Temperaturfühler und Thermostate

Temperaturfühler und Thermostate sind technische Bauteile, die in Industrie, Haushalt und Automatisierung für präzise Temperaturüberwachung und -steuerung sorgen. Ob Thermoelement, Widerstandsthermometer oder Bimetallschalter - jedes System hat spezifische Stärken und Einsatzbereiche. Dieser Artikel gibt einen Überblick über die verschiedenen Komponenten zur genauen Temperaturmessung und Temperaturüberwachung und zeigt Unterschiede und typische Anwendungen der wichtigsten Temperaturfühler und Thermostate. So finden Sie die passende Lösung für Ihre Anforderungen in der Temperaturmesstechnik.

Was sind Temperaturfühler und Temperaturschalter?

Die Vielzahl an Begriffen kann zunächst verwirren. Grundsätzlich lässt sich Temperatur auf elektrischem oder mechanischem Weg messen.

Temperaturfühler ist dabei der Überbegriff für elektrisch messende Sensoren, die physikalisch erfassbare Temperaturwerte in elektrische Signale umwandeln. Dazu zählt auch das Thermoelement, welches aus zwei verschiedenen Metallen besteht und die entstehende Thermospannung misst. Temperaturfühler bestehen aus einem oder mehreren Temperatursensoren.

Temperatursensor, auch Wärmesensor, ist wiederum ein Überbegriff für ein Bauteil, das mithilfe von elektronischen / elektrischen Komponenten Temperatur in messbare Signale umwandelt. Sie werden überall dort eingesetzt, wo Schaltkreise in Abhängigkeit der Temperatur gesteuert werden, z.B. als Überhitzungsschutz. Thermosensoren werden weiterhin nach ihrem Messprinzip unterschieden: Sie messen entweder den Widerstand oder die Spannung. So gibt es z.B. auch das Widerstandsthermometer, bei welchem die Temperaturänderung durch Änderung des elektrischen Widerstands in einem Platindraht gemessen wird.

Temperaturschalter ist ein Überbegriff für Komponenten, die ihren Schaltzustand in Abhängigkeit von der Temperatur ändern. Anders als Thermoelemente und Temperatursensoren, die permenent agieren, kennen Temperaturschalter nur den Schaltzustand "EIN" oder "AUS". Bei einem Bimetallschalter (PTO) sind zu diesem Zweck z.B. zwei fest miteinander verbundene Streifen aus unterschiedlichem Metall verbaut (z.B. Zink, Stahl), welche sich bei Temperaturänderung unterschiedlich stark ausdehnen und so den Streifen krümmen und den Schalter auslösen.

Temperaturschalter werden meist nach ihrer Schaltfunktion in die Kategorien Temperaturregler, Temperaturbegrenzer oder Temperaturwächter unterteilt. Ein Temperaturregler, auch Thermostat genannt, passt die Temperatur im Falle einer Abweichung vom Soll-Wert (überschritten oder unterschritten) neu an, sodass der Soll-Wert wieder erreicht wird. Ein Temperaturbegrenzer schützt vor Überhitzen, indem bei Erreichen eines Soll-Wertes nicht weiter erhitzt wird. Ein Temperaturwächter startet bei Überschreiten oder Unterschreiten einer vorher definierten Temperatur Lüfter oder Heizer, z.B. zum Schutz vor Frost oder Überhitzung. Eingesetzt werden Temperaturschalter z.B. ganz alltäglich als Thermostat in der Heizung, aber auch gerade im IT-Bereich zur Kühlung elektrischer Geräte

Temperaturmessung über elektrischen Widerstand

Wie bereits erwähnt, kann die Temperatur mit Thermosensoren durch Widerstands- oder Spannungsmessung ermittelt werden. Temperatursensoren bzw. Temperaturfühler, welche die Temperatur aufgrund der Widerstandsänderung bestimmen, sind sog. Widerstandsthermometer (auch RTD = Resistance Temperature Detector) wie der Temperaturfühler Pt100, Heißleiter NTC und Kaltleiter PTC. Alle drei Varianten machen sich die Tatsache zunutze, dass sich der Widerstand in Metallen temperaturabhängig ändert. Wenn man den Widerstandswert mit einem Temperaturwert verknüpft, lässt sich anhand des Widerstands die Temperatur messen.

Doch was ist der Unterschied zwischen NTC / PTC und RTDs wie dem Pt100?

NTC, PTC und Pt100

Beim Heißleiter, auch NTC-Temperaturfühler bzw. Thermistor (NTC = Negative Temperature Coefficient) genannt, werden negative Temperaturkoeffizienten verwendet. Das bedeutet, dass der Stromwiderstand im kalten Zustand hoch ist und bei steigenden Temperaturen sinkt bzw. der Strom bei hohen Temperaturen besser geleitet wird.

Beim Kaltleiter PTC (PTC = Positive Temperature Coefficient) funktioniert das genau andersherum: Der Stromwiderstand ist im Niedrigtemperaturbereich niedrig und steigt bei steigenden Temperaturen. Sowohl der NTC-Thermistor als auch der PTC-Thermistor bestehen aus Halbleitermaterialien.

Der Temperaturfühler Pt100 ist ein Widerstandsthermometer, das aus reinem Metall besteht. Typischerweise wird Platin verwendet, dessen Widerstand mit steigender Temperatur linear zunimmt. Er agiert also ähnlich dem PTC-Thermistor. Im Vergleich zu den Halbleiter-Elementen der NTC- und PTC-Thermistoren entsprechen die Platinelemente der Pt100 internationalen Normen. Auch weist der Pt100 eine bessere Langzeitstabilität auf und kann in höheren Temperaturbereichen bis zu 500 °C eingesetzt werden. Generell werden Widerstandsthermometer aber meist im mittleren und niedrigen Temperaturbereich eingesetzt.

Temperaturmessung über elektrische Spannung

Zur Temperaturmessung über die elektrische Spannung kommen Thermoelemente zum Einsatz. Ein Thermoelement besteht aus zwei unterschiedlichen metallischen Leitern, die an einem Ende miteinander verbunden sind und den sogenannten thermoelektrischen Effekt nutzen, um Temperaturen zu messen. Dabei entsteht bei einer Temperaturdifferenz entlang der Leiter eine elektrische Spannung - die sogenannte Thermospannung - die proportional zur Temperaturdifferenz ist. Diese Eigenschaft macht Thermoelemente zu zuverlässigen Sensoren für ein breites Anwendungsspektrum. Im Vergleich zu Widerstandsthermometern können Thermoelemente bei hohen Temperaturen eingesetzt werden. Es gibt verschiedene Thermoelemente, wie z.B. Thermoelement Typ J, K, T oder E. Es folgt ein kleiner Überblick zu den Typen J und K sowie ein Einblick in die Farbcodierung von Thermoelementen

Thermoelement J-Typ

Das Thermoelement Typ J (Eisen-Konstantan) eignet sich für den Einsatz in reduzierenden Atmosphären und ist bis zu einer Dauerbetriebstemperatur von 800 °C nutzbar, kurzzeitig sogar bis 1.000 °C. In oxidierenden Umgebungen über 550 °C sowie bei Temperaturen unter der Umgebungstemperatur besteht jedoch ein erhöhtes Risiko für Materialschäden wie Rostbildung und Versprödung.

Thermoelement K-Typ

Das Thermoelement Typ K (Nickel-Chrom-Nickel) ist das am häufigsten eingesetzte Thermoelement und eignet sich für einen breiten Temperaturbereich von -250 °C bis kurzzeitig 1.200 °C, mit einer Dauerbetriebsgrenze von etwa 1.100 °C. Die geeignete thermische Isolierung spielt hier ebenfalls eine entscheidende Rolle. Das Thermoelement Typ K ist kostengünstig und vielseitig, zeigt jedoch bei 250-600 °C eine ausgeprägte Temperaturwechselhysterese. Verzögertes bzw. sprunghaftes Verhalten kann in diesem Bereich zu Ungenauigkeit und Abweichungsfehlern führen, was sich bei Temperaturen über 800 °C noch deutlich verstärkt und bei Temperaturen über 850 °C dann durch Oxidation auch zu irreversiblen (bleibenden) Messabweichungen führen kann. In reduzierenden Atmosphären darf es nur mit geeigneter Schutzhülle verwendet werden; für nukleare Anwendungen gilt Typ N als die stabilere Alternative.

Genauigkeitsklassen für Thermoelemente und Widerstandsthermometer

Sowohl Thermoelemente als auch Widerstandsthermometer werden in verschiedene Genauigkeitsklassen unterteilt. Die Genauigkeitsklasse gibt dabei einen Hinweis auf die zulässige Abweichung des gemessenen Wertes vom tatsächlichen Wert.

Zu beachten ist dabei, dass sich die Genauigkeitsklassen nur auf das Fühlerelement, nicht aber auf Fehler durch Anschlüsse, Leitungen usw. bezieht.

Beispiel an einem Thermoelement:

Bei einer Temperatur von 500 °C, die von einem Temperaturfühler Typ K / Genauigkeitsklasse 2 gemessen wird, ergibt sich ein möglicher Messfehler von ±3,75 Kelvin. Da dieser Wert höher als der alternativ zu wählende direkte Zahlenwert (±2,5 Kelvin) ist, wird er für diese Temperatur als geltender Wert angenommen.

Farbcodierung von Ausgleichsleitungen für Thermoelemente

Ausgleichsleitungen zu Thermoelementen sind nach den jeweiligen regional anerkannten Normen unterschiedlich farbig codiert. Die Farbcodierung dient dem praktischen Zweck, die Anschlusskabel schnell zu identifizieren und Anschlussfehler zu vermeiden.

In Europa ist heutzutage die Farbcodierung nach EN IEC 60584-3 am weitesten verbreitet. Dieser Norm zufolge ist die Ummantelung der negativen Leiter immer weiß und die Ummantelung der positiven Leiter erhält eine definierte Farbe.

Neben der in Europa wei verbreiteten EN IEC 60584-3 gibt es aber auch andere Normierungen mit Farbcodierungen für Thermoelemente. Die Farbcodierung nach ANSI MC 96.1 weist den jeweiligen Typen andere Farben zu. Die die Ummantelung der negativen Leiter ist nach ANSI MC 96.1 immer rot.

MISUMI als Unternehmen mit japanischen Wurzeln bietet auch Thermoelemente und Ausgleichsleitungen mit einer Farbcodierung nach dem japanischen Standard JIS C 1610 an, welcher ebenfalls von der EN IC 60584-3 abweicht.

Montagemöglichkeiten und Positionierhilfen

Für eine sichere und wartungsgerechte Verbindung zwischen Thermoelement und Auswerteeinheit sollten thermospannungsfreie Steckverbinder eingesetzt werden, welche die vom Temperaturfühler ermittelten Werte möglichst wenig beeinflussen. Im MISUMI-Webshop gibt es eine Vielzahl von Steckverbindern, wie z.B. den Stecker (MSNDC) für Temperaturfühler des Typs K.

Um einer Verfälschung der gemessenen Werte vorzubeugen, sollte als Anschlussleitung für ummantelte Thermoelemente oder zur Verlängerung eines Temperaturfühler (Typ K) eine kompensierende Anschlussleitung genutzt werden. Diese kann bei einer Betriebstemperatur zwischen 0 °C und 150° C verwendet werden. Sie funktionieren nur im definierten Temperaturbereich korrekt. Die kompensierende Anschlussleitung bzw. Ausgleichsleitung sorgt dafür, dass die Signalübertragung ohne Temperaturverfälschung funktioniert, d.h. die am Auswertegerät ankommende Thermospannung der Spannung am Messpunkt entspricht.

Bei MISUMI finden Sie z.B. die Montagehalter MSPL und MSNFG im Angebot. Beim Montagehalter MSPL wird ein 1/8 R(PT)-Gewinde in das zu erwärmende Objekt geschnitten.

Anwendung: Die Teile 1 (siehe Abb.) fixieren und danach den Sensor nach vorläufigem Festziehen von 2 und 3 einsetzen. Anschließend Teil 3 festziehen und 2 und 3 fixieren. Nach dem Festziehen sind die Teile 2 und 3 verbunden und können nicht mehr ausgebaut werden. Der Temperaturfühler kann nicht entfernt werden. Wenn Luftdichtigkeit gefordert ist, eine Schraube mit Konusgewinde zu verwenden.

Montagehalter MSPL eignet sich sehr gut zur genauen Einstellung der Sensorposition auf die jeweilige Situation und Einschubtiefe. Der Sensor wird fest mit dem Halter verklemmt und kann nach Montage nicht mehr verschoben werden.

Montagehalter MSNFG ermöglicht ein nachträgliches Korrigieren der Sensorposition, da der Sensor nach Lösen der Madenschraube innerhalb der Bohrung verschoben werden kann. Durch erneutes Anziehen der Madenschraube wird der Sensor in der gewünschten Einstecktiefe wieder sicher fixiert werden.

Temperaturfühler können auch direkt mit einer Schraubverbindung versehen sein, mit deren Hilfe z.B. in Rohrleitung, Behälter oder Maschinenkomponenten geschraubt werden kann. Dadurch entsteht eine dauerhafte und vibrationsfeste Verbindung. Die Schraubverbindung wird durch Schneiden eines Gewindes am zu erwärmenden Objekt befestigt.

Für die Messung zylindrischer Objekte empfiehlt sich auch die Anwendung eines Temperaturfühlers mit Bandverbinder. Das Band wird um den Zylinder gespannt.

Für bewegliche Teile empfiehlt sich die Verwendung eines Ringkabelschuhs, der mittels einer Schraube im erwärmenden Objekt festgeschraubt wird und einen größeren Bewegungsspielraum bietet.

Eine weitere Möglichkeit der Befestigung ist der Federkontakt, z.B. beim MSNBB mit Federkontakt. Der Kontakt zwischen erwärmendem Objekt sowie der Spitze des Schutzrohrs wird durch die Federkraft sicher gehalten. Über Lösen und Bewegen der Schraube lässt sich die Zugkraft der Feder einstellen.

Anwendung: Das 1/8-Gewinde Rc(PT) in das zu erwärmende Objekt schneiden und mit (1) fixieren. Den Sensor einsetzen und dann den Verschluss (2) in den Vorsprung des Teils (1) einhaken.

Für enge Bauräume eignet sich der Temperaturfühler MSNDL mit L-Form (1 = Begrenzung).

Ummantelter oder freier Temperaturfühler?

Beim Fühler mit Mantel wird die Messpitze durch eine mit einem mineralischen Isolator gefüllten Mantelleitung geschützt. So geschützt kann die Messpitze auch bei höheren Temperaturen eingesetzt werden. Bei der Montage ist aber auf die geringere Temperaturverträglichkeit der Anschlusskabel und Stecker zu achten. Sie sind meist deutlich robuster als freie Temperaturfühler, aber auch schwerfälliger in der Reaktion auf schnelle Temperaturveränderungen.

Beim Temperaturfühler zB. dem Thermoelement MSEN liegt der Temperaturmesspunkt frei, wodurch die Reaktion schneller erfolgt als bei einer ummantelten Ausführung. Die Temperaturmessung kann am Messpunkt des Testobjekts durchgeführt werden. Dieser Messpunkt wird vorab durch Drehen und Schweißen am freigelegten Alumel- bzw. Chromteil hergestellt.

Wie werden Temperatursensoren in Industrieanlagen eingesetzt?

Industriethermometer wie Temperaturfühler sind in Industrieanlagen unverzichtbar, um Prozesse zu überwachen, die Produktqualität sicherzustellen und Anlagen vor Schäden zu schützen. Temperaturfühler dienen z.B. Überwachung von Lagertemperaturen in Elektromotoren, um sie vor vorzeitigem Verschleiß oder Ausfällen durch Überhitzen zu schützen. Auch in Batteriespeichersystemen kann der Einsatz von Temperatursensoren vor Überhitzen schützen. Temperatursensoren können außerdem Trocknungsprozesse z.B. in der Papier- und Zellstoffindustrie steuern und für eine konstante Qualität der Produkte sorgen. Auch im industriellen 3D-Druck sichern Temperatursensoren stabile Prozessbedingungen.