Einleitung
Bei der Auswahl eines Thermoelementfühlers stehen häufig Thermoelementtyp, Temperaturbereich, Fühlerdurchmesser und Messstellenkonstruktion im Vordergrund. Auch die Fühlerlänge kann jedoch die praktische Messqualität beeinflussen.
Werden beispielsweise zwei K-Typ-Thermoelemente mit Längen von 50 mm und 150 mm zur Messung einer Rohrleitung eingesetzt, können trotz gleicher Werkstoffe und gleicher Genauigkeitsklasse unterschiedliche Werte angezeigt werden.
Der Grund liegt in der Regel nicht darin, dass der längere Fühler grundsätzlich genauer ist. Entscheidend sind vielmehr Messposition, wirksame Eintauchtiefe und Wärmeleitung entlang des Fühlers.
Dabei sollten drei Begriffe unterschieden werden:
● Fühlerlänge: mechanische Länge vom Montagebezugspunkt bis zur Fühlerspitze;
● Eintauchtiefe: Länge des Fühlers, die tatsächlich in das Messmedium oder den Messbereich hineinragt;
● Messposition: tatsächliche Lage der Thermoelement-Messstelle, an der die Temperatur erfasst wird.
Für das Messergebnis sind in der Praxis vor allem die letzten beiden Punkte entscheidend.
Die wichtigsten Punkte
● Die Fühlerlänge allein bestimmt nicht die Messgenauigkeit;
● Ein zu kurzer Fühler kann verhindern, dass die Messstelle den gewünschten Messbereich erreicht;
● Eine unzureichende Eintauchtiefe kann Wärmeleitung entlang des Fühlers und damit Ableitungsfehler verursachen;
● Bei Temperaturgradienten können Fühler unterschiedlicher Länge an unterschiedlichen Stellen messen;
● Ein längerer Fühler ist nicht automatisch genauer;
● Fühlerlänge, Durchmesser, Eintauchtiefe, Schutzrohr und Einbauraum sollten gemeinsam betrachtet werden.
Beeinflusst die Fühlerlänge direkt die Messgenauigkeit?
Im Allgemeinen nicht.
Wenn zwei Thermoelementfühler aus denselben Thermoelementwerkstoffen bestehen, die gleiche Bauform, den gleichen Durchmesser und die gleiche Fertigungsgenauigkeit besitzen und ihre Messstellen derselben Temperatur ausgesetzt sind, führt eine unterschiedliche Gesamtlänge nicht automatisch zu einer anderen Genauigkeitsklasse.
Ein 100 mm langer K-Typ-Fühler ist daher nicht allein aufgrund seiner Länge ungenauer als ein 200 mm langer Fühler.
In realen Anwendungen ist die Temperaturverteilung jedoch häufig nicht vollständig homogen.
Eine andere Fühlerlänge kann beeinflussen:
● Welche Position die Messstelle tatsächlich erreicht;
● Welche Eintauchtiefe realisiert werden kann;
● Den Wärmeleitweg zwischen Messzone und Umgebung;
● Die Lage des Fühlers innerhalb eines Temperaturgradienten;
● Den Einfluss von Schutzrohren, Gewinden, Armaturen und Anlagenwänden.
Die Fühlerlänge beeinflusst das Messergebnis daher überwiegend indirekt über Einbau- und Wärmeübertragungsbedingungen.
Warum kann ein zu kurzer Thermoelementfühler Messfehler verursachen?
Bei Einsteckfühlern ist eine zu geringe Eintauchtiefe eine der häufigsten Ursachen.
Soll beispielsweise die Temperatur eines heißen Mediums in einer Rohrleitung gemessen werden, kann ein zu kurzer Fühler dazu führen, dass die Messstelle nur den wandnahen Bereich erreicht.
Dadurch können zwei Effekte auftreten.
Erstens kann die Temperatur in Wandnähe von der Temperatur im zentralen Strömungsbereich abweichen. Der Fühler misst dann nicht die eigentlich gewünschte Prozesstemperatur.
Zweitens kann ein größerer Teil des metallischen Fühlers der kühleren Umgebung ausgesetzt bleiben. Wärme wird dadurch entlang des Fühlers zwischen Prozess und Umgebung geleitet und kann das thermische Gleichgewicht an der Messstelle verändern.
Dieser Effekt wird häufig als Wärmeableitungsfehler beziehungsweise Stem-Conduction-Fehler bezeichnet.
Ist die Eintauchtiefe nicht ausreichend, kann Wärme entlang des Fühlers vom warmen zum kälteren Bereich fließen oder bei Tieftemperaturmessungen in umgekehrter Richtung. Dadurch kann die Temperatur der Messstelle von der tatsächlichen Mediumtemperatur abweichen.
Was bedeutet wirksame Eintauchtiefe?
Eine ausreichende Eintauchtiefe bedeutet mehr, als die Fühlerspitze lediglich einige Millimeter in das Medium einzuführen.
Die Messstelle und ein ausreichender Bereich des Fühlers sollten sich innerhalb des zu messenden Temperaturfeldes befinden, damit der Einfluss der äußeren Umgebung durch axiale Wärmeleitung möglichst gering bleibt.
In der Temperaturkalibrierung werden teilweise Faustregeln verwendet, bei denen die erforderliche Eintauchtiefe als Vielfaches des Fühlerdurchmessers abgeschätzt wird. Häufig finden sich Werte von etwa 15 bis 20 Fühlerdurchmessern zuzüglich der Länge des empfindlichen Bereichs.
Dies ist jedoch keine universell gültige Vorgabe. Die erforderliche Eintauchtiefe hängt von Fühlerkonstruktion, Einbausituation, gewünschter Genauigkeit und Herstellerangaben ab.
Grundsätzlich gilt:
● Größere Fühlerdurchmesser erfordern häufig größere Eintauchtiefen;
● Ein höherer Metallanteil kann die axiale Wärmeleitung verstärken;
● Große Temperaturunterschiede zwischen Prozess und Umgebung erhöhen die Bedeutung von Wärmeableitungsfehlern;
● Bei hochgenauen Messungen ist die Eintauchtiefe besonders sorgfältig zu bewerten.
Dass sich die Fühlerspitze bereits im Medium befindet, bedeutet daher nicht automatisch, dass die Eintauchtiefe ausreichend ist.
Warum ist die Messposition wichtiger als die Gesamtlänge?
Ein Thermoelement erfasst die Temperatur an der Messstelle, an der die beiden unterschiedlichen Thermoelementwerkstoffe miteinander verbunden sind. Es misst nicht die durchschnittliche Temperatur entlang des gesamten Fühlers.
Bei üblichen Mantelthermoelementen befindet sich die Messstelle in der Nähe der Fühlerspitze.
Vor der Auswahl der Fühlerlänge sollte daher zunächst geklärt werden:
An welcher Stelle soll die Temperatur tatsächlich gemessen werden?
Soll beispielsweise die Temperatur im mittleren Bereich einer Rohrleitung erfasst werden, muss der Fühler lang genug sein, damit die Messstelle diesen Bereich erreicht.
Ist der Fühler zu kurz und misst lediglich wandnah, kann der angezeigte Wert von der Temperatur im zentralen Strömungsbereich abweichen, obwohl das Thermoelement selbst einwandfrei arbeitet.
Dies gilt unter anderem für:
● Flüssigkeitsbehälter;
● Industrieöfen und Wärmebehandlungsanlagen;
● Lüftungs- und Klimakanäle;
● Laborgeräte;
● Prozessgasleitungen;
● Temperaturüberwachung innerhalb von Maschinen und Anlagen.
Ein Thermoelement kann als Sensor korrekt arbeiten und dennoch an der falschen Stelle messen.
Warum führen Temperaturgradienten bei unterschiedlichen Fühlerlängen zu unterschiedlichen Messwerten?
In realen Anlagen ist die Temperatur häufig räumlich ungleichmäßig verteilt.
Eine heiße Rohrleitung kann beispielsweise folgende Bereiche aufweisen:
● Höhere Temperatur im zentralen Strömungsbereich;
● Niedrigere Temperatur in Wandnähe;
● Noch niedrigere Temperatur an der Rohraußenseite;
● Deutlich niedrigere Umgebungstemperatur.
Eine solche räumliche Temperaturänderung wird als Temperaturgradient bezeichnet.
Unterschiedlich lange Fühler können ihre Messstellen an unterschiedlichen Positionen innerhalb dieses Gradienten platzieren und deshalb unterschiedliche Werte anzeigen.
Das bedeutet nicht zwangsläufig, dass einer der Fühler fehlerhaft ist. Möglicherweise erfassen beide lediglich unterschiedliche Temperaturzonen desselben Systems.
Ähnliche Effekte treten in Trockenblockkalibratoren, Temperaturbädern, Öfen und anderen Systemen mit axialen oder räumlichen Temperaturgradienten auf.
Beim Vergleich zweier Thermoelemente reicht es daher nicht immer aus, beide optisch gleich tief einzuführen. Entscheidend ist, dass sich die tatsächlichen Messstellen möglichst in derselben Temperaturzone befinden.
Ist ein längerer Thermoelementfühler genauer?
Nein.
Ein längerer Fühler bietet vor allem den Vorteil, dass größere Einbautiefen erreicht und weiter entfernte Messstellen zugänglich werden können.
Sobald die gewünschte Messposition und eine ausreichende Eintauchtiefe erreicht sind, verbessert zusätzliche Länge die Messgenauigkeit normalerweise nicht.
Ein unnötig langer Fühler kann sogar Nachteile verursachen:
● Begrenzter Einbauraum;
● Höheres Risiko für Verbiegung oder mechanische Beschädigung;
● Größere mechanische Belastung in strömenden Medien;
● Kollision mit internen Anlagenbauteilen;
● Messstelle liegt möglicherweise hinter dem gewünschten Messbereich;
● Aufwendigere Montage und Wartung.
Die richtige Auswahl lautet daher nicht „so lang wie möglich“, sondern so lang wie nötig, um Messposition und Eintauchtiefe sicherzustellen.
Warum müssen Fühlerlänge und Fühlerdurchmesser gemeinsam betrachtet werden?
Die Fühlerlänge sollte nicht unabhängig vom Durchmesser bewertet werden.
Ein 100 mm langer Fühler mit 1 mm Durchmesser hat andere thermische Eigenschaften als ein 100 mm langer Metallmantelfühler mit 6 mm Durchmesser.
Ein größerer Durchmesser bedeutet üblicherweise eine größere Metallmasse und einen größeren Wärmeleitquerschnitt. Dadurch können Eintauchtiefe und axiale Wärmeleitung stärker ins Gewicht fallen.
Der Durchmesser beeinflusst außerdem:
● Ansprechzeit;
● Mechanische Festigkeit;
● Erforderlichen Einbaudurchmesser;
● Wärmeleitung;
● Wärmeübergang zwischen Fühler und Messmedium.
Fühler länge, Durchmesser und Messposition sollten deshalb gemeinsam ausgelegt werden.
Gelten für Flüssigkeiten, Gase und Feststoffe dieselben Längenanforderungen?
Nein.
Bei Flüssigkeiten sollte die Messstelle ausreichend tief in die Flüssigkeit eintauchen und möglichst nicht unmittelbar an der Behälterwand liegen. Bei Temperaturschichtung muss zusätzlich die gewünschte Messtiefe festgelegt werden.
Bei Gasen in Rohrleitungen oder Lüftungskanälen hängt die geeignete Eintauchtiefe von Rohr- beziehungsweise Kanalabmessungen, Strömungsverhältnissen und Temperaturverteilung ab. Eine Messung direkt an der Wand kann die mittlere Gastemperatur unter Umständen nicht repräsentieren.
Bei Feststoffen richtet sich die erforderliche Fühlerlänge vor allem nach der Tiefe der Messbohrung und dem gewünschten internen Messpunkt.
Bei Oberflächenthermoelementen gelten andere Bedingungen. Hier stehen Kontaktqualität, Anpressdruck, Oberflächenzustand und Wärmeübergang zur Umgebung im Vordergrund.
Eine universelle Fühlerlänge für alle Messaufgaben gibt es daher nicht.
Warum ist die Fühlerlänge bei Verwendung eines Schutzrohres besonders wichtig?
Industrielle Thermoelemente werden häufig in einem Schutzrohr beziehungsweise Thermowell montiert.
Die angegebene Fühlerlänge entspricht dann nicht zwangsläufig der tatsächlichen Einbautiefe der Messstelle im Prozess.
Gewinde, Flansche, Anschlussstücke, Rohrwandstärke, Gehäuse und Schutzrohrkonstruktion beanspruchen einen Teil der mechanischen Länge.
Ein 150 mm langer Thermoelementfühler bedeutet daher nicht automatisch, dass die Messstelle 150 mm tief in das Prozessmedium hineinragt.
Zu berücksichtigen sind:
● Länge des Montageanschlusses;
● Tatsächliche Eintauchtiefe des Schutzrohres;
● Ob die Fühlerspitze den Schutzrohrboden korrekt erreicht;
● Abstand zwischen Schutzrohrspitze und gewünschter Messzone.
Auch Abmessungen, Material und Eintauchtiefe des Schutzrohres können das thermische Verhalten beeinflussen.
Bei industriellen Anwendungen sollte die Fühlerlänge deshalb anhand der gesamten Einbaugeometrie bestimmt werden.
Wie lässt sich erkennen, ob die Eintauchtiefe zu gering ist?
Wenn eine sichere Veränderung der Fühlerposition möglich ist, kann eine schrittweise Änderung der Eintauchtiefe Hinweise liefern.
Nach Stabilisierung der Prozesstemperatur:
● Aktuellen Messwert erfassen;
● Fühler weiter in den Messbereich einführen;
● Erneut stabilisieren lassen;
● Messwerte vergleichen.
Verändert sich der Wert mit zunehmender Eintauchtiefe weiterhin deutlich und systematisch, können Temperaturgradienten, eine ungeeignete Messposition oder Wärmeableitung entlang des Fühlers die ursprüngliche Messung beeinflusst haben.
Werden die Änderungen bei größerer Eintauchtiefe zunehmend kleiner, befindet sich die Messstelle wahrscheinlich in einem thermisch stabileren und repräsentativeren Bereich.
Diese Methode darf nur eingesetzt werden, wenn eine Positionsänderung technisch zulässig und sicher ist. Bei Hochtemperatur-, Hochdruck-, rotierenden, geschlossenen oder gefährlichen Anlagen muss die Fühlerposition entsprechend der vorgesehenen Konstruktion und den Betriebsanweisungen beibehalten werden.
Was ist bei der Auswahl der Thermoelement-Fühlerlänge zu beachten?
Bei der Auswahl sollten folgende Punkte berücksichtigt werden:
● Tatsächliche gewünschte Messposition bestimmen;
● Abstand zwischen Montagepunkt und Messposition ermitteln;
● Ausreichende wirksame Eintauchtiefe vorsehen;
● Fühlerdurchmesser und axiale Wärmeleitung berücksichtigen;
● Längenanteile von Gewinden, Flanschen, Armaturen und Schutzrohren einrechnen;
● Mögliche mechanische Kollisionen innerhalb der Anlage prüfen;
● Bei Rohrleitungen Rohrdurchmesser und Temperaturverteilung berücksichtigen;
● Bei großen Temperaturdifferenzen oder hohen Genauigkeitsanforderungen Wärmeableitung besonders beachten;
● Bei Schutzrohren sicherstellen, dass der Fühler die vorgesehene Position erreicht;
● Herstellerangaben für Fühler und Einbausystem beachten.
Die erforderliche Fühlerlänge sollte daher von Messposition und Einbaugeometrie bestimmt werden und nicht von der Annahme, dass ein längerer Fühler grundsätzlich besser ist.
FAQ
Ist ein längerer Thermoelementfühler immer genauer?
Nein. Zusätzliche Länge verbessert die Genauigkeit nicht automatisch. Entscheidend sind korrekte Messposition und ausreichende Eintauchtiefe.
Welche Auswirkungen hat ein zu kurzer Thermoelementfühler?
Die Messstelle kann den gewünschten Bereich möglicherweise nicht erreichen. Zusätzlich kann eine zu geringe Eintauchtiefe Wärmeableitungsfehler verursachen.
Warum ändert sich der Messwert bei größerer Eintauchtiefe?
Möglicherweise besteht ein Temperaturgradient oder die ursprüngliche Eintauchtiefe war nicht ausreichend. Durch tieferes Einführen verändert sich sowohl die Messposition als auch der Einfluss der Wärmeleitung.
Wie tief muss ein Thermoelement eingeführt werden?
Es gibt keinen universellen Wert. Die notwendige Tiefe hängt unter anderem von Durchmesser, Fühlerkonstruktion, Medium, Temperaturdifferenz und Genauigkeitsanforderung ab. Faustregeln von etwa 15 bis 20 Fühlerdurchmessern können als Orientierung dienen, ersetzen jedoch nicht die Herstellerangaben.
Ist ein 200-mm-Fühler genauer als ein 100-mm-Fühler?
Nicht allein aufgrund seiner Länge. Befinden sich beide Messstellen korrekt in derselben Temperaturzone und besitzen die Fühler dieselbe Spezifikation, entscheidet die Länge nicht über die Genauigkeit.
Kann die Länge eines Schutzrohres das Messergebnis beeinflussen?
Ja. Eintauchtiefe, Durchmesser, Material und die Position des Thermoelements im Schutzrohr können Wärmeübertragung und Messposition beeinflussen.
Fazit
Die Länge eines Thermoelementfühlers kann das Messergebnis beeinflussen, ist jedoch in der Regel nicht direkt für die Genauigkeit des Thermoelements verantwortlich.
Entscheidend ist, ob die Messstelle die richtige Position erreicht und eine ausreichende wirksame Eintauchtiefe vorhanden ist.
Ein zu kurzer Fühler kann Messpositionsfehler, Temperatureinflüsse durch Gradienten und Wärmeableitungsfehler verursachen. Ist die erforderliche Länge erreicht, bringt zusätzliche Länge normalerweise keinen Genauigkeitsvorteil und kann die mechanische Installation erschweren.
Für zuverlässige Temperaturmessungen sollten Fühlerlänge, Durchmesser, Eintauchtiefe, Messposition, Schutzrohrkonstruktion, Einbaugeometrie und tatsächliche Temperaturverteilung gemeinsam berücksichtigt werden.
Nur wenn sich die Thermoelement-Messstelle tatsächlich in der zu überwachenden Temperaturzone befindet, ist eine repräsentative Messung möglich.
