Temperaturfühler in Rohrleitungen: Wärmeableitung und zu geringe Einstecktiefe als Messfehler erkennen

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Ein Pt100 in einer Rohrleitung zeigt dauerhaft 4 oder 5 °C weniger als ein Referenzthermometer. Der Fühler wird ausgebaut und kalibriert – im Kalibrierbad stimmt er nahezu perfekt. Nach dem Wiedereinbau zeigt die Messstelle trotzdem wieder zu wenig an. In solchen Fällen liegt die Ursache häufig nicht im Sensorelement selbst, sondern in der thermischen Auslegung der Messstelle.

Ein Temperaturfühler misst nicht automatisch exakt die Temperatur des Mediums, nur weil seine Spitze irgendwie in die Rohrleitung hineinragt. Ist die Einstecktiefe zu gering, kann Wärme über Schutzrohr, Tauchschaft, Prozessanschluss und Anschlussbereich an die Umgebung abgeführt beziehungsweise aus der Umgebung eingetragen werden. Der Sensor befindet sich dann zwischen zwei thermischen Einflüssen: dem Prozessmedium und der Umgebung.

Bei einem heißen Medium und kalter Umgebung wird dadurch typischerweise eine zu niedrige Temperatur angezeigt. Bei einem kalten Medium in warmer Umgebung kann der Fehler genau in die andere Richtung gehen. Besonders kritisch sind kleine Rohrdurchmesser, geringe Strömungsgeschwindigkeiten, massive Schutzrohre und große Temperaturunterschiede zwischen Prozess und Umgebung.

Eine zuverlässige Temperaturmessung erfordert deshalb mehr als die Auswahl eines genauen Pt100. Entscheidend sind unter anderem Einstecktiefe, Rohrdurchmesser, Lage des eigentlichen Sensorelements, Schutzrohrgeometrie, Strömung, Wärmeleitung über den Schaft und die Isolation der Messstelle.

Geeignete Messgeräte finden Sie bei ICS Schneider unter Temperatursensoren und Temperaturfühler. Für Messstellen, bei denen der Sensor vom Prozess getrennt und austauschbar bleiben soll, stehen außerdem unterschiedliche Schutzrohre für Temperaturfühler zur Verfügung.

Warum Einstecktiefe die Temperaturmessung beeinflusst

Ein Temperaturfühler erreicht seine korrekte Messtemperatur nur dann, wenn der Wärmeaustausch mit dem zu messenden Medium deutlich stärker ist als der unerwünschte Wärmeaustausch mit der Umgebung.

Bei einem ausreichend tief eingetauchten Sensor wird die Fühlerspitze vollständig vom Medium beeinflusst. Wärme wird durch Konvektion vom Medium auf Schutzrohr beziehungsweise Fühlerschaft und anschließend auf das Sensorelement übertragen.

Ist der Fühler dagegen nur wenige Millimeter in das Rohr eingetaucht, befindet sich ein großer Teil des metallischen Schafts außerhalb des eigentlichen Mediums. Dieser Schaft bildet eine Wärmebrücke zwischen Prozess und Umgebung.

Die Messstelle versucht dann thermisch betrachtet, ein Gleichgewicht zwischen mehreren Temperaturen zu erreichen:

• Temperatur des Prozessmediums,
• Temperatur der Rohrwand,
• Temperatur des Prozessanschlusses,
• Umgebungstemperatur,
• gegebenenfalls Temperatur des Anschlusskopfs.

Das Sensorelement kann dadurch eine Temperatur annehmen, die zwischen Prozess- und Umgebungstemperatur liegt.

Die Genauigkeitsklasse des Pt100 kann in diesem Fall völlig eingehalten werden – trotzdem ist die gesamte Messstelle ungenau.

Wie Wärmeableitung über Fühlerschaft und Anschluss entsteht

Metallische Bauteile wie Edelstahl leiten Wärme. Ein Temperaturfühler besitzt deshalb nicht nur eine thermische Verbindung zum Medium, sondern auch entlang seines Schafts zum Prozessanschluss und zur Umgebung.

Vereinfacht kann die Wärmeleitung durch einen Bauteilabschnitt mit folgender Beziehung beschrieben werden:

Q̇ = λ · A · ΔT / L

Dabei ist:

• Q̇ = übertragener Wärmestrom,
• λ = Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffs,
• A = wärmeleitender Querschnitt,
• ΔT = Temperaturdifferenz,
• L = Länge des Wärmeleitwegs.

Die reale Messstelle ist wesentlich komplexer als diese einfache eindimensionale Betrachtung. Sie verdeutlicht jedoch einen wichtigen Zusammenhang:

Ein kurzer, massiver metallischer Wärmeweg zwischen Sensor und Umgebung begünstigt Wärmeableitungsfehler.

Ein schlanker Fühler mit ausreichender Eintauchtiefe wird dagegen stärker vom Medium und weniger von der Umgebung beeinflusst.

Besonders relevant wird der Effekt, wenn beispielsweise:

• das Medium 150 °C heiß ist und die Umgebung nur 20 °C besitzt,
• eine Kühlleitung bei -20 °C durch einen 25 °C warmen Raum verläuft,
• ein massiver Einschraubstutzen einen großen metallischen Querschnitt besitzt,
• der Sensor nur sehr kurz in das Medium eintaucht.

Wann misst der Temperaturfühler zu hoch oder zu niedrig?

Die Richtung des Messfehlers hängt grundsätzlich davon ab, ob die Umgebung wärmer oder kälter als das Medium ist.

Situation	Typische Fehlerrichtung bei zu geringer Einstecktiefe
Heißes Medium, kalte Umgebung	Messwert tendenziell zu niedrig
Kaltes Medium, warme Umgebung	Messwert tendenziell zu hoch
Medium und Umgebung ähnlich temperiert	Wärmeableitungsfehler kann kaum auffallen
Stark wechselnde Umgebungstemperatur	Messwert kann mit der Umgebung driften

Gerade der letzte Fall ist diagnostisch interessant.

Wenn sich eine vermeintliche Prozesstemperatur stärker mit der Hallen- oder Außentemperatur verändert, obwohl der eigentliche Prozess stabil ist, sollte die thermische Ankopplung der Messstelle kontrolliert werden.

Wie tief sollte ein Temperaturfühler eintauchen?

Eine universelle Einstecktiefe für alle Temperaturfühler gibt es nicht. Die erforderliche Länge hängt unter anderem ab von:

• Fühlerdurchmesser,
• Schutzrohrdurchmesser,
• Werkstoff,
• Rohrdurchmesser,
• Medium,
• Strömungsgeschwindigkeit,
• Temperaturdifferenz zur Umgebung,
• Position des Sensorelements,
• mechanischer Belastung des Schutzrohrs.

Als allgemeine Orientierung sollte die Fühlerspitze möglichst in einen Bereich hineinragen, der zuverlässig vom strömenden Medium umspült wird. Bei Rohrleitungen ist dies typischerweise der mittlere Bereich des Rohrquerschnitts.

Für elektrische Thermometer werden als allgemeine Größenordnung häufig Einstecktiefen von mindestens etwa 35 bis 50 mm genannt. Diese Angabe ist jedoch keine universelle Konstruktionsregel.

Eine weitere verbreitete Faustregel bezieht die Einstecktiefe auf den Durchmesser des Schutzrohrs beziehungsweise Fühlers. Solche Faustregeln sind hilfreich für eine erste Plausibilitätsprüfung, ersetzen aber keine anwendungsspezifische Auslegung.

Insbesondere bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten kann eine möglichst große Einstecktiefe mechanisch sogar problematisch sein. Mit zunehmender freier Länge steigen die auf ein Schutzrohr wirkenden Strömungskräfte und die Gefahr strömungsinduzierter Schwingungen.

Die Auslegung ist deshalb immer ein Kompromiss zwischen:

• ausreichender thermischer Eintauchtiefe,
• kurzer Ansprechzeit,
• geringer Strömungsbehinderung,
• ausreichender mechanischer Festigkeit.

Einbaulänge ist nicht automatisch die aktive Sensorlänge

Bei der Beurteilung einer bestehenden Messstelle sollte nicht nur die sichtbare Länge des Tauchschafts betrachtet werden.

Entscheidend ist, wo sich das eigentliche Sensorelement befindet.

Bei einem Pt100 befindet sich der Messwiderstand üblicherweise im vorderen Bereich des Messeinsatzes. Je nach Sensorkonstruktion kann die aktive Messzone jedoch eine bestimmte Länge besitzen beziehungsweise von der äußersten Spitze zurückversetzt sein.

Eine nominelle Einbaulänge von beispielsweise 50 mm bedeutet deshalb nicht automatisch, dass der komplette aktive Sensorbereich 50 mm tief vom Medium umströmt wird.

Zusätzlich müssen berücksichtigt werden:

• Länge des Einschraubstutzens,
• Wandstärke der Rohrleitung,
• Prozessanschluss,
• Schutzrohrboden,
• eventuelle Toträume.

Ein 100 mm langer Temperaturfühler kann deshalb in einer langen Einschweißmuffe möglicherweise nur einen vergleichsweise kleinen Teil seiner Länge tatsächlich in den freien Rohrquerschnitt hineinragen.

Für die Auslegung sollte daher die effektive Eintauchtiefe ab der inneren Rohrwand betrachtet werden und nicht lediglich die Gesamtlänge des Sensors.

Warum kleine Rohrleitungen besonders problematisch sind

In einer großen Prozessleitung lässt sich ein Temperaturfühler häufig problemlos bis in den mittleren Rohrbereich einführen.

Bei kleinen Nennweiten ist dies deutlich schwieriger.

Ein 80 mm langer Fühler kann nicht einfach radial in eine sehr kleine Rohrleitung eingebaut werden. Er würde den gegenüberliegenden Rohrquerschnitt erreichen oder die Strömung massiv behindern.

Dadurch entsteht ein konstruktiver Zielkonflikt:

• Der Fühler soll möglichst tief eintauchen.
• Er darf den Rohrquerschnitt nicht unzulässig versperren.
• Er soll gut vom Medium umströmt werden.
• Die Messstelle muss mechanisch stabil bleiben.

Eine sehr kurze radiale Einbaulänge ist deshalb nicht automatisch die beste Lösung. Sie kann zwar mechanisch problemlos passen, erzeugt aber möglicherweise einen erheblichen Wärmeableitungsfehler.

Gerade bei kleinen Rohrdurchmessern sollten deshalb alternative Messstellengeometrien geprüft werden.

Bogen-, Schräg- und T-Stück-Montage

Wenn eine ausreichende radiale Einstecktiefe konstruktiv nicht möglich ist, lässt sich die Messstelle häufig anders gestalten.

Schräger Einbau

Der Temperaturfühler kann schräg zur Rohrachse eingebaut werden. Dadurch steht innerhalb derselben Rohrnennweite eine größere wirksame Eintauchlänge zur Verfügung.

Bei Schutzrohren muss die mechanische Belastung durch die Strömung berücksichtigt werden. Bei schrägem Einbau sollte die Orientierung entsprechend den Hersteller- und Auslegungsvorgaben erfolgen.

Einbau in einem Rohrbogen

Eine weitere Möglichkeit ist die Montage in einem Rohrbogen. Der Fühler kann dort so angeordnet werden, dass die Strömung auf die Fühlerspitze trifft.

Dadurch kann auch bei kleinen Rohrdurchmessern eine größere Einstecktiefe erzielt werden.

Die Position muss jedoch konstruktiv geprüft werden. Eine Messstelle unmittelbar hinter einem Rohrbogen kann aufgrund der dort vorhandenen Strömungsverhältnisse und Verwirbelungen für ein langes Schutzrohr mechanisch ungünstig sein.

T-Stück oder vergrößerter Rohrabschnitt

In Prüfständen und kleineren Anlagen kann ein geeignet konstruiertes T-Stück beziehungsweise ein vergrößerter Messabschnitt verwendet werden, um mehr Platz für den Temperaturfühler zu schaffen.

Dabei muss jedoch sichergestellt werden, dass:

• der Sensor tatsächlich von der Hauptströmung erfasst wird,
• kein schlecht durchströmter Totraum entsteht,
• die Messstelle nicht zu einer unerwünschten Ablagerungszone wird,
• die Lösung hygienisch zur Anwendung passt.

Ein T-Stück ist deshalb keine automatische Lösung für jede zu kurze Messstelle. Entscheidend ist die tatsächliche Strömung um die Fühlerspitze.

Einfluss von Strömungsgeschwindigkeit und Medium

Die Wärmeübertragung vom Medium auf den Fühler hängt stark von der Strömung ab.

Bei höherer Strömungsgeschwindigkeit wird die Fühlerspitze in der Regel intensiver vom Medium umströmt. Der konvektive Wärmeübergang verbessert sich und der Einfluss der Wärmeleitung entlang des Schafts kann relativ kleiner werden.

Bei sehr geringer Strömung kann dagegen eine lokale Temperaturschicht um den Fühler entstehen. Wärmeableitungsfehler und lange Ansprechzeiten werden dann stärker sichtbar.

Auch das Medium selbst spielt eine wichtige Rolle.

Flüssigkeiten übertragen Wärme typischerweise deutlich besser als viele Gase. Eine Messstelle, die in Wasser ausreichend funktioniert, kann bei gleichem Aufbau in einem langsam strömenden Gas wesentlich stärker von der Umgebung beeinflusst werden.

Besonders kritisch können daher sein:

• niedrige Gasgeschwindigkeiten,
• kleine Rohrleitungen,
• große Temperaturunterschiede zur Umgebung,
• massive Tauchschäfte oder Schutzrohre.

Eine Erhöhung der Einstecktiefe verbessert zwar häufig die thermische Ankopplung, bei Schutzrohren muss gleichzeitig die mechanische Belastung durch die Strömung berücksichtigt werden.

Schutzrohr als zusätzliche thermische Masse

Ein Schutzrohr trennt den eigentlichen Temperaturfühler vom Prozessmedium. Dadurch kann der Sensor beispielsweise im laufenden Anlagenbetrieb ausgetauscht werden, ohne den Prozess zu öffnen.

Gleichzeitig verändert das Schutzrohr jedoch das thermische Verhalten der Messstelle.

Zwischen Medium und Sensorelement liegen nun mehrere Wärmeübergänge:

1. Medium auf Schutzrohraußenfläche,
2. Wärmeleitung durch das Schutzrohr,
3. Wärmeübertragung vom Schutzrohr auf den Messeinsatz,
4. Wärmeleitung zum eigentlichen Sensorelement.

Ein dickwandiges und massives Schutzrohr besitzt eine größere thermische Masse und reagiert normalerweise langsamer als ein schlanker direkt eingetauchter Sensor.

Auch bei einem Schutzrohr gilt deshalb:

Die Spitze muss ausreichend weit in den tatsächlich repräsentativen Prozessbereich hineinragen.

Gleichzeitig muss das Schutzrohr mechanisch für Druck, Strömung, Werkstoffbelastung und gegebenenfalls strömungsinduzierte Schwingungen ausgelegt werden.

Messeinsatz und Bodenkontakt im Schutzrohr

Ein häufig übersehener Fehler tritt innerhalb eines Schutzrohrs auf.

Bei industriellen elektrischen Thermometern wird der Messeinsatz häufig gefedert ausgeführt. Dadurch wird seine Spitze an den Boden des Schutzrohrs gedrückt.

Dieser Kontakt verbessert die Wärmeübertragung vom Schutzrohr zum Messeinsatz.

Ist der Messeinsatz dagegen:

• zu kurz,
• nicht vollständig eingeschoben,
• falsch dimensioniert,
• mechanisch nicht korrekt gefedert,
• im Innendurchmesser ungeeignet angepasst,

kann ein unnötiger Luftspalt entstehen.

Luft ist ein schlechter Wärmeleiter. Die Folge können sein:

• deutlich längere Ansprechzeit,
• größerer Einfluss der Umgebung,
• Abweichungen bei dynamischen Temperaturänderungen.

Nach dem Austausch eines Messeinsatzes sollte deshalb immer geprüft werden, ob Länge und Durchmesser tatsächlich zum vorhandenen Schutzrohr passen.

Isolation der Messstelle richtig einsetzen

Eine gute Rohrleitungsisolierung kann Wärmeableitungsfehler deutlich reduzieren.

Das gilt besonders bei:

• heißen Medien in kalter Umgebung,
• kalten Medien in warmer Umgebung,
• kleinen Rohrleitungen,
• kurzen Einstecktiefen.

Wird die Rohrleitung bis unmittelbar an den Sensoranschluss isoliert, sinkt der unerwünschte Wärmeverlust über Rohrwand und Prozessanschluss.

Allerdings darf die Isolation nicht unkritisch über den gesamten Sensor einschließlich Anschlusskopf und Transmitter gezogen werden.

Elektronik, Anschlusskopf, Kabel und Dichtungen besitzen zulässige Umgebungstemperaturen. Bei einem sehr heißen Prozess kann eine zu weit hochgezogene Isolation die Temperatur im Anschlusskopf erhöhen und dadurch neue Probleme verursachen.

Die Isolation sollte deshalb gezielt so ausgeführt werden, dass:

• der thermische Einfluss der Umgebung auf die Messstelle reduziert wird,
• die zulässige Umgebungstemperatur von Anschlusskopf und Transmitter eingehalten wird.

Einstecktiefe und Ansprechzeit

Ein Temperaturfühler kann statisch einen plausiblen Wert erreichen und trotzdem dynamisch ungeeignet sein.

Die Ansprechzeit wird unter anderem beeinflusst durch:

• Durchmesser des Fühlers,
• Wandstärke des Schutzrohrs,
• Werkstoff,
• Strömungsgeschwindigkeit,
• Medium,
• Kontakt zwischen Messeinsatz und Schutzrohr,
• Einstecktiefe.

Eine zu geringe Einstecktiefe kann dazu führen, dass der Sensor bei einer schnellen Prozessänderung nicht nur dem Medium folgt, sondern gleichzeitig von Rohrwand und Umgebung beeinflusst wird.

Typisches Beispiel:

Die reale Medientemperatur springt von 20 auf 80 °C. Ein gut eingetauchter Fühler nähert sich schnell der neuen Temperatur. Ein zu kurzer Sensor steigt dagegen zunächst an, bleibt dann aber beispielsweise bei 74 °C stehen, weil kontinuierlich Wärme über den Schaft abgeführt wird.

Hier liegt also nicht nur ein Problem der Ansprechzeit, sondern zusätzlich ein stationärer Wärmeableitungsfehler vor.

Besonderheiten bei Hygiene- und Lebensmittelanlagen

In hygienischen Anwendungen entsteht ein zusätzlicher Zielkonflikt.

Ein langer, weit in die Rohrleitung ragender Fühler kann thermisch günstig sein, gleichzeitig aber:

• den Strömungsquerschnitt beeinflussen,
• Ablagerungen begünstigen,
• die Reinigbarkeit verschlechtern,
• einen Totraum erzeugen,
• in molchbaren Leitungen störend sein.

Die Temperaturmessstelle muss deshalb sowohl messtechnisch als auch hygienisch zur Rohrleitung passen.

Bei kleinen hygienischen Rohrleitungen kann eine speziell für den Rohrleitungseinbau ausgelegte In-Line-Lösung sinnvoller sein als ein sehr kurzer Standard-Einschraubfühler.

Bei solchen Lösungen wird die Temperaturmessstelle als Bestandteil der Rohrgeometrie ausgeführt. Dadurch lässt sich eine definierte thermische Ankopplung erreichen, ohne einfach ein zu kurzes Schutzrohr in einen kleinen Rohrquerschnitt zu setzen.

Typische Fehlerbilder bei zu geringer Einstecktiefe

Beobachtung	Mögliche Ursache	Sinnvolle Prüfung
Temperatur eines heißen Mediums wird dauerhaft zu niedrig angezeigt	Wärmeableitung über kurzen Tauchschaft oder Prozessanschluss	Einstecktiefe und Isolation prüfen
Kaltes Medium wird zu warm angezeigt	Wärmeeintrag aus warmer Umgebung	Messstellengeometrie und Umgebungstemperatur prüfen
Sensor ist im Kalibrierbad korrekt, im Prozess aber nicht	Messstellenfehler statt Sensorfehler	Einbau, Eintauchtiefe und Strömung untersuchen
Messabweichung wird bei größerer Temperaturdifferenz zur Umgebung stärker	Wärmeleitungsfehler über Schaft oder Schutzrohr	Messwert gegen Prozess- und Umgebungstemperatur vergleichen
Messwert reagiert bei niedrigem Durchfluss deutlich schlechter	Zu geringer Wärmeübergang vom Medium auf den Sensor	Messung bei unterschiedlichen Durchflüssen vergleichen
Nach Austausch des Messeinsatzes reagiert die Messstelle deutlich langsamer	Messeinsatz zu kurz oder schlechter Bodenkontakt im Schutzrohr	Länge, Federweg und Schutzrohrkontakt prüfen
Messwert verändert sich nach Anbringen der Rohrisolierung	Vorher relevanter Umgebungseinfluss vorhanden	Messstellenkonstruktion auf Wärmeableitung prüfen
Messwert schwankt stärker als Referenzsensor	Unterschiedliche Position im Strömungsprofil oder schlechte thermische Ankopplung	Sensorpositionen und Strömungsverhältnisse vergleichen
Sehr langsame Reaktion trotz schnellem Pt100	Massives Schutzrohr oder Luftspalt zum Messeinsatz	Schutzrohr- und Messeinsatzgeometrie prüfen
Nur eine Messstelle einer baugleichen Anlage zeigt Abweichungen	Andere Einschraubtiefe, Stutzenlänge oder Isolation	Mechanische Abmessungen der Messstellen vergleichen

Systematischer Diagnoseablauf bei unplausibler Rohrleitungstemperatur

Wenn ein Temperaturfühler einen unplausiblen Wert anzeigt, sollte nicht sofort eine elektrische Neujustierung erfolgen.

1. Prozess plausibilisieren: Gibt es eine unabhängige Temperaturinformation aus dem Prozess?
2. Umgebungstemperatur erfassen: Wie groß ist die Differenz zwischen Medium und Umgebung?
3. Sensor identifizieren: Pt100, Thermoelement oder andere Bauform?
4. Einbaulänge prüfen: Wie weit ragt der Sensor tatsächlich ab der inneren Rohrwand in das Medium?
5. Position des Messelements klären: Wo befindet sich die aktive Sensorzone?
6. Rohrdurchmesser prüfen: Liegt die Fühlerspitze im gut durchströmten Bereich?
7. Strömung berücksichtigen: Tritt der Fehler bei niedrigem Volumenstrom stärker auf?
8. Schutzrohr prüfen: Wandstärke, Durchmesser und Einstecktiefe kontrollieren.
9. Messeinsatz prüfen: Sitzt ein gefederter Messeinsatz korrekt am Schutzrohrboden?
10. Isolation kontrollieren: Ist die Rohrleitung an der Messstelle ausreichend isoliert?
11. Vergleichsmessung durchführen: Referenzfühler möglichst nahe an derselben Prozessposition einsetzen.
12. Erst danach Sensor kalibrieren: Wenn die Messstelle thermisch plausibel ist, Sensor und Messumformer prüfen.

Diese Reihenfolge verhindert, dass ein korrekt arbeitender Pt100 neu abgeglichen wird, obwohl der eigentliche Fehler konstruktiv in der Rohrleitungsmessstelle liegt.

Vergleichsmessung richtig durchführen

Eine Vergleichsmessung ist eine der besten Methoden, einen Wärmeableitungsfehler nachzuweisen.

Allerdings müssen beide Sensoren tatsächlich möglichst dieselbe Temperatur messen.

Ein Referenzfühler sollte deshalb:

• möglichst nahe an der vorhandenen Messstelle eingebaut werden,
• eine ausreichende Eintauchtiefe besitzen,
• denselben Prozesszustand erfassen,
• eine bekannte Messunsicherheit besitzen.

Ein Oberflächenfühler mehrere Meter entfernt ist nur eingeschränkt als Referenz für einen eingetauchten Pt100 geeignet.

Hilfreicher Diagnosetest

Wenn es betrieblich möglich ist, kann die Messstelle zusätzlich thermisch isoliert werden.

Nähert sich der bisher abweichende Messwert nach der Isolation deutlich an die Referenztemperatur an, ist dies ein starker Hinweis darauf, dass Wärmeableitung über Rohr, Stutzen oder Fühlerschaft einen relevanten Einfluss hatte.

Eine solche provisorische Isolation dient allerdings nur zur Diagnose. Die endgültige Lösung sollte konstruktiv sauber ausgelegt werden.

Messstelle technisch korrigieren

Wird eine zu geringe Einstecktiefe als Ursache erkannt, gibt es abhängig von Rohrleitung und Prozess mehrere Möglichkeiten.

1. Längeren Temperaturfühler einsetzen

Wenn der Rohrdurchmesser ausreichend groß ist, kann ein Fühler mit größerer Einbaulänge die einfachste Lösung sein.

2. Einschweißstutzen verkürzen

Ein unnötig langer Stutzen kann einen großen Teil der nominellen Fühlerlänge aufnehmen. Ein kürzerer Prozessanschluss erhöht die effektive Eintauchtiefe.

3. Schräg einbauen

Bei kleinen Rohrdurchmessern kann eine schräge Montage mehr wirksame Einstecktiefe ermöglichen.

4. Messstelle in einen geeigneten Rohrbogen verlegen

Eine Montage im Bogen kann ermöglichen, dass der Fühler längs in Richtung des Mediums hineinragt und stärker von der Strömung umspült wird.

5. Geeigneten Messabschnitt verwenden

Bei kleinen Rohrleitungen kann ein speziell ausgelegtes T-Stück oder In-Line-Messstück sinnvoll sein.

6. Schutzrohr optimieren

Ein dünneres beziehungsweise schneller ansprechendes Schutzrohr kann die thermische Ankopplung verbessern, sofern Druck, Strömung und mechanische Belastung dies zulassen.

7. Messstelle isolieren

Eine geeignete Isolation reduziert den Einfluss der Umgebungstemperatur.

8. Alternative Oberflächenmessung prüfen

Bei sehr kleinen Rohrdurchmessern kann unter bestimmten Bedingungen ein gut angekoppelter und sorgfältig isolierter Oberflächenfühler sinnvoller sein als ein extrem kurzer Einschraubfühler.

Welche Lösung technisch geeignet ist, hängt jedoch von Genauigkeitsanforderung, Ansprechzeit, Prozessmedium und Anlagenkonstruktion ab.

Praxisbeispiel: Pt100 zeigt dauerhaft zu wenig an

In einem Prüfstand fließt Wasser mit einer stabilen Temperatur von ungefähr 85 °C durch eine kleine Edelstahlrohrleitung.

Ein eingeschraubter Pt100 zeigt jedoch nur etwa 79 °C an. Ein kalibrierter Referenzfühler an einer benachbarten, technisch besser ausgeführten Messstelle zeigt 84,8 °C.

Zunächst wird ein Fehler des Pt100 vermutet.

Schritt 1: Sensor kalibrieren

Der Pt100 wird ausgebaut und in einem Temperaturkalibrator beziehungsweise Vergleichsbad geprüft. Dort liegt seine Abweichung nur im erwarteten Bereich.

Der Sensor selbst ist damit als Hauptursache unwahrscheinlich.

Schritt 2: Messstelle vermessen

Bei der mechanischen Prüfung stellt sich heraus, dass der Fühler zwar eine nominelle Einbaulänge von 50 mm besitzt, ein großer Teil davon jedoch im Einschraubstutzen liegt.

Ab der inneren Rohrwand ragt die Fühlerspitze nur ungefähr 15 mm in den freien Querschnitt hinein.

Schritt 3: Umgebungseinfluss prüfen

Die Rohrleitung ist heiß, während Stutzen und Sensoranschluss frei in der etwa 22 °C warmen Umgebung liegen.

Dadurch wird kontinuierlich Wärme über den metallischen Tauchschaft und Prozessanschluss abgeführt.

Schritt 4: Einbausituation ändern

Die Messstelle wird auf einen geeigneten längeren Fühler beziehungsweise eine geometrisch besser ausgeführte Einbausituation umgebaut. Gleichzeitig wird die Rohrisolierung bis an den dafür zulässigen Bereich der Messstelle geführt.

Schritt 5: erneut vergleichen

Nach dem Umbau zeigt der Temperaturfühler 84,5 °C. Die verbleibende Differenz zur Referenz liegt nun innerhalb des für die Messkette erwarteten Bereichs.

Ergebnis: Nicht der Pt100 war fehlerhaft. Die zu geringe effektive Einstecktiefe hatte dazu geführt, dass die Messstelle durch Wärmeableitung stärker von der Umgebung beeinflusst wurde.

Das Beispiel zeigt einen wichtigen Grundsatz der Temperaturmesstechnik:

Eine Kalibrierung bestätigt die Eigenschaften des Sensors – sie bestätigt nicht automatisch, dass der Sensor im Prozess die richtige Temperatur erfasst.

Passende Temperaturfühler und Schutzrohre für Rohrleitungen

Die Auswahl eines geeigneten Temperaturfühlers sollte immer gemeinsam mit der konstruktiven Auslegung der Messstelle erfolgen. Besonders relevant sind dabei Einbaulänge, Rohrdurchmesser, Schutzrohrgeometrie und die Position des Sensorelements.

WIKA TR10-B – Widerstandsthermometer für industrielle Rohrleitungsmessstellen

Der WIKA TR10-B ist ein industrielles Widerstandsthermometer, das mit unterschiedlichen Schutzrohrbauformen kombiniert werden kann.

Je nach Ausführung können Pt100- beziehungsweise Pt1000-Sensoren sowie unterschiedliche:

• Einbaulängen,
• Halslängen,
• Anschlussköpfe,
• Schutzrohrdimensionen

realisiert werden.

Der gefederte, auswechselbare Messeinsatz ist für eine Messstelle mit Schutzrohr besonders relevant. Bei korrekter Dimensionierung wird der Messeinsatz an den Schutzrohrboden gedrückt, sodass eine gute thermische Ankopplung erreicht wird.

Gerade bei Rohrleitungen sollte die Einbaulänge nicht allein nach einem verfügbaren Standardmaß ausgewählt werden. Entscheidend ist, wie weit die Schutzrohrspitze nach Montage tatsächlich in den freien Rohrquerschnitt hineinragt.

Weitere Informationen finden Sie unter WIKA TR10-B Widerstandsthermometer bei ICS Schneider.

WIKA TR25 – Rohr-In-Line-Widerstandsthermometer für hygienische Anwendungen

Für hygienische Rohrleitungen kann eine klassische lange Tauchhülse konstruktiv unerwünscht sein.

Das WIKA TR25 Rohr-In-Line-Widerstandsthermometer ist für Temperaturmessungen in Rohrleitungen mit hohen hygienischen Anforderungen vorgesehen.

Die Bauform eignet sich insbesondere für Anwendungen, bei denen ein weit in den Prozess hineinragendes Schutzrohr nicht möglich oder nicht gewünscht ist, beispielsweise bei:

• Lebensmittel- und Getränkeanlagen,
• Molkereien,
• Bio- und Pharmaanwendungen,
• molchbaren Rohrleitungen,
• hochviskosen Medien.

Eine solche In-Line-Lösung kann bei kleinen hygienischen Rohrleitungen technisch sinnvoller sein, als eine konventionelle Messstelle lediglich mit einem sehr kurzen Tauchschaft auszuführen.

Weitere Informationen finden Sie unter WIKA TR25 Rohr-In-Line-Widerstandsthermometer bei ICS Schneider.

Schutzrohre richtig zur Messstelle auswählen

Ein Schutzrohr schützt den eigentlichen Temperaturfühler vor Prozessdruck, Strömung, Korrosion und mechanischer Belastung und ermöglicht je nach Anlage den Austausch des Thermometers, ohne den Prozess zu öffnen.

Für die Temperaturmessung muss das Schutzrohr jedoch sowohl mechanisch als auch thermisch richtig dimensioniert werden.

Zu berücksichtigen sind unter anderem:

• Einstecktiefe,
• Außen- und Spitzendurchmesser,
• Wandstärke,
• Werkstoff,
• Prozessdruck,
• Strömungsgeschwindigkeit,
• Vibrationsbelastung,
• gewünschte Ansprechzeit.

Bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten oder langen Schutzrohren kann zusätzlich eine mechanische Schutzrohrberechnung erforderlich sein.

Eine Übersicht verschiedener Ausführungen finden Sie unter Schutzrohre bei ICS Schneider.

Fazit

Eine falsche Temperaturanzeige in einer Rohrleitung bedeutet nicht automatisch, dass der Pt100 oder das Thermoelement ungenau ist.

Besonders bei kleinen Rohrdurchmessern kann eine zu geringe effektive Einstecktiefe dazu führen, dass der Sensor nicht ausschließlich vom Prozessmedium beeinflusst wird. Wärme wird über Fühlerschaft, Schutzrohr und Prozessanschluss zur Umgebung abgeleitet beziehungsweise aus der Umgebung eingetragen.

Bei heißen Medien führt dies typischerweise zu einer zu niedrigen Anzeige, bei kalten Medien zu einer zu hohen Anzeige.

Für eine zuverlässige Messstelle sollte die Fühlerspitze möglichst in einem gut durchströmten, repräsentativen Bereich der Rohrleitung liegen. Dabei müssen gleichzeitig Schutzrohrbelastung, Strömung, Rohrdurchmesser, Ansprechzeit und Prozessanforderungen berücksichtigt werden.

Bei kleinen Rohrleitungen können Schrägmontage, Einbau in einem geeigneten Rohrbogen, ein spezieller Messabschnitt oder eine In-Line-Lösung technisch besser sein als ein sehr kurzer radial eingebauter Fühler.

Auch ein korrekt dimensionierter Messeinsatz im Schutzrohr und eine geeignete Isolation gehören zur Messstellenqualität.

Für die Fehlersuche gilt deshalb: Erst die thermische und mechanische Einbausituation prüfen, anschließend Vergleichsmessung durchführen – und erst danach den Sensor selbst als Fehlerursache bewerten.

FAQ: Einstecktiefe und Wärmeableitung bei Temperaturfühlern

Warum zeigt ein Temperaturfühler in einer Rohrleitung zu wenig an?

Bei einem heißen Medium kann eine zu geringe Einstecktiefe dazu führen, dass Wärme über Fühlerschaft, Prozessanschluss oder Schutzrohr an die kühlere Umgebung abgeführt wird. Das Sensorelement erreicht dann eine niedrigere Temperatur als das eigentliche Medium.

Kann ein Pt100 korrekt kalibriert sein und im Prozess trotzdem falsch messen?

Ja. Eine Kalibrierung bewertet den Sensor unter definierten thermischen Bedingungen. Im Prozess können dagegen Einstecktiefe, Wärmeableitung, Strömung oder die Schutzrohrgeometrie zusätzliche Messfehler verursachen.

Wie tief muss ein Pt100 in eine Rohrleitung eintauchen?

Eine universelle Einstecktiefe gibt es nicht. Als allgemeine Orientierung sollte der aktive Sensorbereich zuverlässig vom Medium umströmt werden und möglichst in einen repräsentativen Bereich des Rohrquerschnitts hineinragen. Für elektrische Thermometer werden häufig mindestens etwa 35 bis 50 mm als allgemeine Größenordnung genannt, die konkrete Anwendung muss jedoch separat betrachtet werden.

Muss ein Temperaturfühler bis zur Rohrmitte reichen?

Nicht zwangsläufig exakt bis zur geometrischen Rohrmitte. Entscheidend ist, dass die Fühlerspitze ausreichend tief in einem repräsentativen, gut durchströmten Bereich liegt. Das mittlere Drittel des Rohrquerschnitts ist dafür eine häufig verwendete Orientierung.

Warum ist eine geringe Einstecktiefe problematisch?

Je kürzer der eingetauchte Abschnitt ist, desto stärker kann der Wärmefluss über den Fühlerschaft und Prozessanschluss im Verhältnis zum Wärmeaustausch mit dem Medium werden. Dadurch nähert sich die Sensortemperatur teilweise der Umgebungstemperatur an.

Zeigt ein zu kurzer Temperaturfühler immer zu wenig an?

Nein. Die Fehlerrichtung hängt vom Temperaturunterschied zur Umgebung ab. Bei heißem Medium und kälterer Umgebung ist die Anzeige meist zu niedrig. Bei kaltem Medium und wärmerer Umgebung kann sie dagegen zu hoch sein.

Warum ist die Messung bei kleinen Rohrdurchmessern schwieriger?

Bei kleinen Rohren steht nur eine begrenzte radiale Einbaulänge zur Verfügung. Ein ausreichend langer Fühler kann den Querschnitt stark beeinflussen oder die gegenüberliegende Rohrwand erreichen. Deshalb müssen häufig alternative Einbaugeometrien verwendet werden.

Kann ein Temperaturfühler schräg eingebaut werden?

Ja, eine schräge Montage kann insbesondere bei kleinen Rohrdurchmessern eine größere wirksame Einstecktiefe ermöglichen. Bei Schutzrohren müssen jedoch Strömungsrichtung und mechanische Belastung berücksichtigt werden.

Kann ein Temperaturfühler in einem Rohrbogen eingebaut werden?

Ja. Eine geeignete Bogenmontage kann bei kleinen Rohrleitungen hilfreich sein, weil der Fühler stärker längs in die Strömung hineinragen kann. Die Fühlerspitze sollte dabei entsprechend der vorgesehenen Konstruktion von der Strömung beaufschlagt werden.

Ist ein T-Stück für einen Temperaturfühler sinnvoll?

Ein passend ausgelegtes T-Stück oder ein vergrößerter Messabschnitt kann zusätzliche Einstecktiefe schaffen. Es muss jedoch sichergestellt werden, dass der Fühler von der Hauptströmung erreicht wird und kein schlecht durchströmter Totraum entsteht.

Wie beeinflusst die Strömungsgeschwindigkeit die Temperaturmessung?

Eine höhere Strömungsgeschwindigkeit verbessert häufig den Wärmeübergang vom Medium zum Sensor und verkürzt die Ansprechzeit. Gleichzeitig steigt bei einem Schutzrohr die mechanische Belastung durch die Strömung.

Warum messen Temperaturfühler in Gasen häufig langsamer als in Flüssigkeiten?

Gase besitzen im Allgemeinen einen schlechteren Wärmeübergang als Flüssigkeiten. Dadurch kann der Sensor langsamer reagieren und der relative Einfluss von Wärmeleitung über den Schaft größer werden.

Welche Auswirkung hat ein Schutzrohr auf die Temperaturmessung?

Ein Schutzrohr erhöht die mechanische Sicherheit und ermöglicht häufig einen Sensorwechsel ohne Prozessöffnung. Gleichzeitig entsteht zusätzliche thermische Masse zwischen Medium und Sensorelement, wodurch sich die Ansprechzeit verlängern kann.

Warum muss ein Messeinsatz im Schutzrohr am Boden anliegen?

Bei vielen elektrischen Thermometern wird der Messeinsatz gefedert gegen den Schutzrohrboden gedrückt. Dadurch verbessert sich die Wärmeübertragung. Ein Luftspalt zwischen Messeinsatz und Schutzrohr kann die Reaktion deutlich verlangsamen.

Kann ein zu kurzer Messeinsatz im Schutzrohr Messfehler verursachen?

Ja. Sitzt die Fühlerspitze nicht korrekt am Schutzrohrboden, verschlechtert sich die thermische Kopplung. Dadurch können insbesondere die Ansprechzeit und das Verhalten bei wechselnden Temperaturen beeinträchtigt werden.

Hilft eine Rohrisolierung gegen Wärmeableitungsfehler?

Ja. Eine geeignete Isolation kann den Umgebungseinfluss auf Rohrleitung, Anschlussstutzen und Fühlerschaft deutlich reduzieren. Dabei müssen jedoch die zulässigen Umgebungstemperaturen von Anschlusskopf, Kabel und eventuell eingebautem Transmitter eingehalten werden.

Wie kann man einen Wärmeableitungsfehler nachweisen?

Hilfreich sind eine Vergleichsmessung mit einem korrekt eingebauten Referenzfühler sowie die Beobachtung des Messwerts bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen oder nach einer verbesserten Isolation. Verändert sich die Abweichung deutlich, spricht dies für einen thermischen Einbaufehler.

Warum wird der Fehler bei großem Temperaturunterschied zur Umgebung stärker?

Mit zunehmender Temperaturdifferenz steigt auch der mögliche Wärmestrom über Schaft und Anschluss. Ein ungünstig eingebauter Fühler wird deshalb bei einem Medium von 150 °C in einer 20 °C warmen Umgebung meist stärker beeinflusst als bei einem Medium von 30 °C.

Welcher Temperaturfühler eignet sich für klassische industrielle Rohrleitungen?

Für industrielle Rohrleitungsmessstellen kann beispielsweise ein Widerstandsthermometer wie der WIKA TR10-B mit passend ausgelegtem Schutzrohr verwendet werden. Entscheidend ist dabei die Auswahl der richtigen Einbaulänge und Schutzrohrgeometrie für die jeweilige Messstelle.

Welche Lösung eignet sich für kleine hygienische Rohrleitungen?

Bei hygienischen Anwendungen kann eine speziell für den Rohrleitungseinbau konstruierte In-Line-Lösung sinnvoll sein. Der WIKA TR25 ist beispielsweise für Temperaturmessungen in hygienischen Rohrleitungen ausgelegt, wenn ein klassisches in den Prozess ragendes Schutzrohr nicht möglich oder nicht gewünscht ist.

Wann sollte ein Schutzrohr mechanisch berechnet werden?

Bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten, hohen Prozessdrücken, großen Einstecktiefen oder kritischen Schutzrohrgeometrien sollte die mechanische Belastung der Messstelle geprüft werden. Dabei sind insbesondere strömungsinduzierte Schwingungen und die zulässige Belastung des Schutzrohrs zu berücksichtigen.