Thermoelement und Pt100: Typen und die richtige Fühlerauswahl

Warum ist der Temperaturfühler so wichtig?

Ein Heizelement erzeugt nur Wärme; ob die Zieltemperatur gehalten wird, hängt vom Regelsystem ab, das die Leistung nach dem Messwert ein- und ausschaltet. Ist der Fühler falsch gewählt oder falsch platziert, über- oder unterschreitet das System den Sollwert, der Heizer kann überhitzen und die Produktqualität leidet.

Deshalb sollten Fühler, Heizelement und Temperaturregler gemeinsam ausgewählt werden. Der Eingang des Reglers muss auf den verwendeten Fühlertyp eingestellt sein.

Was ist ein Thermoelement und wie funktioniert es?

Ein Thermoelement besteht aus zwei Drähten aus unterschiedlichen Metallen, die an einem Ende miteinander verbunden sind. Erwärmt sich die Verbindungsstelle (Messstelle), entsteht zwischen den Drähten eine kleine Spannung, die proportional zur Temperaturdifferenz ist. Diesen Vorgang nennt man Seebeck-Effekt; die Spannung liegt im Millivoltbereich.

Ein Thermoelement misst nicht die absolute Temperatur, sondern die Differenz zwischen der Messstelle und der Vergleichsstelle, an der die Drähte am Gerät angeschlossen sind. Regler messen deshalb die Temperatur der Vergleichsstelle separat und korrigieren den Messwert; dies nennt man Vergleichsstellenkompensation.

Stärken des Thermoelements sind der weite Temperaturbereich, die robuste Bauweise, die Fertigung in kleinen Durchmessern und die schnelle Ansprechzeit. Schwächen sind die unter gleichen Bedingungen geringere Genauigkeit im Vergleich zum Pt100 und die Neigung zur Drift im Laufe der Zeit.

Thermoelement-Typen: J, K und weitere

Thermoelement-Typen werden nach dem verwendeten Metallpaar mit Buchstaben bezeichnet und sind in der Norm IEC 60584 definiert. In der industriellen Wärmetechnik sind am häufigsten:

• Typ J (Eisen – Kupfer-Nickel): Wirtschaftlicher Typ für den Einsatz bis etwa 750 °C, verbreitet in Kunststoffverarbeitungsmaschinen. Der Eisendraht neigt in feuchter Umgebung zum Rosten.
• Typ K (Nickel-Chrom – Nickel-Aluminium): Universaltyp für Öfen und Hochtemperaturanwendungen bis in den Bereich von etwa 1100 °C. Beständig in oxidierender Atmosphäre.
• Typ T (Kupfer – Kupfer-Nickel): Bevorzugt für niedrige Temperaturen und Minustemperaturen.
• Typ N: Eine bei hohen Temperaturen stabilere Alternative in einem ähnlichen Bereich wie Typ K.
• Typ R, S und B: Kostenintensive Typen mit Platin-Rhodium-Legierungen für sehr hohe Temperaturen.

Die genannten Bereiche sind Richtwerte; die tatsächliche Grenze hängt von Drahtdurchmesser, Mantelwerkstoff und Umgebung ab. Die Thermo- oder Ausgleichsleitung zwischen Thermoelement und Regler muss demselben Typ entsprechen und polrichtig angeschlossen werden; eine Leitung anderen Typs verfälscht die Messung. Da sich die Farbcodes der Leitungen je nach Norm (etwa IEC oder ANSI) unterscheiden, ist der Typbuchstabe maßgebend, nicht die Farbe.

Was ist ein Pt100 und wie funktioniert es?

Der Pt100 ist ein Widerstandsthermometer (RTD). Der elektrische Widerstand eines Platin-Messwiderstands steigt gleichmäßig mit der Temperatur: Ein Pt100 hat bei 0 °C einen Widerstand von 100 Ω, bei 100 °C von etwa 138,5 Ω. Der Regler misst diesen Widerstand und berechnet daraus die Temperatur. Der Pt1000 arbeitet nach demselben Prinzip und hat bei 0 °C einen Widerstand von 1000 Ω.

Die Genauigkeitsklassen von Pt100-Messwiderständen sind in der Norm IEC 60751 festgelegt (etwa AA, A, B, C). In der Industrie werden am häufigsten die Klassen B und A verwendet.

Stärken des Pt100 sind hohe Genauigkeit, Wiederholbarkeit und Langzeitstabilität. Dagegen ist er empfindlicher aufgebaut als ein Thermoelement, reagiert stärker auf Vibration und hat einen engeren Einsatzbereich. Die meisten industriellen Anwendungen liegen etwa zwischen −50 °C und 400 °C; je nach Bauart sind auch größere Bereiche möglich.

2-, 3- und 4-Leiter-Schaltung beim Pt100

Da der Pt100 einen Widerstand misst, geht auch der Eigenwiderstand der Anschlussleitungen in die Messung ein. Um diesen Einfluss zu beherrschen, gibt es drei Anschlussarten:

• 2-Leiter-Schaltung: Die einfachste Anschlussart; der Leitungswiderstand wird direkt zum Messfehler. Für kurze Leitungen und geringe Genauigkeitsanforderungen.
• 3-Leiter-Schaltung: Gleicht den Leitungswiderstand weitgehend aus; die verbreitetste Lösung in der Industrie.
• 4-Leiter-Schaltung: Eliminiert den Einfluss des Leitungswiderstands; für Labor- und Präzisionsmessungen.

Welche Anschlussart der Regler unterstützt, sollte vor der Bestellung des Fühlers geprüft werden.

Thermoelement oder Pt100?

Die beiden Fühler sind keine Alternativen zueinander, sondern Antworten auf unterschiedliche Anforderungen. Als allgemeine Orientierung:

• Hohe Temperaturen (über etwa 400 °C), Ofen- und Zylindermessung: Thermoelement.
• Enge Einbauverhältnisse, kleiner Durchmesser und schnelle Ansprechzeit: dünnes Thermoelement.
• Präzise Prozessregelung, Lebensmittel- und Chemietanks, niedrige Temperaturen: Pt100.
• Umgebung mit Vibration und Stößen: mineralisoliertes Thermoelement (Mantelthermoelement).
• Große Leitungslängen: Pt100 in 3- oder 4-Leiter-Schaltung oder Messumformer (Transmitter).

Die endgültige Auswahl hängt von Messbereich, geforderter Genauigkeit, Einbauort und Regler ab.

Fühleraufbau und Montage

Wichtig ist nicht nur, wie genau ein Fühler misst, sondern auch, wo er misst. In Heizanwendungen sind vor allem folgende Punkte zu beachten:

• Position: Der Fühler sollte zwischen dem Heizer und dem zu regelnden Bereich platziert werden. Ein Fühler zu nahe am Heizer misst den Heizer selbst, ein zu weit entfernter Fühler liefert einen verzögerten Wert.
• Kontakt: Die Fühlerspitze muss vollständig in ihrer Aufnahme sitzen; ein Luftspalt verlangsamt das Ansprechen. Gefederte und verschraubte Ausführungen helfen, den Kontakt zu erhalten.
• Bauform: Stabfühler, Einschraubfühler, Bajonettfühler mit Feder und aufklebbare Oberflächenfühler werden je nach Anwendung gewählt.
• Messstelle: Beim Thermoelement spricht eine geerdete Messstelle schneller an; eine isolierte (ungeerdete) Messstelle ist dagegen sicherer gegenüber elektrischen Störungen und Messfehlern durch Erdschlüsse.
• Integrierter Fühler: In einige Heizpatronen kann ein Thermoelement Typ J oder K eingebaut werden; diese Lösung dient zur Überwachung der Temperatur des Heizers selbst.

Ausführungen finden Sie auf der Seite Thermoelemente, Temperaturfühler und Steckverbinder; dort können Sie auch ein auf das Heizelement abgestimmtes Set aus Fühler und Regler anfragen.

Fühler altern mit der Zeit. Der Messwert von Thermoelementen, die dauerhaft bei hohen Temperaturen arbeiten, kann driften; in kritischen Prozessen werden daher regelmäßige Vergleichsmessungen und ein Ersatzfühler auf Lager empfohlen. Wird ein Fühler ersetzt, sorgt ein Fühler gleichen Typs, gleichen Durchmessers und gleicher Einbaulänge dafür, dass die Messstelle unverändert bleibt.

Häufig gestellte Fragen