Einleitung
Ein Thermoelement besteht aus zwei Leitern unterschiedlicher metallischer Werkstoffe. Bei der Auswahl spielen daher nicht nur der Thermoelementtyp, beispielsweise K, J, T oder E, sondern auch die Abmessungen der Thermodrähte eine Rolle.
Beeinflusst der Drahtdurchmesser die Temperaturmessung?
Ja. Seine Auswirkungen beschränken sich jedoch nicht auf die Frage, ob ein Messwert „genau“ oder „ungenau“ ist.
Der Drahtdurchmesser beeinflusst die thermische Masse, die Ansprechzeit, die mechanische Festigkeit, die Beständigkeit bei hohen Temperaturen, die Lebensdauer sowie die Wärmeleitung über die Thermodrähte.
Bleiben Thermoelementtyp, Legierungszusammensetzung und Fertigungsqualität gleich, verändert eine andere Drahtstärke jedoch nicht grundsätzlich den Seebeck-Koeffizienten des Thermoelements.
Die Aussage „dünner ist immer genauer“ oder „dicker misst genauer“ ist deshalb nicht zutreffend.
Die geeignete Drahtstärke muss entsprechend Messobjekt, Temperaturbereich, gewünschter Ansprechzeit, Einbauart und Umgebungsbedingungen gewählt werden.
Das Wichtigste im Überblick
● Der Drahtdurchmesser beeinflusst die thermische Masse und damit in der Regel die Ansprechzeit;
● Dünne Thermodrähte erwärmen und kühlen schneller und eignen sich besser für schnelle Temperaturänderungen;
● Dickere Thermodrähte bieten eine höhere mechanische Festigkeit und eignen sich häufig besser für hohe Temperaturen, Vibrationen und industrielle Langzeitanwendungen;
● Über die Wärmeleitung entlang der Drähte kann der Durchmesser den praktischen Messfehler beeinflussen;
● Die Drahtstärke bestimmt nicht unmittelbar die Genauigkeits- beziehungsweise Toleranzklasse eines Thermoelements;
● Die tatsächliche Ansprechzeit wird ebenfalls durch Messstellenkonstruktion, Schutzmantel, Fühlerdurchmesser, Strömungsgeschwindigkeit und Einbau beeinflusst;
● Die Auswahl erfordert einen Kompromiss zwischen schneller Reaktion, Haltbarkeit und Messstabilität.
Was bedeutet der Drahtdurchmesser eines Thermoelements?
Damit ist der Durchmesser der beiden Thermodrähte beziehungsweise Thermoschenkel gemeint, aus denen das Thermoelement aufgebaut ist.
Dies kann beispielsweise die Drahtstärke eines blanken Thermoelements, der Leiter innerhalb einer isolierten Thermoelementleitung oder der Thermodrähte innerhalb eines mineralisolierten Mantelthermoelements sein.
Der Drahtdurchmesser darf nicht mit dem Außendurchmesser des Temperaturfühlers verwechselt werden.
Ein Mantelthermoelement kann beispielsweise einen vergleichsweise großen Außendurchmesser besitzen, obwohl die darin eingebetteten Thermodrähte sehr dünn sind. Die Gesamtansprechzeit wird in diesem Fall nicht nur von den Thermodrähten, sondern auch vom Metallmantel, Isoliermaterial, der Messstelle und dem gesamten Fühleraufbau bestimmt.
Bei der Bewertung des Drahtdurchmessers muss daher zwischen der Dicke der Thermodrähte und dem Außendurchmesser des kompletten Fühlers unterschieden werden.
Warum beeinflusst der Drahtdurchmesser die Ansprechzeit?
Bei der Temperaturmessung findet zwischen der Messstelle des Thermoelements und dem Messmedium beziehungsweise der Oberfläche ein Wärmeaustausch statt.
Die Thermospannung verändert sich entsprechend der Temperatur der Messstelle.
Dünne Thermodrähte besitzen in der Regel eine geringere Masse und Wärmekapazität. Dadurch ist weniger Energie erforderlich, um sie zu erwärmen oder abzukühlen, sodass sie schneller ein neues thermisches Gleichgewicht erreichen können.
Das ist besonders bei schnell wechselnden Lufttemperaturen, dynamischen Erwärmungsprozessen, Laborversuchen oder kleinen Bauteilen von Vorteil.
Dickere Drähte weisen eine höhere Masse und thermische Kapazität auf. Unter vergleichbaren Bedingungen benötigen sie daher normalerweise länger, um einer Temperaturänderung zu folgen.
Der Drahtdurchmesser ist jedoch nicht der einzige Einflussfaktor.
Befindet sich ein sehr dünner Thermodraht beispielsweise in einem massiven Edelstahlmantel oder Schutzrohr, kann die thermische Masse dieser Schutzkonstruktion die Ansprechzeit des gesamten Sensors bestimmen.
Beeinflusst die Drahtstärke direkt die Genauigkeit?
Die Aussage, dass ein dünneres Thermoelement grundsätzlich genauer misst, ist nicht korrekt.
Das thermoelektrische Verhalten wird vor allem von den beiden verwendeten Werkstoffen und der Temperaturdifferenz zwischen Messstelle und Vergleichsstelle bestimmt.
Bei Thermoelementen desselben Typs mit vergleichbarer Materialzusammensetzung, Homogenität und Fertigungsqualität verändert der Drahtdurchmesser die grundlegende Kennlinie zwischen Thermospannung und Temperatur nicht.
Die Toleranz eines Thermoelements hängt stärker von Legierungszusammensetzung, Materialhomogenität, Fertigung, Betriebstemperatur, Alterung sowie der Genauigkeit der gesamten Messkette ab.
Dennoch kann der Drahtdurchmesser das praktische Messergebnis indirekt beeinflussen, insbesondere durch Ansprechverhalten und Wärmeleitung.
Die spezifizierte Sensortoleranz kann somit gleich bleiben, während sich der reale Messfehler in einer bestimmten Anwendung verändert.
Wie entstehen Wärmeleitungsfehler durch den Drahtdurchmesser?
Für eine möglichst genaue Messung sollte die Messstelle die tatsächliche Temperatur des Messpunktes möglichst gut annehmen.
Die Thermodrähte selbst leiten jedoch Wärme.
Besteht zwischen Messpunkt und den weiterführenden Drähten ein großer Temperaturunterschied, kann Wärme über die Leitungen vom Messpunkt abgeführt oder aus anderen Bereichen zur Messstelle geleitet werden.
Mit zunehmendem Drahtquerschnitt kann auch der Wärmetransport entlang der Leiter zunehmen.
Wird beispielsweise ein sehr kleines elektronisches Bauteil mit zu dicken Thermodrähten gemessen, können diese dem Bauteil Wärme entziehen. Dadurch ändert sich die lokale Temperatur, und der gemessene Wert kann unterhalb der ungestörten tatsächlichen Temperatur liegen.
Dieser Effekt ist besonders bei kleinen Messobjekten mit geringer thermischer Masse relevant.
Für elektronische Bauteile, dünne Materialien, kleine Proben und ähnliche Messobjekte werden daher häufig dünne Thermodrähte eingesetzt, um die thermische Beeinflussung möglichst gering zu halten.
Warum werden bei industriellen Hochtemperaturanwendungen häufig dickere Drähte verwendet?
Dünne Thermodrähte reagieren schnell, sind jedoch im Allgemeinen mechanisch weniger robust und können unter schwierigen Bedingungen eine kürzere Lebensdauer aufweisen.
Hohe Temperaturen beschleunigen unter anderem Oxidation, Gefügeveränderungen, Verunreinigungen und Änderungen der Legierungszusammensetzung.
Da dünne Drähte im Verhältnis zu ihrem Querschnitt eine große Oberfläche besitzen, können Oxidation und Korrosion stärkere Auswirkungen haben.
Dickere Thermodrähte weisen in der Regel eine höhere mechanische Belastbarkeit auf und widerstehen Vibrationen, Zugbelastungen, Temperaturwechseln und rauen Einsatzbedingungen besser.
Bei Industrieöfen, Wärmebehandlungsanlagen, Kesseln, Hochtemperaturleitungen und kontinuierlichen Prozessmessungen können Lebensdauer und Langzeitstabilität deshalb wichtiger sein als die kürzestmögliche Ansprechzeit.
In industriellen Anwendungen ist häufig ein sinnvoller Kompromiss zwischen schneller Reaktion und hoher Lebensdauer erforderlich.
Welche Vorteile haben dünne Thermoelementdrähte?
Der wesentliche Vorteil liegt in ihrer geringen thermischen Masse.
● In der Regel kurze Ansprechzeit;
● Geringe thermische Beeinflussung kleiner Messobjekte;
● Geeignet für kleine Bauteile und enge Einbauräume;
● Blank ausgeführte dünne Messstellen können sehr schnell auf Gas- oder Oberflächentemperaturen reagieren;
● Gute Erfassung schneller Temperaturtransienten.
Dünne Thermoelemente werden daher häufig bei Elektroniktests, Laboruntersuchungen, Luftstrommessungen, kleinen mechanischen Bauteilen sowie schnellen Heiz- und Abkühlvorgängen eingesetzt.
Nachteilig sind die geringere mechanische Belastbarkeit und die höhere Empfindlichkeit gegenüber Beschädigung, Drahtbruch und Hochtemperaturoxidation.
Welche Vorteile haben dickere Thermoelementdrähte?
Ihre wichtigste Stärke ist die Robustheit.
● Höhere mechanische Festigkeit;
● Besser für Vibrationen und mechanische Beanspruchung geeignet;
● Geeignet für anspruchsvolle industrielle Umgebungen;
● In vielen Fällen höhere Lebensdauer bei dauerhafter Hochtemperaturbeanspruchung;
● Geringere Beschädigungsgefahr bei Montage, Biegen und Handhabung.
Dickere Thermodrähte können daher bei Industrieanlagen, Öfen, Produktionsmaschinen, Rohrleitungen und kontinuierlichen Prozessmessungen sinnvoll sein, sofern die Temperaturänderungen nicht extrem schnell sind.
Die größere Masse führt jedoch meist zu einer höheren thermischen Trägheit und damit zu einer längeren Ansprechzeit.
Was ist der Unterschied zwischen Drahtdurchmesser und Fühlerdurchmesser?
Diese beiden Größen werden bei der Auswahl häufig verwechselt.
Der Drahtdurchmesser bezeichnet die Thermodrähte im Inneren beziehungsweise bei blanken Konstruktionen die Thermodrähte selbst. Der Fühlerdurchmesser bezeichnet dagegen normalerweise den Außendurchmesser des Metallmantels oder Schutzrohres.
Bei einer frei liegenden Messstelle stehen die Drähte direkt mit dem Messmedium in Kontakt. Die Drahtstärke wirkt sich deshalb unmittelbar auf das Ansprechverhalten aus.
Bei einem Mantelthermoelement muss die Wärme zunächst den Metallmantel und die innere Isolation durchdringen. Deshalb kann der gesamte Fühleraufbau einen stärkeren Einfluss auf die Ansprechzeit haben als die eigentliche Drahtstärke.
Zwei Thermoelemente mit ähnlichem Drahtdurchmesser, aber unterschiedlichen Manteldurchmessern können folglich deutlich unterschiedliche Ansprechzeiten besitzen.
Bei schnellen Messungen sollten daher sowohl Draht- als auch Fühlerdurchmesser und Messstellenkonstruktion berücksichtigt werden.
Auch die Messstellenkonstruktion beeinflusst das Ergebnis
Bei Mantelthermoelementen werden typischerweise freie, geerdete und ungeerdete Messstellen unterschieden.
Bei einer frei liegenden Messstelle steht die Verbindungsstelle unmittelbar mit Luft, Gas oder der Messoberfläche in Kontakt. In Verbindung mit dünnen Drähten lässt sich eine sehr geringe thermische Masse und damit eine schnelle Reaktion erzielen.
Bei einer geerdeten Messstelle ist die Messstelle mit dem Metallmantel verbunden. Wärme wird vergleichsweise direkt über den Mantel übertragen, wodurch sich häufig eine gute Kombination aus Ansprechgeschwindigkeit und mechanischer Stabilität ergibt.
Bei einer ungeerdeten Messstelle ist die Messstelle elektrisch vom Mantel isoliert. Die Reaktion ist häufig langsamer, dafür ist die elektrische Isolation besser.
Die tatsächliche Ansprechzeit ergibt sich somit aus dem Zusammenspiel von Drahtstärke, Messstellenkonstruktion und Fühleraufbau.
Bei Gasmessungen ist der Einfluss häufig besonders deutlich
Die Wärmeübertragung in Flüssigkeiten oder bei gutem Festkörperkontakt ist meist stärker als in Luft und vielen anderen Gasen.
Da der Wärmeübergang in Gasen relativ gering sein kann, wirkt sich die thermische Masse des Thermoelements stärker auf das Ansprechverhalten aus.
Bei der Messung schnell wechselnder Lufttemperaturen kann sich die Gastemperatur bereits deutlich verändert haben, während eine massive Messstelle dem neuen Wert noch folgt.
Bei Kanal-, Luftstrom-, Verbrennungs- und HVAC-Messungen sowie bei schnell wechselnden Gastemperaturen sollten Drahtstärke und Fühlerkonstruktion deshalb besonders berücksichtigt werden.
Auch die Strömungsgeschwindigkeit beeinflusst das Verhalten. Mit zunehmender Geschwindigkeit steigt in der Regel der konvektive Wärmeübergang, wodurch sich die Ansprechzeit verkürzen kann.
Warum ist die Drahtstärke bei kleinen Messobjekten besonders wichtig?
Kleine Bauteile besitzen eine geringe thermische Masse und speichern entsprechend wenig Wärmeenergie.
Wird eine vergleichsweise große Messstelle daran befestigt, verändert der Sensor selbst das thermische System.
Bei Leiterplattenbauteilen, dünnen Drähten, Metallfolien, kleinen Lagerteilen oder Laborproben können dicke Thermodrähte dem Messobjekt Wärme entziehen und dadurch dessen ursprünglichen Temperaturzustand verändern.
Der Sensor misst in diesem Fall nicht nur die Temperatur, sondern beeinflusst sie gleichzeitig.
Die Abmessungen des Thermoelements sollten deshalb zum Messobjekt passen. Auch die Befestigung und Führung der Drähte sollte so gewählt werden, dass Wärmeleitungsfehler möglichst gering bleiben.
Beeinflusst die Drahtstärke die Lebensdauer?
In vielen Fällen ja.
Bei dauerhaft hohen Temperaturen können Thermoelementmaterialien durch Oxidation, Verunreinigung, Gefügeveränderungen oder Legierungsdrift beeinträchtigt werden.
Dünne Drähte besitzen ein ungünstigeres Verhältnis von Oberfläche zu Querschnitt, sodass Oberflächenoxidation und Korrosion einen größeren Anteil des verbleibenden Leitermaterials betreffen können.
Zusätzlich sind sie empfindlicher gegenüber Ermüdung durch Vibrationen, wiederholtes Biegen und Temperaturwechsel.
Bei dauerhaften Messungen ohne hohe Anforderungen an schnelle Temperaturtransienten ist es daher häufig nicht sinnvoll, unnötig dünne Thermodrähte einzusetzen.
Welche Faktoren sind bei der Auswahl der Drahtstärke zu berücksichtigen?
Die Auswahl sollte nicht ausschließlich nach dem Prinzip „dünner ist schneller“ oder „dicker ist stabiler“ erfolgen.
● Ansprechzeit: Schnelle Temperaturänderungen sprechen für Konstruktionen mit geringer thermischer Masse;
● Größe des Messobjekts: Je kleiner das Objekt, desto stärker muss die thermische Beeinflussung durch den Sensor minimiert werden;
● Maximale Einsatztemperatur: Bei dauerhaft hohen Temperaturen gewinnen Materialstabilität und Lebensdauer an Bedeutung;
● Mechanische Belastung: Vibration, Bewegung, Reibung und Zugkräfte erfordern ausreichende Festigkeit;
● Messmedium: Luft, Gas, Flüssigkeit und Festkörper unterscheiden sich deutlich hinsichtlich des Wärmeübergangs;
● Messdauer: Kurzzeitige dynamische Versuche stellen andere Anforderungen als kontinuierliche Prozessmessungen;
● Montage: Eintauchtiefe, Befestigung und Leitungsführung beeinflussen das Messergebnis;
● Fühleraufbau: Manteldurchmesser, Messstellenkonstruktion und Schutzmaterialien sind ebenfalls entscheidend.
Die optimale Drahtstärke ist daher immer ein Kompromiss zwischen Ansprechzeit, Haltbarkeit, Einbaubedingungen und zulässigem Messfehler.
Häufiger Irrtum: Bedeutet dünnerer Draht automatisch höhere Genauigkeit?
Nein.
Die wesentlichen Vorteile dünner Thermodrähte sind eine geringe thermische Masse, eine schnelle Reaktion und eine reduzierte thermische Beeinflussung kleiner Messobjekte.
Dadurch lassen sich in bestimmten Anwendungen dynamische Messfehler oder Wärmeleitungsfehler reduzieren.
Die eigentliche Toleranzklasse des Thermoelements verbessert sich dadurch jedoch nicht automatisch.
Fehlerhafte Thermoelementwerkstoffe, eine ungenaue Vergleichsstellenkompensation, Messgerätefehler, eine ungeeignete Messstellenposition oder falsche Montage können auch bei sehr dünnen Drähten zu erheblichen Abweichungen führen.
Daher sollte zwischen zwei Aspekten unterschieden werden:
● Sensorgenauigkeit wird vor allem durch Werkstoff, Fertigungstoleranz und Messsystem bestimmt;
● Praktischer Messfehler wird zusätzlich durch Drahtstärke, Einbau, Wärmeleitung und Ansprechverhalten beeinflusst.
FAQ
Reagiert ein dünnerer Thermodraht immer schneller?
Unter vergleichbaren Konstruktions- und Messbedingungen in der Regel ja. Die geringere Masse und Wärmekapazität ermöglichen eine schnellere Anpassung. Befindet sich der Draht jedoch in einem massiven Schutzmantel, kann dieser die Gesamtansprechzeit bestimmen.
Misst ein dickes Thermoelement genauer als ein dünnes?
Nicht grundsätzlich. Die Drahtstärke bestimmt nicht direkt die Toleranzklasse. Die wesentlichen Vorteile dickerer Drähte liegen in ihrer mechanischen Festigkeit und Lebensdauer.
Warum werden für kleine elektronische Bauteile häufig dünne Thermoelemente verwendet?
Kleine Bauteile besitzen eine geringe thermische Masse. Dicke Thermodrähte können ihnen Wärme entziehen und dadurch die zu messende Temperatur verändern. Dünne Drähte reduzieren diesen Einfluss.
Warum werden bei hohen Industrietemperaturen nicht immer die dünnsten Thermodrähte eingesetzt?
Hohe Temperaturen beschleunigen Oxidation und Alterung. Sehr dünne Drähte sind mechanisch empfindlicher und erreichen häufig eine geringere Lebensdauer. Deshalb muss zwischen Ansprechzeit und Haltbarkeit abgewogen werden.
Was beeinflusst die Ansprechzeit stärker: Drahtdurchmesser oder Fühlerdurchmesser?
Das hängt von der Konstruktion ab. Bei freien Messstellen ist der Drahtdurchmesser sehr relevant. Bei Mantelthermoelementen können Manteldurchmesser, Wandstärke, Isolation und Messstellenkonstruktion einen größeren Einfluss haben.
Beeinflusst der Querschnitt einer Thermoelement-Verlängerungsleitung den Temperaturwert?
Bei korrektem Anschluss, passenden Materialien und einem Leitungswiderstand innerhalb der zulässigen Grenzen des Messgeräts verändern übliche Querschnittsunterschiede die thermoelektrische Kennlinie nicht direkt. Sehr lange Leitungen, ungeeignete Ausgleichs- oder Verlängerungsleitungen, Fremdmetallübergänge, elektromagnetische Störungen oder schlechte Kontakte können jedoch die Zuverlässigkeit der Messung beeinträchtigen.
Fazit
Der Drahtdurchmesser eines Thermoelements beeinflusst die Messung, jedoch nicht einfach im Sinne von „genauer“ oder „ungenauer“. Entscheidend ist das Zusammenspiel von Ansprechzeit, Wärmeleitung, mechanischer Festigkeit, Hochtemperaturbeständigkeit und Lebensdauer.
Dünne Thermodrähte besitzen eine geringe thermische Masse, reagieren meist schneller und beeinflussen kleine Messobjekte weniger. Sie eignen sich daher besonders für dynamische Messungen, Laboranwendungen und kleine Bauteile.
Dickere Thermodrähte bieten dagegen in der Regel eine höhere mechanische Festigkeit und Lebensdauer und eignen sich besser für Hochtemperatur-, Vibrations- und Langzeitanwendungen.
Bei der Auswahl sollten zusätzlich Thermoelementtyp, Messstellenkonstruktion, Fühlerdurchmesser, Schutzaufbau, Eintauchtiefe, Messmedium und gewünschte Ansprechzeit berücksichtigt werden.
