Einleitung

Wird ein Thermoelementfühler in eine Flüssigkeit, einen Gasstrom, eine Rohrleitung oder einen Ofen eingeführt oder auf eine feste Oberfläche aufgesetzt, stellt sich eine grundlegende Frage: Für welche genaue Position gilt der angezeigte Temperaturwert?

Ein Thermoelement misst weder die Durchschnittstemperatur des gesamten Fühlers noch einfach die Temperatur eines beliebigen Punktes der metallischen Schutzrohr-Oberfläche. Die temperaturabhängige Messgröße entsteht an der Messstelle, an der zwei unterschiedliche Thermoelementwerkstoffe miteinander verbunden sind. Diese Stelle wird auch als Heißstelle oder Messverbindungsstelle bezeichnet.

Je nach Fühlerbauart kann die Messstelle geringfügig hinter dem tatsächlichen Ende des Schutzrohres liegen. Für genaue Messungen ist deshalb nicht nur entscheidend, wo sich der Fühler befindet, sondern auch, wo die eigentliche Messstelle innerhalb des Fühlers angeordnet ist.

Das Wichtigste im Überblick

● Ein Thermoelement misst hauptsächlich die Temperatur an der Messstelle, nicht die Durchschnittstemperatur des gesamten Fühlers.
● Die Messstelle befindet sich normalerweise nahe der Fühlerspitze, muss jedoch nicht exakt mit dem Ende des Metallmantels übereinstimmen.
● Offene, geerdete und ungeerdete Messstellen unterscheiden sich in Aufbau und thermischem Ansprechverhalten.
● Eine zu geringe Eintauchtiefe kann Wärmeleitung entlang des Fühlers verursachen und dadurch die Temperatur an der Messstelle verfälschen.
● Bei deutlichen Temperaturgradienten können bereits wenige Millimeter oder Zentimeter Positionsunterschied zu abweichenden Messwerten führen.
● Entscheidend ist, dass sich die Messstelle selbst innerhalb der zu erfassenden Temperaturzone befindet.

Ein Thermoelement misst die Temperatur an seiner Messstelle

Ein Thermoelement besteht aus zwei unterschiedlichen Metallen oder Legierungen. Werden diese Leiter an einem Ende miteinander verbunden und besteht zwischen dieser Verbindungsstelle und dem Referenzende eine Temperaturdifferenz, entsteht eine temperaturabhängige Thermospannung.

Die Verbindung, an der die Prozesstemperatur erfasst wird, ist die Messstelle.

Aus messtechnischer Sicht erfasst ein Thermoelement daher hauptsächlich:

● Die Temperatur an der Messstelle;
● Nicht die Temperatur über die gesamte Länge der Thermoelementdrähte;
● Nicht die mittlere Temperatur des kompletten Metallfühlers;
● Und nicht die Temperatur am Handgriff, Steckverbinder oder Anschlussstecker.

Bei einem 150 mm langen Einstechfühler können beispielsweise 100 mm der Fühlerlänge einer heißen Umgebung ausgesetzt sein. Dennoch wird der angezeigte Wert hauptsächlich von der Temperatur an der Messstelle im vorderen Fühlerbereich bestimmt.

Die übrigen Bereiche des Fühlers können das Messergebnis jedoch durch Wärmeleitung beeinflussen. Deshalb bleibt die Einbausituation von großer Bedeutung.

Wo befindet sich die Messstelle im Thermoelementfühler?

Bei einem typischen metallummantelten Thermoelement liegt die Messstelle nahe dem vorderen Ende des Fühlers. Die äußere Spitze des Schutzrohres sollte jedoch nicht automatisch mit dem exakten Messpunkt gleichgesetzt werden.

Die tatsächliche Position hängt von der Bauweise ab.

Bei einigen Fühlern sind die beiden Thermoelementleiter unmittelbar nahe der Spitze miteinander verbunden. Bei anderen Ausführungen ist die Messstelle innerhalb des Metallmantels gekapselt und liegt geringfügig hinter dessen äußerem Ende.

Der Abstand kann je nach Hersteller, Fühlerdurchmesser, innerem Aufbau und Fertigungstechnik variieren.

Bei Messaufgaben mit höheren Genauigkeitsanforderungen sollte deshalb die technische Dokumentation des Fühlers berücksichtigt werden. Die Messstellenposition sollte nicht allein anhand der äußeren Form des Fühlers angenommen werden.

Welche Unterschiede bestehen zwischen den Messstellenbauarten?

Thermoelementfühler werden häufig mit offener, geerdeter oder ungeerdeter Messstelle ausgeführt.

● Offene Messstelle: Die beiden Thermoelementleiter sind direkt miteinander verbunden und dem Messmedium ausgesetzt. Die Messstelle steht unmittelbar mit der Umgebung in Kontakt und besitzt meist eine geringe thermische Masse. Dadurch ist das Ansprechverhalten in der Regel schnell.
● Geerdete Messstelle: Die Messstelle ist elektrisch und thermisch mit dem Metallmantel verbunden. Wärme wird über den Mantel schnell zur Messstelle übertragen, wodurch üblicherweise eine kurze Ansprechzeit erreicht wird.
● Ungeerdete Messstelle: Die Messstelle ist durch Isoliermaterial elektrisch vom Metallmantel getrennt. Die Wärme muss zunächst den Mantel und die Isolierung durchdringen. Daher ist das thermische Ansprechverhalten meist etwas langsamer, dafür ist die elektrische Isolation besser.

Unabhängig von der Bauart entspricht der angezeigte Temperaturwert in erster Linie dem thermischen Zustand der Messstelle und nicht der Temperatur über die gesamte Länge des Schutzrohres.

Entspricht die Temperatur der Fühlerspitze dem Messwert?

Bei vielen allgemeinen Anwendungen kann vereinfacht gesagt werden, dass ein Thermoelement die Temperatur „an der Fühlerspitze“ misst. Genau genommen ist diese Aussage jedoch nicht immer vollständig korrekt.

Das Ende des Metallmantels ist eine physische Oberfläche. Die eigentliche Thermoelement-Messstelle kann sich direkt an diesem Ende oder geringfügig dahinter befinden. Außerdem benötigt die Wärmeübertragung durch den Fühleraufbau zur Messstelle eine gewisse Zeit.

Bei stabiler und räumlich gleichmäßiger Temperatur nähern sich Fühlerspitze und Messstelle normalerweise nahezu derselben Temperatur an.

Ändert sich die Temperatur jedoch schnell oder liegt ein ausgeprägter Temperaturgradient vor, können vorübergehend Temperaturunterschiede zwischen äußerer Spitze, Metallmantel und interner Messstelle entstehen.

Dies ist einer der Gründe dafür, dass Thermoelementfühler eine endliche Ansprechzeit besitzen.

Warum beeinflusst die Eintauchtiefe das Messergebnis?

Soll beispielsweise die Temperatur eines heißen Gases in einer Rohrleitung gemessen werden und wird der Thermoelementfühler nur sehr flach eingeführt, kann sich die Messstelle bereits im Rohr befinden, während ein großer Teil des Fühlers weiterhin der kühleren Umgebung außerhalb der Rohrleitung ausgesetzt ist.

Dadurch kann Wärme entlang des metallischen Fühlers abgeführt werden.

Der Wärmefluss kann vereinfacht wie folgt verlaufen:

Heißes Messmedium → Bereich der Messstelle → Fühlermantel → kühlere Außenumgebung.

Dieser Wärmeverlust kann dazu führen, dass die Messstelle eine niedrigere Temperatur annimmt als das umgebende Messmedium.

Eine korrekte Positionierung bedeutet deshalb nicht nur, dass die Messstelle grundsätzlich in das Medium hineinragt. Entscheidend ist ebenfalls, dass ein ausreichender Teil des Fühlers im gleichen oder zumindest ähnlichen Temperaturbereich liegt.

Eine ausreichende Einstech- oder Eintauchtiefe reduziert den durch Wärmeleitung entlang des Fühlerstiels verursachten Messfehler.

Warum sind Temperaturgradienten für die Messposition besonders wichtig?

Ist die Temperatur im Messbereich weitgehend homogen, hat eine Verschiebung der Messstelle um wenige Millimeter häufig nur einen geringen Einfluss.

Bei ausgeprägten Temperaturgradienten kann die genaue Position dagegen entscheidend sein.

Beispiele:

● In der Nähe eines Heizelements im Ofen kann die Temperatur höher sein als in der Mitte des Ofenraums;
● Im Zentrum einer Rohrströmung kann eine andere Gastemperatur herrschen als unmittelbar an der Rohrwand;
● Die Temperatur an der Oberfläche einer Flüssigkeit kann von der Temperatur in größerer Tiefe abweichen;
● Mitte und Rand einer erhitzten Fläche können unterschiedliche Temperaturen aufweisen;
● Innerhalb von Maschinen oder Anlagen können je nach Einbautiefe unterschiedliche Temperaturzonen bestehen.

Befindet sich die Fühlerspitze beispielsweise in einem Bereich mit 100 °C, während die tatsächliche Messstelle einige Millimeter dahinter in einem Bereich mit 95 °C liegt, wird der Messwert hauptsächlich die Temperatur der Messstelle und nicht die Temperatur am äußersten Ende des Fühlers widerspiegeln.

Bei starken Temperaturgradienten sollte die exakte Lage der Messstelle deshalb besonders berücksichtigt werden.

Welche Temperatur wird in Flüssigkeiten gemessen?

Bei der Messung einer Flüssigkeit erfasst ein Thermoelement hauptsächlich die lokale Flüssigkeitstemperatur in unmittelbarer Umgebung der Messstelle.

Ist die Flüssigkeit ausreichend durchmischt und die Temperaturverteilung homogen, unterscheiden sich Messwerte an verschiedenen Positionen normalerweise nur geringfügig.

Bei unzureichender Durchmischung können dagegen deutliche lokale oder vertikale Temperaturunterschiede auftreten.

Beispielsweise kann in einem beheizten Behälter:

● Die Temperatur nahe der Heizung höher sein;
● Die Flüssigkeitsoberfläche durch Umgebungsluft abgekühlt werden;
● Die Temperatur nahe der Behälterwand von der Temperatur in der Mitte abweichen.

Vor der Messung sollte deshalb definiert werden, ob die Temperatur im Zentrum, eine repräsentative Prozesstemperatur oder die lokale Temperatur einer bestimmten Zone erfasst werden soll.

Die Messstelle ist entsprechend zu positionieren.

Welche Temperatur wird in Luft oder Gasen gemessen?

Bei Luft- oder Gasmessungen erfasst das Thermoelement in erster Linie die Gastemperatur in unmittelbarer Umgebung der Messstelle.

Gase besitzen jedoch im Vergleich zu Flüssigkeiten oder Festkörpern eine relativ geringe Wärmeübertragungsfähigkeit. Deshalb kann die Messstelle zusätzlich durch Wärmestrahlung benachbarter Flächen und durch Wärmeleitung entlang des Fühlerstiels beeinflusst werden.

Wird beispielsweise die Gastemperatur in einem Ofen gemessen und befindet sich das Thermoelement sehr nahe an einer heißen Ofenwand, kann der Fühler Wärmestrahlung von der Wand aufnehmen und dadurch einen höheren Wert als die tatsächliche lokale Gastemperatur anzeigen.

Bei Gasmessungen sollten deshalb unter anderem berücksichtigt werden:

● Die räumliche Position der Messstelle;
● Strömungsgeschwindigkeit und Strömungsverhältnisse;
● Wärmestrahlung benachbarter heißer oder kalter Flächen;
● Wärmeleitung entlang des Fühlers;
● Die Ansprechzeit des Fühlers.

Ein Thermoelement in einem Luftraum misst somit nicht automatisch die mittlere Lufttemperatur des gesamten Raumes.

Bei Oberflächenmessungen ist die Position besonders kritisch

Bei der Temperaturmessung an Festkörperoberflächen muss die Messstelle einen möglichst guten thermischen Kontakt zur Zieloberfläche besitzen.

Ist der Kontakt nur teilweise vorhanden oder bestehen Luftspalte, Verschmutzungen, starke Oberflächenrauheit oder unzureichender Anpressdruck, kann die Messstellentemperatur von der tatsächlichen Oberflächentemperatur abweichen.

Der Messwert eines Oberflächen-Thermoelements lässt sich daher als die Temperatur verstehen, die die Messstelle unter den vorhandenen Kontakt- und Wärmeverlustbedingungen erreicht.

Für zuverlässigere Oberflächenmessungen sollte:

● Die Messstelle möglichst vollständig an der Oberfläche anliegen;
● Der Fühler während der Messung nicht bewegt werden;
● Ein gleichmäßiger Anpressdruck gewährleistet werden;
● Die Erwärmung oder Abkühlung der Messstelle durch Umgebungsluft möglichst gering gehalten werden;
● Eine repräsentative Messposition gewählt werden.

Bei kleinen lokalen Hotspots muss insbesondere sichergestellt werden, dass sich die eigentliche Messstelle direkt über dem Hotspot befindet und nicht nur das Fühlergehäuse diesen Bereich abdeckt.

Misst ein Thermoelement die Durchschnittstemperatur eines größeren Bereichs?

Ein herkömmliches Thermoelement ist grundsätzlich nicht für die Mittelwertbildung über einen größeren räumlichen Bereich ausgelegt.

Es besitzt eine relativ lokal begrenzte Messstelle und ist deshalb im Wesentlichen ein punktuell beziehungsweise lokal messender Temperatursensor.

In der Praxis muss die Wärme jedoch über den Fühleraufbau zur Messstelle übertragen werden. Dadurch wird die Messstellentemperatur in gewissem Umfang durch den Wärmeaustausch mit der unmittelbaren Umgebung beeinflusst.

Die wirksame Messzone ist daher kein mathematisch unendlich kleiner Punkt. Sie lässt sich vielmehr als lokaler thermischer Bereich um die Messstelle verstehen, der von Wärmeleitung, Konvektion, Strahlung und Fühlerbauart beeinflusst wird.

Dünnere Fühler mit geringerer thermischer Masse folgen lokalen Temperaturänderungen normalerweise schneller. Größere Fühler mit höherer thermischer Masse werden dagegen stärker von den umgebenden thermischen Bedingungen beeinflusst.

Wie lässt sich sicherstellen, dass die gewünschte Position gemessen wird?

Zunächst muss eindeutig festgelegt werden, welche Temperatur beziehungsweise welche Position tatsächlich erfasst werden soll. Anschließend muss sich die Messstelle selbst und nicht lediglich der äußere Fühlermantel in diesem Bereich befinden.

Dabei sind insbesondere folgende Punkte zu beachten:

● Prüfen, ob der Fühler eine offene, geerdete oder ungeerdete Messstelle besitzt;
● Feststellen, ob die Messstelle direkt an der Spitze oder innerhalb des Fühlers liegt;
● Eine ausreichende Einstech- oder Eintauchtiefe sicherstellen;
● Die Messstelle nicht genau an der Grenze zweier stark unterschiedlicher Temperaturzonen platzieren;
● Bei Oberflächenmessungen einen guten thermischen Kontakt gewährleisten;
● Eine lokale Flüssigkeitsmessung nicht automatisch als Durchschnittstemperatur des gesamten Behälters interpretieren;
● Bei Gasmessungen Wärmestrahlung und Wärmeleitung entlang des Fühlers berücksichtigen;
● Bei sich ändernden Temperaturen ausreichend Zeit bis zur thermischen Annäherung der Messstelle einplanen.

Bei höheren Genauigkeitsanforderungen sollten Fühlerdurchmesser, Messstellenbauart, Ansprechzeit, Einbauart und thermische Eigenschaften des Messobjekts gemeinsam betrachtet werden.

FAQ

Misst ein Thermoelement die Temperatur direkt an der Fühlerspitze?

Vereinfacht kann von der Temperatur nahe der Fühlerspitze gesprochen werden. Präziser betrachtet misst das Thermoelement jedoch die Temperatur an seiner Messstelle. Diese liegt meist nahe der Spitze, muss aber nicht exakt mit dem Ende des Metallmantels übereinstimmen.

Misst ein Thermoelement die Durchschnittstemperatur des gesamten Fühlers?

Nein. Entscheidend ist hauptsächlich die Temperatur an der Messstelle. Andere Fühlerbereiche können den Messwert durch Wärmeleitung beeinflussen, die Temperatur wird jedoch nicht über die gesamte Fühlerlänge gemittelt.

Ist eine größere Eintauchtiefe immer besser?

Nicht unbegrenzt. Entscheidend ist, dass die Messstelle die vorgesehene Messzone erreicht und die Eintauchtiefe ausreichend groß ist, um Wärmeleitungsfehler entlang des Fühlerstiels zu reduzieren.

Warum ändert sich der Messwert bei unterschiedlicher Einstechtiefe?

Das Messmedium kann einen tatsächlichen Temperaturgradienten aufweisen. Zusätzlich kann bei geringer Einstechtiefe Wärme über den Fühler nach außen abgeführt werden, sodass die Messstelle nicht die tatsächliche lokale Prozesstemperatur erreicht.

Warum kann der Messwert trotz Kontakt der Fühlerspitze mit einer Oberfläche ungenau sein?

Die Messstelle kann unzureichend thermisch gekoppelt sein. Auch Umgebungsluft, Anpressdruck, Fühlerkonstruktion, Oberflächentemperaturverteilung, Wärmeleitung und Ansprechzeit können das Ergebnis beeinflussen.

Ist die Messposition bei einem Thermoelement mit offener Messstelle besonders eindeutig?

In der Regel ja. Die beiden Thermoelementleiter sind direkt an der sichtbaren offenen Messstelle verbunden. Dadurch ist die tatsächliche Messposition gut erkennbar. Gleichzeitig weisen offene Messstellen typischerweise ein schnelles thermisches Ansprechverhalten auf.

Zusammenfassung

Ein Thermoelement misst nicht die Temperatur des gesamten Fühlers, sondern hauptsächlich die Temperatur an der Messstelle, an der die beiden Thermoelementleiter miteinander verbunden sind.

Bei den meisten Fühlern liegt diese Messstelle nahe dem vorderen Ende. Deshalb wird häufig vereinfacht von einer Temperaturmessung „an der Fühlerspitze“ gesprochen. Bei ausgeprägten Temperaturgradienten, geringer Eintauchtiefe, schlechtem Oberflächenkontakt oder höheren Genauigkeitsanforderungen wird die genaue Position der Messstelle jedoch entscheidend.

Eine zuverlässige Thermoelementmessung erfordert daher nicht nur die Auswahl des geeigneten Thermoelementtyps. Ebenso wichtig ist, die Messstelle tatsächlich in der vorgesehenen Messzone zu positionieren und Einflüsse durch Wärmeleitung, Wärmestrahlung und Einbaubedingungen möglichst gering zu halten.