Einleitung

Thermoelementfühler können äußerlich nahezu identisch aussehen, obwohl sich der interne Aufbau ihrer Messstellen deutlich unterscheidet. Abhängig von der Verbindung zwischen Thermoelement-Messstelle und Metallmantel werden üblicherweise geerdete, isolierte und freiliegende Messstellen unterschieden.

Ein Thermoelement mit geerdeter Messstelle bedeutet nicht einfach, dass der Sensor an den Schutzleiter einer elektrischen Anlage angeschlossen ist. Der Begriff beschreibt vielmehr, dass die Thermoelement-Messstelle direkt mit dem metallischen Schutzmantel verbunden ist.

Diese Konstruktion verkürzt den thermischen Übertragungsweg zwischen Messmedium und Messstelle. Dadurch reagieren Thermoelemente mit geerdeter Messstelle in der Regel schneller auf Temperaturänderungen. Sie werden häufig in Industrieanlagen, Rohrleitungen, Maschinen, Heizsystemen und prozesstechnischen Anwendungen eingesetzt.

Das Wichtigste auf einen Blick

● Bei einem Thermoelement mit geerdeter Messstelle ist die Messstelle direkt mit dem Metallmantel verbunden;
● Aufgrund des kurzen Wärmeübertragungswegs ist die thermische Ansprechzeit in der Regel kürzer als bei einem vergleichbar aufgebauten Thermoelement mit isolierter Messstelle;
● Der Metallmantel schützt die Thermoelementdrähte mechanisch und übernimmt gleichzeitig eine direkte Funktion bei der Wärmeübertragung;
● Durch die elektrische Verbindung zwischen Messstelle und Mantel müssen mögliche Potentialunterschiede, elektrische Störungen und Masseschleifen berücksichtigt werden;
● Geerdete, isolierte und freiliegende Messstellen haben unterschiedliche Vorteile. Die Auswahl sollte sich nach Ansprechzeit, elektrischer Isolation, Umgebungsbedingungen und mechanischem Schutz richten.

Was ist ein Thermoelement mit geerdeter Messstelle?

Ein Thermoelement dieser Bauart wird im Deutschen häufig als Thermoelement mit geerdeter Messstelle bezeichnet. Im internationalen technischen Umfeld sind auch die englischen Begriffe Grounded Thermocouple und Grounded Junction Thermocouple gebräuchlich.

Ein Thermoelement besteht aus zwei unterschiedlichen elektrischen Leitermaterialien, die am Messende zu einer Messstelle verbunden werden. Besteht zwischen dieser Messstelle und der Referenzstelle eine Temperaturdifferenz, entsteht eine temperaturabhängige Thermospannung. Ein Thermoelement-Thermometer, Temperaturmessumformer oder Datenerfassungssystem wertet dieses Signal entsprechend dem jeweiligen Thermoelementtyp aus.

Bei einer geerdeten Ausführung ist die Messstelle direkt mit dem Metallmantel verbunden.

Der Wärmeübertragungsprozess lässt sich vereinfacht wie folgt darstellen:

● Das Messmedium überträgt Wärme auf den Metallmantel;
● Der Metallmantel steht in direkter thermischer und elektrischer Verbindung mit der Messstelle;
● Die Wärme erreicht die Messstelle vergleichsweise schnell;
● An der Messstelle entsteht die Thermospannung;
● Das Messgerät, der Messumformer oder das Datenerfassungssystem erfasst das Signal und berechnet daraus die Temperatur.

Durch diesen Aufbau kombiniert ein geerdetes Thermoelement eine relativ schnelle thermische Reaktion mit dem mechanischen Schutz eines Metallmantels.

Bedeutet „geerdet“ einen Anschluss an den Schutzleiter?

Nein.

Dies ist eines der häufigsten Missverständnisse bei der Bezeichnung geerdeter Thermoelemente.

„Geerdet“ beschreibt in diesem Zusammenhang in erster Linie die konstruktive und elektrische Verbindung zwischen Thermoelement-Messstelle und Metallmantel. Der Begriff bedeutet nicht, dass der Sensor zwingend mit dem Schutzleiter PE einer elektrischen Anlage verbunden werden muss.

Da die Messstelle jedoch elektrisch mit dem Metallmantel verbunden ist, kann auch der Thermoelement-Messkreis elektrisch mit einer Maschine oder Anlage verbunden werden, wenn der Mantel leitend mit einem Maschinenrahmen, Behälter, Rohr oder einem anderen geerdeten Metallteil in Kontakt steht.

Ein geerdetes Thermoelement kann daher je nach Einbausituation indirekt auf Anlagenpotential liegen. Dies ist eine Folge der Installation und der elektrischen Systemkonfiguration und nicht die eigentliche Definition dieser Messstellenbauart.

Wie ist ein Thermoelement mit geerdeter Messstelle aufgebaut?

Ein typisches mineralisoliertes oder metallummanteltes Thermoelement enthält Thermoelementdrähte, elektrisches Isoliermaterial und einen äußeren Metallmantel.

Die Thermoelementdrähte erzeugen die Thermospannung. Das Isoliermaterial fixiert und trennt die Leiter dort, wo eine elektrische Isolation erforderlich ist. Der äußere Metallmantel schützt die interne Konstruktion vor mechanischer Belastung, Abrieb, Druck und bestimmten Prozessmedien.

Bei einer geerdeten Ausführung werden die beiden Thermoelementleiter an der Fühlerspitze zur Messstelle verbunden. Diese Messstelle ist gleichzeitig direkt mit dem Metallmantel verbunden.

Elektrisch betrachtet gilt:

Thermoelement-Messstelle → elektrisch mit dem Metallmantel verbunden.

Genau diese Verbindung ist der wesentliche konstruktive Unterschied zu einem Thermoelement mit isolierter Messstelle.

Warum reagiert eine geerdete Messstelle meist schneller?

Ein Thermoelement misst nicht unmittelbar die Temperatur des äußeren Metallmantels. Maßgeblich ist die Temperatur, die an der inneren Messstelle erreicht wird.

Wird ein Fühler von einem Temperaturbereich in einen anderen gebracht, muss Wärme zunächst vom Messmedium durch den Fühleraufbau bis zur Messstelle übertragen werden. Je länger dieser Wärmeweg ist und je größer der thermische Widerstand zwischen Mantel und Messstelle ausfällt, desto länger dauert die Anpassung an die neue Temperatur.

Bei einer geerdeten Messstelle besteht eine direkte Verbindung zum Metallmantel. Dadurch wird der thermische Widerstand zwischen Mantel und Messstelle reduziert, sodass Wärme schneller zur eigentlichen Messstelle gelangen kann.

Wird ein Fühler beispielsweise in eine Flüssigkeit, ein Gas oder ein Maschinenteil mit schnell veränderlicher Temperatur eingebracht, reagiert eine geerdete Ausführung bei vergleichbarem Durchmesser, Mantelmaterial und Aufbau in der Regel schneller als eine isolierte Ausführung.

Die tatsächliche Ansprechzeit wird jedoch nicht allein von der Messstellenbauart bestimmt. Auch Fühlerdurchmesser, Mantelwerkstoff, Größe der Messstelle, Eintauchtiefe, Strömungsgeschwindigkeit und Einbauart beeinflussen das thermische Verhalten.

Welche Vorteile bietet ein Thermoelement mit geerdeter Messstelle?

Der wichtigste Vorteil liegt in der ausgewogenen Kombination aus schneller thermischer Reaktion und mechanischem Schutz.

● Schnelles Ansprechverhalten: Die direkte Verbindung zwischen Messstelle und Mantel reduziert den thermischen Widerstand;
● Guter mechanischer Schutz: Im Gegensatz zu einer freiliegenden Messstelle bleibt die Messstelle innerhalb des Metallmantels geschützt;
● Geeignet für dynamische Temperaturverläufe: Heiz-, Kühl- und Prozessänderungen können vergleichsweise schnell erfasst werden;
● Kompakte Bauweise: Geerdete Messstellen lassen sich in zahlreichen Fühlerdurchmessern und -längen realisieren;
● Breites Anwendungsspektrum: Geeignet sind unter anderem Flüssigkeiten, Gase, Maschinen, Rohrleitungen, Formen und verschiedene industrielle Prozessanwendungen.

Wenn keine besonders hohe elektrische Isolation erforderlich ist und eine schnelle Reaktion gewünscht wird, ist eine geerdete Messstelle häufig eine geeignete Lösung.

Welche Einschränkungen hat eine geerdete Messstelle?

Die schnelle Ansprechzeit bringt den konstruktiven Nachteil mit sich, dass zwischen Messstelle und Metallmantel eine elektrische Verbindung besteht.

Liegt am zu messenden Gerät ein elektrisches Potential an oder bestehen zwischen unterschiedlichen Anlagenteilen Potentialunterschiede, kann der Thermoelement-Messkreis über den Mantel einen zusätzlichen Strompfad bilden. Dadurch kann das Risiko von Masseschleifen, Gleichtaktstörungen oder elektrischem Rauschen steigen.

Besondere Aufmerksamkeit ist beispielsweise erforderlich bei:

● Frequenzumrichtern, Motorantrieben und anderen elektrisch störintensiven Geräten;
● Anlagen, in denen zwischen verschiedenen Komponenten deutliche Massepotentialunterschiede auftreten können;
● Messgeräten ohne ausreichende galvanische Eingangstrennung;
● Mehrkanal-Temperaturerfassungssystemen;
● Labor- und Industrieanwendungen mit hohen Anforderungen an Signalstabilität und die Erfassung kleiner Temperaturänderungen.

Dies bedeutet nicht, dass geerdete Thermoelemente in solchen Anwendungen grundsätzlich ungeeignet sind. Vielmehr müssen Erdungskonzept, Eingangstrennung, Leitungsführung, Abschirmung und die gesamte Messkette berücksichtigt werden.

Was ist der Unterschied zwischen geerdeten und isolierten Thermoelementen?

Bei einem Thermoelement mit isolierter Messstelle ist die Messstelle elektrisch vom Metallmantel getrennt. International wird diese Bauform als Ungrounded Thermocouple oder Ungrounded Junction Thermocouple bezeichnet.

Der entscheidende Unterschied ist die elektrische Verbindung zwischen Messstelle und Metallmantel.

● Geerdete Messstelle: Die Messstelle ist direkt mit dem Metallmantel verbunden;
● Isolierte Messstelle: Die Messstelle ist elektrisch vom Metallmantel getrennt.

Die isolierte Ausführung bietet daher in der Regel eine bessere galvanische Trennung zwischen Messstelle und Mantel und kann von Vorteil sein, wenn Masseschleifen oder elektrische Störungen vermieden werden sollen.

Die zusätzliche Isolationsschicht erhöht jedoch den thermischen Widerstand zwischen Mantel und Messstelle. Bei vergleichbaren Abmessungen, Werkstoffen und sonstigen Bedingungen reagiert eine isolierte Messstelle daher normalerweise langsamer als eine geerdete.

Vereinfacht gilt:

● Steht eine schnelle Ansprechzeit im Vordergrund, ist häufig eine geerdete Messstelle sinnvoll;
● Steht elektrische Isolation im Vordergrund, ist häufig eine isolierte Messstelle die bessere Wahl.

Zusätzlich sollten Fühlerabmessungen, Temperaturbereich, Messmedium, Messgerät und elektrische Umgebungsbedingungen berücksichtigt werden.

Was ist der Unterschied zwischen geerdeten und freiliegenden Messstellen?

Bei einem Thermoelement mit freiliegender Messstelle liegt die Messstelle direkt im Messmedium und wird an der Spitze nicht vollständig vom Metallmantel umschlossen.

Die drei üblichen Bauformen lassen sich daher wie folgt zusammenfassen:

● Freiliegende Messstelle: Die Messstelle steht direkt mit dem Messmedium in Kontakt;
● Geerdete Messstelle: Die Messstelle liegt innerhalb des Metallmantels und ist direkt mit ihm verbunden;
● Isolierte Messstelle: Die Messstelle liegt innerhalb des Metallmantels, ist jedoch elektrisch von ihm getrennt.

Unter ansonsten vergleichbaren Bedingungen bietet eine freiliegende Messstelle in der Regel die kürzeste Ansprechzeit, weil nur sehr wenig Material zwischen Messmedium und Messstelle liegt. Gleichzeitig ist sie mechanisch und gegenüber Umwelteinflüssen weniger geschützt.

Die geerdete Ausführung stellt einen Kompromiss zwischen Ansprechgeschwindigkeit und Schutz dar und ist deshalb in vielen industriellen Anwendungen verbreitet.

Die isolierte Ausführung reagiert gegebenenfalls langsamer, bietet dafür jedoch eine bessere elektrische Trennung zwischen Messstelle und Mantel.

Für welche Anwendungen eignen sich geerdete Thermoelemente?

Geerdete Thermoelemente eignen sich besonders für Anwendungen, in denen sowohl mechanischer Schutz als auch ein relativ schnelles thermisches Ansprechverhalten erforderlich sind.

Typische Einsatzbereiche sind:

● Überwachung von Temperaturänderungen an Industrieanlagen;
● Temperaturmessung an Rohrleitungen und Geräten in HVAC-Anlagen;
● Messungen an Heizgeräten, Öfen und industriellen Wärmeprozessen;
● Temperaturüberwachung von Flüssigkeiten, Behältern und Prozessleitungen;
● Messungen an Motoren, Lagern, Maschinenbauteilen und Gerätegehäusen;
● Temperaturüberwachung an Formen, Heißpressen und Fertigungsanlagen;
● Dynamische Heiz- und Kühlmessungen im Labor;
● Instandhaltung, Fehlersuche und mobile Temperaturkontrolle.

Bei komplexen Erdungs- und Potentialverhältnissen sollte zusätzlich geprüft werden, ob eine isolierte Messstelle besser geeignet ist.

Welche weiteren Parameter sind bei der Auswahl zu beachten?

Die Bauart der Messstelle ist nur ein Kriterium bei der Auswahl eines Thermoelementfühlers. Ein geeigneter Fühler sollte nicht ausschließlich danach ausgewählt werden, ob die Messstelle geerdet ist.

Weitere wichtige Parameter sind:

● Thermoelementtyp: Typ K, J, T, E und andere Thermoelemente verwenden unterschiedliche Werkstoffkombinationen und besitzen unterschiedliche Einsatzbereiche;
● Temperaturbereich des Fühlers: Neben den Thermoelementdrähten bestimmen auch Mantel, Isolation, Anschlussleitung, Steckverbinder und Gesamtkonstruktion den praktisch zulässigen Bereich;
● Mantelwerkstoff: Verschiedene Metalllegierungen unterscheiden sich hinsichtlich Temperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und mechanischer Festigkeit;
● Fühlerdurchmesser: Dünnere Fühler besitzen üblicherweise eine geringere thermische Masse und reagieren schneller, können jedoch mechanisch weniger robust sein;
● Fühlerlänge: Die Länge sollte entsprechend Einbausituation, erforderlicher Eintauchtiefe und möglicher Wärmeableitung gewählt werden;
● Ansprechzeit: Bei schnell veränderlichen Prozessen sind die realen dynamischen Eigenschaften des Fühlers besonders wichtig;
● Messmedium: Gase, Flüssigkeiten, Festkörperoberflächen und korrosive Medien stellen unterschiedliche Anforderungen an die Konstruktion;
● Kompatibilität mit dem Messgerät: Thermoelementtyp und Messgerät, Datenlogger, Datenerfassungssystem oder Messumformer müssen zueinander passen.

Die Bezeichnung „geerdet“ beschreibt somit nur einen Teil der vollständigen Thermoelement-Spezifikation.

Was ist beim Einsatz eines geerdeten Thermoelements zu beachten?

Zunächst muss sichergestellt werden, dass Thermoelementtyp und Geräteeinstellung übereinstimmen. Ein Thermoelement vom Typ K muss beispielsweise an einem Messgerät betrieben werden, das Typ-K-Eingänge unterstützt oder entsprechend konfiguriert ist.

Außerdem sollte eine ausreichende Eintauchtiefe gewährleistet sein. Bei zu geringer Eintauchtiefe kann Wärme über den Metallmantel in Richtung Umgebung abgeleitet werden. Dadurch kann die Messstelle stärker von der Umgebungstemperatur beeinflusst werden und ein Messfehler entstehen.

Auch die mögliche elektrische Verbindung zwischen Messstelle und Anlage ist zu berücksichtigen. In Umgebungen mit Frequenzumrichtern, leistungsstarken Motoren, Hochfrequenzgeräten oder anderen starken Störquellen sollten Thermoelementleitungen sachgerecht verlegt und längere parallele Führungen zu Leistungskabeln möglichst vermieden werden. Je nach Messsystem können Abschirmung, galvanische Trennung oder eine isolierte Messstelle zweckmäßig sein.

Bei hohen Temperaturen, korrosiven Medien, hohem Druck oder hohen Strömungsgeschwindigkeiten müssen zusätzlich Mantelwerkstoff und mechanische Konstruktion für die realen Betriebsbedingungen geeignet sein.

Beeinflusst eine geerdete Messstelle die Messgenauigkeit?

Eine geerdete Messstelle ist nicht grundsätzlich „genauer“ und besitzt nicht automatisch eine höhere Messgenauigkeit.

Messabweichungen eines Thermoelements können unter anderem durch die Toleranz der Thermoelementdrähte, Kaltstellenkompensation, das Messgerät, Verlängerungs- oder Ausgleichsleitungen, Umgebungstemperatur, Einbau, Wärmeableitung, elektrische Störungen und Alterung des Fühlers verursacht werden.

Die geerdete Bauform beeinflusst in erster Linie das thermische Ansprechverhalten und die elektrische Verbindung.

Bei schnell veränderlichen Temperaturen kann ein geerdeter Fühler aufgrund seiner kürzeren Ansprechzeit die momentane Prozesstemperatur schneller nachführen. In einer elektrisch stark gestörten Umgebung kann die Verbindung zum Mantel jedoch gleichzeitig die Einkopplung von Störsignalen begünstigen.

Bei der Bewertung eines Thermoelements sollten daher Genauigkeit, Ansprechzeit, elektrische Isolation und Einbaubedingungen getrennt betrachtet werden.

FAQ

Was bedeutet ein Thermoelement mit geerdeter Messstelle?
Dabei ist die Thermoelement-Messstelle direkt mit dem metallischen Schutzmantel verbunden. International wird diese Bauform als Grounded Thermocouple oder Grounded Junction Thermocouple bezeichnet.

Muss ein geerdetes Thermoelement an den Schutzleiter angeschlossen werden?
Nein. „Geerdet“ beschreibt die interne Verbindung zwischen Messstelle und Metallmantel und bedeutet nicht, dass ein Anschluss an den Schutzleiter erforderlich ist.

Warum reagiert ein geerdetes Thermoelement schneller?
Die Messstelle ist direkt mit dem Metallmantel verbunden. Dadurch wird der thermische Widerstand zwischen Mantel und Messstelle reduziert und Temperaturänderungen können schneller erfasst werden.

Ist eine geerdete oder eine isolierte Messstelle besser?
Keine Bauform ist grundsätzlich besser. Geerdete Messstellen reagieren normalerweise schneller, während isolierte Messstellen eine bessere elektrische Trennung bieten. Die Auswahl hängt von der Anwendung ab.

Eignet sich eine geerdete Messstelle für schnell veränderliche Temperaturen?
In vielen Fällen ja. Die tatsächliche Ansprechzeit hängt jedoch zusätzlich von Fühlerdurchmesser, Mantelwerkstoff, Messstellenaufbau, Strömungsgeschwindigkeit, Eintauchtiefe und Einbauweise ab.

Können elektrische Störungen ein geerdetes Thermoelement beeinflussen?
Ja. Da die Messstelle elektrisch mit dem Mantel verbunden ist, können Potentialunterschiede oder elektrische Störungen in bestimmten Anlagen zu Masseschleifen oder Störeinkopplungen führen.

Können mit geerdeten Thermoelementen Flüssigkeiten und Gase gemessen werden?
Ja, sofern Mantelwerkstoff, Temperaturbereich, Abdichtung und mechanische Konstruktion für das jeweilige Medium und die Betriebsbedingungen geeignet sind.

Zusammenfassung

Ein Thermoelement mit geerdeter Messstelle ist so aufgebaut, dass die Messstelle direkt mit dem Metallmantel verbunden ist. Dadurch kann Wärme effizient vom Mantel zur Messstelle übertragen werden, was in der Regel ein schnelles thermisches Ansprechverhalten ermöglicht. Gleichzeitig schützt der Metallmantel die internen Thermoelementdrähte.

Im Vergleich zu einem Thermoelement mit isolierter Messstelle reagiert eine geerdete Ausführung normalerweise schneller, bietet jedoch eine geringere elektrische Trennung. Gegenüber einer freiliegenden Messstelle ist sie etwas langsamer, bietet dafür aber einen deutlich besseren mechanischen und umgebungsbedingten Schutz.

Für eine zuverlässige industrielle Temperaturmessung sollte die Messstellenbauart deshalb nicht isoliert betrachtet werden. Thermoelementtyp, Temperaturbereich, Ansprechzeit, Fühlerabmessungen, Mantelwerkstoff, elektrische Umgebung, Messmedium und Einbauweise müssen gemeinsam berücksichtigt werden.