Einleitung
Ja. Thermoelemente können zur Messung der Lufttemperatur eingesetzt werden und finden häufig Anwendung in HLK-Systemen, Industrieanlagen, der Umweltüberwachung, Laboren, Öfen, Lüftungskanälen und Kühllagern.
Im Vergleich zu Flüssigkeiten oder Metalloberflächen erfolgt der Wärmeübergang in Luft jedoch deutlich langsamer. Ein Thermoelementfühler benötigt daher unter Umständen mehr Zeit, bis er sich der Temperatur der umgebenden Luft angeglichen hat. Auch Fühlerabmessungen, Luftgeschwindigkeit, benachbarte Wärmequellen und die Messposition können den Messwert beeinflussen.
Entscheidend ist daher weniger die Frage, ob ein Thermoelement Luft messen kann, sondern wie der Fühler ausgewählt und positioniert werden muss, damit der Messwert die tatsächliche Lufttemperatur am gewünschten Messpunkt zuverlässig wiedergibt.
Das Wichtigste im Überblick
● Thermoelemente können die Temperatur von Luft und anderen Gasen direkt erfassen;
● Aufgrund des geringeren Wärmeübergangs ist die Ansprechzeit in Luft meist länger als in Flüssigkeiten;
● Dünndrahtige, freiliegende oder thermisch massearme Thermoelemente eignen sich besonders für schnelle Lufttemperaturmessungen;
● Direkte Wärmestrahlung durch Sonne, Heizkörper, Ofenwände oder andere Wärmequellen sollte vermieden werden;
● Bei Messungen in Lüftungskanälen und Luftauslässen sind Strömungsgeschwindigkeit und Fühlerposition besonders wichtig;
● Der Messwert sollte erst nach ausreichender Stabilisierung dokumentiert werden.
Warum kann ein Thermoelement die Lufttemperatur messen?
Ein Thermoelement besteht aus zwei unterschiedlichen metallischen Leitern. Besteht zwischen Messstelle und Referenzstelle eine Temperaturdifferenz, entsteht eine temperaturabhängige Thermospannung. Das Messgerät erfasst diese Spannung und berechnet anhand der Kaltstellenkompensation sowie der Kennlinie des jeweiligen Thermoelementtyps die Temperatur.
Das Messprinzip ist daher nicht auf feste oder flüssige Medien beschränkt. Solange die Messstelle ausreichend Wärme mit der umgebenden Luft austauschen und sich deren Temperatur annähern kann, lässt sich die Lufttemperatur bestimmen.
Wird beispielsweise ein Thermoelement Typ K in einem Lüftungskanal positioniert, findet kontinuierlich ein Wärmeübergang zwischen Luftstrom und Messstelle statt. Sobald sich die Fühlertemperatur weitgehend an die lokale Lufttemperatur angeglichen hat, kann der angezeigte Wert die Temperatur an diesem Messpunkt repräsentieren.
Warum ist die Ansprechzeit bei Luftmessungen länger?
Luft besitzt eine deutlich geringere Dichte und Wärmeleitfähigkeit als die meisten Flüssigkeiten und Metalle. Dadurch wird innerhalb einer bestimmten Zeit weniger Wärme auf den Fühler übertragen beziehungsweise von ihm abgeführt. Der Temperaturausgleich dauert entsprechend länger.
Auch die thermische Masse des Fühlers beeinflusst die Ansprechzeit direkt. Größere Fühlerdurchmesser und dickwandige Schutzrohre enthalten mehr Material, das seine Temperatur ändern muss, und reagieren deshalb in der Regel langsamer.
Unter vergleichbaren Bedingungen gilt:
● Freiliegende Dünndraht-Thermoelemente reagieren meist besonders schnell;
● Kleine Fühlerdurchmesser sprechen in der Regel schneller an als große;
● Robuste, stark ummantelte Industriefühler bieten besseren mechanischen Schutz, reagieren in Luft jedoch meist langsamer.
Bei schnellen Lufttemperaturmessungen sollte daher neben Thermoelementtyp und Temperaturbereich auch die Ansprechzeit des Fühlers berücksichtigt werden.
Beeinflusst die Luftgeschwindigkeit die Messung?
Ja. Die Strömungsgeschwindigkeit beeinflusst den konvektiven Wärmeübergang zwischen Thermoelement und Luft.
Mit zunehmender Luftbewegung verbessert sich innerhalb üblicher Betriebsbedingungen der Wärmeübergang. Dadurch kann sich die Messstelle schneller der tatsächlichen Lufttemperatur annähern. Derselbe Fühler kann deshalb in ruhender Luft deutlich langsamer reagieren als in einem Luftstrom.
Aus diesem Grund stabilisieren sich Messwerte in Lüftungskanälen, Luftauslässen oder industriellen Belüftungssystemen häufig schneller als bei Messungen in weitgehend ruhender Raumluft.
Die Temperatur kann innerhalb eines Kanals jedoch örtlich variieren. Messungen unmittelbar an Kanalwänden, Heizregistern, Kühlregistern oder Mischzonen müssen daher nicht der mittleren Lufttemperatur entsprechen.
Warum beeinflusst Wärmestrahlung die Lufttemperaturmessung?
Ein Thermoelement tauscht Wärme nicht nur durch Konvektion mit der Luft aus, sondern auch durch Wärmestrahlung mit umliegenden Oberflächen.
Befindet sich ein Fühler beispielsweise in Luft mit etwa 25 °C, gleichzeitig jedoch in der Nähe einer heißen Ofenwand, eines Heizelements oder einer stark erwärmten Oberfläche, kann er zusätzliche Strahlungsenergie aufnehmen. Seine Temperatur kann dadurch über der tatsächlichen Lufttemperatur liegen und einen zu hohen Messwert verursachen.
Umgekehrt kann eine deutlich kältere Oberfläche in unmittelbarer Nähe zu einem niedrigeren Messwert führen.
Für eine zuverlässige Lufttemperaturmessung sollte der Fühler deshalb so positioniert werden, dass seine Temperatur überwiegend durch den Wärmeübergang mit der Luft bestimmt wird.
Wo sollte der Temperaturfühler positioniert werden?
Die Position des Fühlers bestimmt, welchen Bereich der Luft das Messergebnis repräsentiert. Die geeignete Position hängt vom jeweiligen Messziel ab.
● Bei Raumtemperaturmessungen direkte Sonneneinstrahlung, Luftauslässe, Türen, Fenster und wärmeerzeugende Geräte vermeiden;
● In Lüftungskanälen die Messstelle möglichst im Hauptluftstrom und nicht unmittelbar an der Kanalwand positionieren;
● In Geräten direkten Kontakt mit Metallgehäusen, Motoren, Heizelementen oder anderen festen Bauteilen vermeiden;
● Bei Öfen und heißen Gasräumen den Einfluss der Wärmestrahlung von Wänden berücksichtigen;
● Bei Vergleichsmessungen Fühlerposition, Eintauchtiefe und Strömungsbedingungen möglichst konstant halten.
Soll die mittlere Temperatur eines größeren Raumes oder Luftvolumens bestimmt werden, kann eine Einzelpunktmessung unzureichend sein. In diesem Fall sind mehrere Messstellen sinnvoll.
Welcher Thermoelementfühler eignet sich für Luftmessungen?
Für die Messung von Luft und Gasen sind Fühler mit geringer thermischer Masse und kurzer Ansprechzeit besonders geeignet.
Bei einem Thermoelement mit freiliegender Messstelle liegt die Verbindungsstelle direkt im Luftstrom und ist nicht von einem dicken Schutzrohr umgeben. Dadurch wird eine schnelle Reaktion ermöglicht. Diese Bauform eignet sich besonders für Laboranwendungen, HLK-Messungen, Umweltprüfungen und allgemeine Lufttemperaturmessungen.
Dünne, ummantelte Thermoelemente bieten einen guten Kompromiss zwischen Ansprechzeit und mechanischem Schutz und eignen sich unter anderem für industrielle Anwendungen, Lüftungskanäle und Messungen innerhalb von Anlagen.
Bei korrosiven Gasen, hohen Temperaturen, erhöhtem Druck oder mechanischer Beanspruchung sollten jedoch Werkstoff, Schutzkonstruktion und Sicherheit des Fühlers Vorrang vor einer möglichst kurzen Ansprechzeit haben.
Wie misst man Lufttemperatur korrekt mit einem Thermoelement?
Für stabile und repräsentative Messergebnisse sollten folgende Punkte berücksichtigt werden:
● Thermoelementtyp und Fühlerbauform entsprechend Temperaturbereich, Einsatzumgebung und gewünschter Ansprechzeit auswählen;
● Messstelle vollständig in der zu messenden Luft positionieren und Kontakt mit anderen Bauteilen vermeiden;
● Direkte Wärmestrahlung von Sonne, Ofenwänden oder Heizelementen möglichst vermeiden;
● In Lüftungskanälen eine Position wählen, die den Hauptluftstrom repräsentiert;
● Vor dem Ablesen warten, bis sich der Messwert ausreichend stabilisiert hat;
● Bei Vergleichsmessungen möglichst identische Messpositionen und Messbedingungen verwenden;
● Bei hohen Genauigkeitsanforderungen die Gesamtmessunsicherheit aus Fühler, Messgerät und Umgebungsbedingungen berücksichtigen.
FAQ
Kann ein Thermoelement die Raumlufttemperatur messen?
Ja. Bei Raumluftmessungen sollte der Fühler jedoch nicht unmittelbar der Sonne, einem Luftauslass, einer Tür, einem Fenster, Personen oder wärmeerzeugenden Geräten ausgesetzt sein.
Kann ein Thermoelement Typ K die Lufttemperatur messen?
Ja. Thermoelemente Typ K verfügen über einen großen Temperaturbereich und werden häufig in industriellen sowie HLK-Anwendungen eingesetzt. Die tatsächliche Ansprechzeit wird jedoch hauptsächlich von Fühlerbauform, Durchmesser und Einsatzbedingungen bestimmt.
Warum stabilisiert sich ein Thermoelement in Luft relativ langsam?
Da Luft Wärme vergleichsweise schlecht überträgt, benötigt der Fühler Zeit, um sich der Umgebungstemperatur anzupassen. Größere und stärker geschützte Fühler reagieren in der Regel langsamer.
Muss das Thermoelement direkten Kontakt mit der Luft haben?
Ja. Ein Thermoelement ist ein kontaktierender Temperatursensor. Die Messstelle muss sich direkt in der zu messenden Luft oder im Gas befinden, damit ein ausreichender Wärmeübergang stattfinden kann.
Ist die Lufttemperaturmessung mit einem Thermoelement mit einer Infrarotmessung vergleichbar?
Nein. Ein Thermoelement misst über den Wärmeübergang mit der umgebenden Luft. Ein Infrarotthermometer erfasst dagegen hauptsächlich die von Oberflächen abgegebene Infrarotstrahlung. Übliche Infrarotthermometer messen daher nicht direkt die Lufttemperatur.
Sind schwankende Messwerte bei Lufttemperaturmessungen normal?
Geringe Schwankungen sind normal, da sich Lufttemperatur, Strömungsgeschwindigkeit und lokale Temperaturverteilung verändern können. Starke oder unregelmäßige Schwankungen können dagegen auf Anschlussprobleme, eine falsche Thermoelementeinstellung, Verdrahtungsfehler oder elektrische Störungen hinweisen.
Fazit
Thermoelemente eignen sich für die Messung der Lufttemperatur und werden unter anderem in HLK-Systemen, bei der industriellen Instandhaltung, in der Umweltüberwachung, in Laboren, Lüftungskanälen, Öfen und Kühllagern eingesetzt.
Im Vergleich zur Temperaturmessung an Festkörpern oder in Flüssigkeiten reagieren Luftmessungen empfindlicher auf Ansprechzeit, Strömungsgeschwindigkeit, Messposition und Wärmestrahlung.
Ein Fühler mit geringer thermischer Masse und geeigneter Ansprechzeit sowie eine korrekte Positionierung der Messstelle tragen wesentlich zu stabilen und repräsentativen Messergebnissen bei.
Bei Lufttemperaturmessungen sind daher nicht nur die spezifizierte Genauigkeit des Thermoelements, sondern auch Fühlerauswahl, Einbauposition und Messverfahren entscheidend.
