische Störungen eine Rolle spielen.

Bei einem Thermoelement mit ungeerdeter Messstelle liegt die Messstelle innerhalb des Metallmantels, ist von diesem jedoch elektrisch isoliert. Die Ansprechzeit ist meist länger als bei freiliegenden und vielen geerdeten Ausführungen, dafür ist die elektrische Isolation besser.

Vereinfacht gilt:

● Für schnell veränderliche Gastemperaturen kann eine freiliegende Messstelle sinnvoll sein;
● Für kurze Ansprechzeit bei gleichzeitigem mechanischem Schutz eignet sich häufig eine geerdete Messstelle;
● Bei hohen Anforderungen an elektrische Isolation und Störsicherheit ist eine ungeerdete Messstelle oft vorteilhaft.

Die endgültige Auswahl sollte immer anhand der konkreten Messbedingungen erfolgen.

Beeinflusst der Drahtdurchmesser die Ansprechzeit?

Ja.

Bei vergleichbaren Werkstoffen und Messstellenkonstruktionen besitzen dünnere Thermoelementdrähte eine geringere Masse und Wärmekapazität. Dadurch erreichen sie die Temperatur des Mediums schneller.

Dickere Drähte reagieren meist langsamer, sind jedoch mechanisch stabiler und langlebiger.

Bei der Auslegung müssen daher mehrere Faktoren gegeneinander abgewogen werden:

● Ansprechzeit;
● Mechanische Festigkeit;
● Lebensdauer;
● Temperaturbereich;
● Einbaubedingungen;
● Messumgebung.

Der dünnste verfügbare Draht ist daher nicht automatisch die beste Lösung.

Was ist bei der Verwendung zu beachten?

Für zuverlässige Messergebnisse sollten einige praktische Punkte berücksichtigt werden.

● Die Messstelle vor Stößen und übermäßiger Zugbelastung schützen;
● Sicherstellen, dass das Medium die Thermoelementwerkstoffe nicht schnell angreift;
● Unbeabsichtigten Kontakt mit elektrisch leitfähigen Strukturen vermeiden, wenn dadurch der Messkreis beeinflusst werden könnte;
● Bei Gastemperaturmessungen den Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit auf Wärmeübertragung und Ansprechzeit berücksichtigen;
● Starke Wärmestrahlungsquellen in der Nähe vermeiden, wenn dadurch die Messstelle eine andere Temperatur als das Gas annehmen könnte;
● Thermoelementtyp und Messeingang müssen übereinstimmen, beispielsweise Typ K mit einem Typ-K-kompatiblen Messgerät;
● Nach längerer Hochtemperaturnutzung die Messstelle auf Oxidation, Korrosion oder Beschädigung prüfen, wenn eine zunehmende Messabweichung festgestellt wird.

Bei präzisen Messungen müssen zusätzlich die Genauigkeit des Messgeräts, des Thermoelements, der Kaltstellenkompensation und die Einbaubedingungen berücksichtigt werden.

FAQ

Ist eine freiliegende Messstelle die schnellste Thermoelementausführung?

Unter den üblichen Messstellenkonstruktionen gehört die freiliegende Ausführung zu den schnellsten, da die Messstelle direkt Wärme mit dem Medium austauscht. Die tatsächliche Ansprechzeit hängt jedoch auch von Drahtdurchmesser, Messstellengröße, Strömung und Einbau ab.

Kann eine freiliegende Messstelle Flüssigkeiten messen?

Grundsätzlich ja. Ob die Bauform geeignet ist, hängt jedoch von der Flüssigkeit ab. Bei korrosiven oder elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten oder bei Gefahr einer mechanischen Beschädigung ist ein geschützter Fühler meist besser geeignet.

Kann eine freiliegende Messstelle bei hohen Temperaturen eingesetzt werden?

Die zulässige Temperatur hängt vor allem von Thermoelementtyp, Leiterwerkstoff, Drahtdurchmesser und Atmosphäre ab. Selbst wenn das Material hohe Temperaturen verträgt, können Oxidation und Korrosion einer freiliegenden Messstelle die Lebensdauer verkürzen.

Ist ein freiliegendes Thermoelement dasselbe wie ein Thermoelement Typ K?

Nein. Typ K bezeichnet die Werkstoffkombination und die thermoelektrischen Eigenschaften. „Freiliegend“ beschreibt lediglich den konstruktiven Aufbau der Messstelle. Auch Thermoelemente vom Typ J, T oder E können entsprechend ausgeführt werden.

Warum werden freiliegende Thermoelemente häufig für Lufttemperaturen verwendet?

Luft besitzt einen vergleichsweise geringen Wärmeübergang. Durch die geringe Masse und den direkten Kontakt mit der Luft kann eine freiliegende Messstelle Temperaturänderungen meist schneller erfassen als ein massiver ummantelter Fühler.

Fazit

Bei einem Thermoelement mit freiliegender Messstelle steht die Messverbindung direkt mit dem zu messenden Medium in Kontakt. Die geringe thermische Masse und der kurze Wärmeübertragungsweg ermöglichen eine schnelle Temperaturerfassung.

Diese Bauform eignet sich besonders für Luft, Gase, HVAC-Anwendungen, Laborprüfungen und dynamische Temperaturverläufe. Aufgrund des fehlenden vollständigen Schutzes sind jedoch Stoßfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Langzeitbeständigkeit geringer als bei ummantelten Thermoelementen.

Bei der Auswahl sollten deshalb nicht nur die Ansprechzeit, sondern auch Medium, Temperaturbereich, mechanische Beanspruchung, Anforderungen an die elektrische Isolation und die gewünschte Lebensdauer berücksichtigt werden. Für schnelle dynamische Messungen unter vergleichsweise unkritischen Umgebungsbedingungen ist eine freiliegende Messstelle häufig eine geeignete Lösung.