Ein Widerstandsthermometer kann elektrisch vollkommen in Ordnung sein und trotzdem deutlich langsamer reagieren als erwartet. Der Pt100 besitzt die richtige Kennlinie, der Messumformer ist korrekt parametriert und die Anschlussleitung verursacht keinen auffälligen Fehler – dennoch läuft der angezeigte Temperaturwert einer Prozessänderung sichtbar hinterher.
Eine häufig übersehene Ursache liegt innerhalb des Thermometers: Der auswechselbare Messeinsatz sitzt nicht richtig im Schutzrohr.
Bei industriellen elektrischen Thermometern befindet sich das eigentliche Sensorelement häufig in der Spitze eines mineralisolierten Messeinsatzes. Dieser wird von oben in ein Schutzrohr eingeschoben. Das Schutzrohr trennt den Sensor vom Prozessmedium und schützt ihn beispielsweise vor Druck, Strömung, Korrosion und mechanischer Beanspruchung.
Thermisch entsteht dadurch jedoch eine zusätzliche Übertragungsstrecke. Die Temperatur des Mediums muss zunächst auf das Schutzrohr, anschließend durch dessen Wand und schließlich vom Schutzrohr auf den Messeinsatz übertragen werden. Erst dann erreicht die Wärme das eigentliche Sensorelement.
Für einen guten Wärmeübergang muss der Messeinsatz deshalb konstruktiv zum Schutzrohr passen. Bei vielen industriellen Widerstandsthermometern und Thermoelementen wird er gefedert ausgeführt. Die Feder sorgt dafür, dass die Messeinsatzspitze trotz Fertigungs- und Montagetoleranzen zuverlässig gegen den Schutzrohrboden gedrückt wird.
Die Feder löst jedoch nicht jedes Passungsproblem. Ist der Messeinsatz zu kurz, erreicht er den Boden trotz Feder nicht. Ist er zu lang, kann der verfügbare Federweg überschritten oder die Montage mechanisch verspannt werden. Ist sein Außendurchmesser wesentlich kleiner als die Schutzrohrbohrung, entsteht zusätzlich ein großer Ringspalt, der den radialen Wärmeübergang verschlechtert.
WIKA nennt deshalb für einen optimalen Wärmeübergang ausdrücklich zwei Voraussetzungen: die richtige Messeinsatzlänge und den richtigen Messeinsatzdurchmesser. Beim aktuellen TR10-B soll der Bohrungsdurchmesser des Schutzrohres maximal 1 mm größer sein als der Messeinsatzdurchmesser. Spaltweiten über 0,5 mm wirken sich laut Hersteller negativ auf Wärmeübergang und Ansprechverhalten aus.
Die zentrale Aussage lautet: Ein gefederter Messeinsatz funktioniert nur dann wie vorgesehen, wenn Länge, Durchmesser und Federweg zur tatsächlichen Schutzrohrgeometrie passen. Bodenkontakt verbessert die axiale thermische Kopplung, ein passender Durchmesser reduziert den thermisch ungünstigen Ringspalt – beide Faktoren müssen gemeinsam betrachtet werden.
Inhaltsverzeichnis
- Wie ist eine Temperaturmessstelle mit Schutzrohr aufgebaut?
- Welchen Weg nimmt die Wärme bis zum Sensorelement?
- Welche Aufgabe hat die Feder am Messeinsatz?
- Warum ist der Bodenkontakt so wichtig?
- Warum der Messeinsatzdurchmesser genauso wichtig ist
- Wie sich ein zu großer Ringspalt auf die Messung auswirkt
- Was passiert bei einem zu kurzen Messeinsatz?
- Was passiert bei einem zu langen Messeinsatz?
- Federweg und Vorspannung richtig beurteilen
- Messeinsatz beim Austausch richtig auswählen
- Pt100 und Thermoelement: gilt das Prinzip für beide?
- Warum ein korrekt sitzender Messeinsatz ein schlecht ausgelegtes Schutzrohr nicht kompensiert
- Thermischen und elektrischen Messfehler auseinanderhalten
- Warum schlechter Kontakt vor allem bei Temperaturänderungen auffällt
- Wärmeleitpaste oder Öl im Schutzrohr?
- Was eine Kalibrierung über den Einbaufehler aussagen kann
- Typische Fehlerbilder systematisch diagnostizieren
- Praxisgerechter Montageablauf
- Passende Temperaturmesstechnik von ICS Schneider
- Fazit
- Häufige Fragen zu gefederten Messeinsätzen
1. Wie ist eine Temperaturmessstelle mit Schutzrohr aufgebaut?
Eine klassische industrielle Temperaturmessstelle besteht nicht nur aus einem Pt100 oder Thermoelement. Zwischen dem Prozess und dem elektrischen Ausgangssignal befinden sich mehrere konstruktive Komponenten.
Das Schutzrohr bildet zunächst die mechanische Grenze zum Prozess. Es wird beispielsweise eingeschraubt, eingeschweißt oder über einen Flansch mit der Rohrleitung beziehungsweise dem Behälter verbunden. Das Medium berührt dadurch nicht unmittelbar den austauschbaren Messeinsatz.
Im Inneren des Schutzrohres befindet sich eine Bohrung beziehungsweise bei mehrteiligen Schutzrohren ein Innenraum. In diesen wird der Messeinsatz eingeführt. Bei modernen industriellen Ausführungen besteht er häufig aus einer mineralisolierten Mantelmessleitung. Das eigentliche Pt100-, Pt1000- oder Thermoelement befindet sich möglichst nahe an der Spitze.
Am oberen Ende des Messeinsatzes befinden sich Anschlussklemmen oder ein Temperaturtransmitter. Die mechanische Befestigung des Messeinsatzes ist bei vielen Bauformen gefedert ausgeführt.
Dadurch bleibt das Schutzrohr dauerhaft im Prozess, während der eigentliche Messeinsatz für Prüfung, Kalibrierung oder Austausch entnommen werden kann. Besonders in druckbeaufschlagten oder aggressiven Prozessen ist dieser Aufbau ein wesentlicher Servicevorteil.
2. Welchen Weg nimmt die Wärme bis zum Sensorelement?
Für das Verständnis von Einbaufehlern ist es hilfreich, die Temperaturmessstelle als Wärmeübertragungskette zu betrachten.
Die Temperatur des Mediums erreicht zunächst die äußere Oberfläche des Schutzrohres. Wie schnell dieser erste Wärmeübergang erfolgt, hängt unter anderem vom Medium, seiner Strömungsgeschwindigkeit, der Eintauchtiefe sowie von Form, Werkstoff und Oberfläche des Schutzrohres ab.
Anschließend wird die Wärme durch das Material des Schutzrohres zur Innenbohrung geleitet. Von dort muss sie auf den Messeinsatz übergehen. Genau an dieser Stelle werden Bodenkontakt und Ringspalt entscheidend.
Schließlich wird die Wärme innerhalb des Messeinsatzes bis zum eigentlichen Sensorelement übertragen. Erst dessen Temperatur wird elektrisch ausgewertet.
| Teil der Messkette | Wichtige Einflussgrößen | Mögliche Folge ungünstiger Auslegung |
|---|---|---|
| Medium → Schutzrohr | Strömung, Eintauchtiefe, Schutzrohrgeometrie | Umgebungseinfluss, langsame Reaktion |
| Schutzrohrwand | Werkstoff, Wandstärke, Spitzenform | Zusätzliche thermische Trägheit |
| Schutzrohr → Messeinsatz | Bodenkontakt, Durchmesser, Ringspalt | Schlechter Wärmeübergang |
| Messeinsatz → Sensorelement | Aufbau und Position des Sensors | Weitere Verzögerung der Messung |
| Sensor → Messsignal | Sensorart, Schaltung, Transmitter, Filterung | Elektrische Messabweichung oder Signalverzögerung |
Ein hochwertiger Pt100 beseitigt deshalb nicht automatisch die thermischen Fehler einer ungünstig aufgebauten Messstelle. Die Genauigkeitsklasse des Sensorelements beschreibt zunächst das Sensorelement selbst – nicht die vollständige Temperaturübertragung vom Prozess bis zum Sensor.
3. Welche Aufgabe hat die Feder am Messeinsatz?
Ein auswechselbarer Messeinsatz kann nicht so gefertigt und montiert werden, dass seine Länge unter allen Bedingungen auf wenige hundertstel Millimeter exakt der inneren Schutzrohrgeometrie entspricht.
Fertigungstoleranzen, unterschiedliche Anschlussköpfe, Dichtungen, Verschraubungen und temperaturbedingte Längenänderungen müssen konstruktiv aufgenommen werden können.
Die Feder schafft hierfür einen definierten axialen Toleranzbereich.
Beim Zusammenbau wird der Messeinsatz bis zum Schutzrohrboden geführt. Anschließend wird die Feder beim Befestigen des Messeinsatzes etwas zusammengedrückt. Die dadurch entstehende Federkraft hält die Spitze gegen den Schutzrohrboden.
Bei WIKA-Messeinsätzen wird diese Funktion ausdrücklich als Anpressung auf den Schutzrohrboden beschrieben.
Die Feder soll somit keinen großen Längenfehler korrigieren. Ihre Aufgabe besteht darin, innerhalb des vorgesehenen Federweges einen sicheren Kontakt trotz kleiner konstruktiver und thermischer Toleranzen aufrechtzuerhalten.
4. Warum ist der Bodenkontakt so wichtig?
Der Schutzrohrboden befindet sich konstruktiv besonders nahe am Sensorelement. Gleichzeitig befindet sich die Schutzrohrspitze bei korrekter Auslegung im gut durchströmten beziehungsweise repräsentativen Prozessbereich.
Liegt die Spitze des Messeinsatzes direkt und mit leichter Federkraft am Schutzrohrboden an, entsteht dort eine gute metallische beziehungsweise konstruktiv definierte thermische Kopplung.
Fehlt dieser Kontakt, befindet sich zwischen Messeinsatzspitze und Schutzrohrboden ein Gasraum. Luft und andere Gase besitzen im Vergleich zu metallischem Kontakt eine wesentlich geringere Wärmeleitfähigkeit.
Die Sensortemperatur folgt der Temperatur des Schutzrohrbodens dann langsamer. Gleichzeitig gewinnt die Wärmeleitung über die seitlichen Bereiche des Messeinsatzes relativ an Bedeutung.
Besonders deutlich wird das bei einem Temperatursprung. Das Schutzrohr erwärmt oder kühlt sich bereits, während das Sensorelement aufgrund des zusätzlichen thermischen Widerstandes verzögert reagiert.
Bei einem über lange Zeit vollständig stabilen Prozess kann die Anzeige trotzdem irgendwann einen plausiblen Wert erreichen. Genau deshalb bleibt fehlender Bodenkontakt bei einer reinen statischen Plausibilitätsprüfung häufig unentdeckt.
5. Warum der Messeinsatzdurchmesser genauso wichtig ist
Eine häufige Fehlannahme lautet: Wenn die Feder die Spitze auf den Boden drückt, ist der Wärmeübergang automatisch optimal.
Das stimmt nicht.
Der Messeinsatz befindet sich über einen erheblichen Teil seiner Länge innerhalb der Schutzrohrbohrung. Zwischen seiner Außenfläche und der Innenfläche des Schutzrohres besteht ein Ringspalt. Auch über diesen Bereich wird Wärme übertragen.
Ist der Messeinsatz wesentlich dünner als die Bohrung, vergrößert sich der gasgefüllte Zwischenraum. Dadurch steigt der thermische Widerstand zwischen Schutzrohr und Messeinsatz.
WIKA nennt deshalb neben der korrekten Länge ausdrücklich den korrekten Messeinsatzdurchmesser als Voraussetzung für einen ausreichenden Wärmeübergang.
Für den aktuellen TR10-B gibt der Hersteller an, dass der Bohrungsdurchmesser des Schutzrohres maximal 1 mm größer als der Messeinsatzdurchmesser sein sollte. Spaltweiten über 0,5 mm werden als nachteilig für Wärmeübergang und Ansprechverhalten beschrieben.
Diese Werte sind sehr hilfreich für die Beurteilung typischer WIKA-Aufbauten, sollten aber bei anderen Herstellern oder Sonderkonstruktionen nicht ungeprüft als universelle Normgrenze übernommen werden.
6. Wie sich ein zu großer Ringspalt auf die Messung auswirkt
Ein größerer Ringspalt führt in erster Linie zu einer schlechteren thermischen Kopplung.
Die Folge ist typischerweise kein beliebiger elektrischer Offset, sondern ein verändertes dynamisches Verhalten. Der Sensor benötigt länger, um der Temperatur des Schutzrohres zu folgen.
In einem ruhigen Prozess kann dieser Unterschied vergleichsweise unauffällig bleiben. Bei wechselnden Temperaturen entstehen dagegen zeitweise deutliche Differenzen zwischen realer Mediumtemperatur, Schutzrohrtemperatur und Sensortemperatur.
Zusätzlich können Wärmewege über den oberen Teil des Messeinsatzes, das Halsrohr oder den Anschlusskopf stärker ins Gewicht fallen. Liegt die Umgebungstemperatur deutlich unter oder über der Prozesstemperatur, können dadurch auch stationäre Messabweichungen begünstigt werden.
Ein zu kleiner Durchmesser ist deshalb nicht lediglich ein mechanisches Passungsproblem.
Beim Ersatz eines Messeinsatzes sollten Länge und Durchmesser immer gemeinsam mit der tatsächlich vorhandenen Schutzrohrbohrung geprüft werden.
7. Was passiert bei einem zu kurzen Messeinsatz?
Ist der Messeinsatz deutlich zu kurz, kann die Feder ihre eigentliche Aufgabe nicht erfüllen.
Der Messeinsatz wird zwar im Anschlusskopf befestigt, seine Spitze erreicht den Schutzrohrboden jedoch nicht. Zwischen beiden bleibt ein axialer Luftspalt bestehen.
Von außen ist dieser Fehler häufig nicht sichtbar. Anschlusskopf, Klemmen und Transmitter können vollständig korrekt montiert aussehen.
Typisch ist ein auffällig träges Temperaturverhalten. Besonders bei schnellen Prozessänderungen folgt der Sensor langsamer als erwartet.
Bei großen Temperaturunterschieden zwischen Prozess und Umgebung kann sich zusätzlich ein stärkerer Einfluss der Wärmeleitung entlang des Messeinsatzes bemerkbar machen.
Ein zu kurzer Messeinsatz sollte deshalb nicht dadurch „korrigiert“ werden, dass Befestigungsteile improvisiert unterlegt oder verändert werden. Die richtige Lösung ist ein Messeinsatz mit passender konstruktiver Länge.
8. Was passiert bei einem zu langen Messeinsatz?
Auch ein zu langer Messeinsatz ist nicht automatisch unproblematisch.
Ein gewisser Längenüberschuss ist konstruktiv notwendig, damit die Feder beim Zusammenbau vorgespannt wird. Dieser Überschuss muss jedoch innerhalb des vorgesehenen Federweges liegen.
Ist der Messeinsatz erheblich zu lang, wird die Feder beim Befestigen zu stark zusammengedrückt oder erreicht ihr mechanisches Ende. Der Anschlusskopf beziehungsweise die Befestigung lässt sich dann eventuell nur mit ungewöhnlich hoher Kraft montieren.
In ungünstigen Fällen können dadurch mechanische Belastungen auf Messeinsatz, Anschlussplatte oder Schutzrohrboden entstehen.
Eine starke Federkraft verbessert den Wärmeübergang nicht unbegrenzt. Sobald ein zuverlässiger Kontakt hergestellt ist, besteht der Zweck der Feder vor allem darin, diesen Kontakt sicher aufrechtzuerhalten.
Deshalb sollten weder „so kurz wie möglich“ noch „möglichst viel Vorspannung“ als Montageprinzip verwendet werden.
9. Federweg und Vorspannung richtig beurteilen
Der verfügbare Federweg ist konstruktionsabhängig.
Für verschiedene WIKA-Thermometer der TR10-/TC10-Familie wird beispielsweise ein maximaler Federweg von 10 mm angegeben. Bei anderen Gerätefamilien können andere Werte gelten.
Der maximal mögliche Federweg sollte außerdem nicht mit der erforderlichen Vorspannung verwechselt werden.
Für die Montage muss lediglich sichergestellt sein, dass die Spitze den Boden erreicht und beim Befestigen innerhalb des zulässigen Federweges eine ausreichende Vorspannung aufgebaut wird.
WIKA beschreibt in seinen allgemeinen Hinweisen für elektrische Thermometer sinngemäß, dass der gefederte Sensor den Schutzrohrboden berühren soll und bei der Montage etwas nachgeben muss.
Die konkrete Messeinsatzlänge sollte deshalb anhand der Gerätezeichnung, Schutzrohrgeometrie und Herstellerangabe bestimmt werden. Eine universelle Zugabe in Millimetern für jedes Thermometer wäre technisch nicht sinnvoll.
10. Messeinsatz beim Austausch richtig auswählen
Der Vorteil eines Schutzrohres mit auswechselbarem Messeinsatz zeigt sich besonders im Service. Bei einem defekten Sensor kann der Prozessanschluss im Betriebsmittel verbleiben, während nur der innere Messeinsatz ersetzt wird.
Gerade hierbei entstehen jedoch häufig Passungsfehler.
Die Typbezeichnung „Pt100, 6 mm“ reicht für einen sicheren Ersatz nicht aus. Zusätzlich sind mindestens Messeinsatzlänge, Durchmesser, Anschlussaufbau, Sensorart, Schaltung und gegebenenfalls Ex-Ausführung zu berücksichtigen.
Am zuverlässigsten sind die ursprünglichen Bestell- beziehungsweise Geräteunterlagen.
Der alte Messeinsatz kann ebenfalls als Vergleich dienen, sollte aber nicht die einzige Informationsquelle sein. Wenn gerade ein falscher Messeinsatz die Ursache des Problems war, würde dessen Abmessung sonst einfach erneut übernommen.
| Beim Ersatz prüfen | Warum? |
|---|---|
| Messeinsatzlänge | Bestimmt Bodenkontakt und Feder-Vorspannung |
| Messeinsatzdurchmesser | Bestimmt Ringspalt und Wärmeübergang |
| Sensorart | Pt100, Pt1000 oder Thermoelement müssen zur Auswertung passen |
| Schaltungsart | Bei RTD z. B. 2-, 3- oder 4-Leiter |
| Temperaturbereich | Mantelleitung, Sensor und Anschlussaufbau besitzen eigene Grenzen |
| Ex-Ausführung | Zugelassene Kombination und Ersatzteilvorgaben müssen erhalten bleiben |
| Transmitter | Messbereich, Sensortyp und Parametrierung müssen zur Messstelle passen |
Bei Ex-Ausführungen ist besondere Vorsicht erforderlich. Konstruktive Passungen und Zulassungsbedingungen können verhindern, dass ein äußerlich passender Standard-Messeinsatz als Ersatz verwendet werden darf.
11. Pt100 und Thermoelement: gilt das Prinzip für beide?
Der Grundgedanke gilt sowohl für Widerstandsthermometer als auch für Thermoelemente mit auswechselbarem Messeinsatz.
Beim Widerstandsthermometer befindet sich beispielsweise ein Pt100 oder Pt1000 in beziehungsweise nahe der Messeinsatzspitze. Beim Thermoelement liegt die Messstelle des Thermopaars im Spitzenbereich.
In beiden Fällen muss die Temperatur des Schutzrohres möglichst effizient zum empfindlichen Bereich des Messeinsatzes übertragen werden.
Deshalb bietet WIKA sowohl den TR10-A als gefederten Messeinsatz für Widerstandsthermometer als auch den TC10-A für Thermoelemente an. Bei beiden beschreibt der Hersteller Andruckfedern zur Anpressung auf den Schutzrohrboden.
Die unterschiedlichen Sensorprinzipien ändern diesen mechanisch-thermischen Grundsatz nicht.
Ein besonders schnelles Thermoelement bleibt beispielsweise hinter seinen Möglichkeiten zurück, wenn ein großes und thermisch träges Schutzrohr sowie ein ungünstiger Ringspalt den Wärmeweg dominieren.
12. Warum ein korrekt sitzender Messeinsatz ein schlecht ausgelegtes Schutzrohr nicht kompensiert
Bodenkontakt und ein kleiner Ringspalt optimieren nur den Wärmeweg innerhalb des Thermometers.
Damit ist noch nicht sichergestellt, dass der Schutzrohrboden selbst die tatsächliche Prozesstemperatur repräsentiert.
Ist das Schutzrohr beispielsweise zu kurz in eine Rohrleitung eingebaut, kann seine Spitze stärker von Wärmeleitung zur Rohrwand beziehungsweise Umgebung beeinflusst werden. Auch eine ungünstige Strömungsposition oder ein überdimensioniertes Schutzrohr kann die Ansprechzeit verschlechtern.
Die beiden Themen müssen deshalb getrennt betrachtet werden.
Auf der Prozessseite muss das Schutzrohr korrekt ausgelegt und ausreichend in das Medium eingebracht sein. Auf der Sensorseite muss der Messeinsatz wiederum korrekt im Schutzrohr sitzen.
Ein perfekter Bodenkontakt kann eine falsche Schutzrohr-Einstecktiefe nicht kompensieren. Umgekehrt hilft ein optimal positioniertes Schutzrohr wenig, wenn der Sensor mehrere Millimeter oberhalb seines Bodens endet.
13. Thermischen und elektrischen Messfehler auseinanderhalten
Nicht jeder träge oder unplausible Temperaturwert wird durch den Wärmeübergang verursacht.
Bei Widerstandsthermometern können Leitungswiderstände, falsche 2-/3-/4-Leiter-Konfigurationen, Kontaktprobleme oder eine falsche Sensoreinstellung im Transmitter zu Abweichungen führen.
Bei Thermoelementen kommen falscher Thermoelementtyp, ungeeignete Ausgleichsleitung, verpolte Anschlüsse und Fehler bei der Vergleichsstellenkompensation hinzu.
Elektrische Fehler und thermische Einbaufehler zeigen häufig ein unterschiedliches Verhalten.
Ein falscher Transmitterbereich kann beispielsweise über den gesamten Prozess einen systematischen Skalierungsfehler erzeugen. Eine schlechte thermische Kopplung zeigt sich dagegen häufig besonders deutlich während schneller Temperaturänderungen.
Für die Fehlersuche sollte deshalb zunächst überprüft werden, ob der Sensor elektrisch korrekt ausgewertet wird. Anschließend wird beurteilt, ob sein zeitliches Verhalten zur realen Prozessdynamik passt.
14. Warum schlechter Kontakt vor allem bei Temperaturänderungen auffällt
Die Wirkung eines schlechten Wärmeübergangs lässt sich besonders gut bei einem Temperatursprung erkennen.
Steigt die Prozesstemperatur schnell, erwärmt sich zunächst das Schutzrohr. Bei guter thermischer Kopplung folgt die Messeinsatzspitze vergleichsweise schnell.
Bei einem Luftspalt benötigt die Wärme länger, um zum Sensor zu gelangen. Der angezeigte Wert bleibt deshalb vorübergehend hinter der realen Prozesstemperatur zurück.
Bei einer anschließenden Abkühlung tritt derselbe Effekt in umgekehrter Richtung auf.
In einem Regelkreis kann diese zusätzliche Zeitkonstante problematischer sein als ein kleiner konstanter Messfehler. Die Regelung reagiert auf einen Prozesszustand, der zeitlich bereits weiter fortgeschritten ist als der angezeigte Temperaturwert.
Besonders kritisch ist dies bei schnellen Heiz- und Kühlprozessen, thermischen Prüfständen oder kleinen Prozessvolumen.
Bei sehr langsamen Prozessen kann derselbe mechanische Fehler dagegen lange unbemerkt bleiben.
15. Wärmeleitpaste oder Öl im Schutzrohr?
Ein großer Luftspalt verleitet manchmal dazu, das Schutzrohr mit Wärmeleitpaste, Öl oder einem anderen Medium zu füllen.
Grundsätzlich kann ein geeignetes Wärmeübertragungsmedium den thermischen Widerstand eines Gaszwischenraums reduzieren. Daraus folgt jedoch nicht, dass beliebige Wärmeleitmittel in jedes Schutzrohr eingefüllt werden sollten.
Temperaturbeständigkeit, Alterung, Ausgasung, chemische Verträglichkeit, mögliche Verharzung sowie die spätere Austauschbarkeit des Messeinsatzes müssen berücksichtigt werden.
In Hochtemperaturanwendungen kann ein bei Raumtemperatur geeignetes Produkt beispielsweise völlig ungeeignet sein. In anderen Anwendungen kann ein Wärmeleitmittel den Messeinsatz so stark verkleben, dass ein späterer Austausch erschwert wird.
Die primäre Lösung für eine industrielle Standardmessstelle sollte deshalb eine geometrisch passende Kombination aus Schutzrohr und Messeinsatz sein.
Wärmeleitmittel sollten nur dann eingesetzt werden, wenn dies vom Hersteller beziehungsweise für die konkrete Konstruktion ausdrücklich vorgesehen und hinsichtlich Temperatur und Anwendung geeignet ist.
16. Was eine Kalibrierung über den Einbaufehler aussagen kann
Ein ausgebauter Messeinsatz kann in einem Kalibrierbad oder Blockkalibrator ausgezeichnete Ergebnisse liefern und im eingebauten Zustand trotzdem ein unbefriedigendes Prozessverhalten zeigen.
Das ist kein Widerspruch.
Bei der Kalibrierung des Messeinsatzes wird primär das Sensorelement beziehungsweise die elektrische Messkette beurteilt. Die reale thermische Kopplung zum betrieblichen Schutzrohr ist dabei nicht zwingend Bestandteil der Prüfung.
Wird anschließend ein Sensor mit gutem Kalibrierergebnis in ein Schutzrohr mit zu großem Innendurchmesser oder fehlendem Bodenkontakt eingebaut, bleibt die zusätzliche thermische Zeitkonstante bestehen.
Eine vollständige Betrachtung der Messstelle muss deshalb zwischen Sensorkalibrierung und Einbaueinfluss unterscheiden.
Für besonders kritische Messstellen kann es sinnvoll sein, neben der eigentlichen Sensorkalibrierung auch das dynamische Verhalten der kompletten Temperaturmessstelle zu bewerten.
17. Typische Fehlerbilder systematisch diagnostizieren
| Beobachtung | Mögliche Ursache | Sinnvolle Prüfung |
|---|---|---|
| Temperatur reagiert nach einem Messeinsatzwechsel deutlich langsamer | Ersatz-Messeinsatz zu kurz oder Durchmesser zu klein | Länge, Durchmesser und Schutzrohrbohrung mit Originaldaten vergleichen |
| Anschlusskopf lässt sich nur mit ungewöhnlich hoher Kraft montieren | Messeinsatz zu lang oder Federweg ausgeschöpft | Einbaulänge und zulässigen Federweg prüfen |
| Sensor ist statisch plausibel, folgt Temperatursprüngen aber langsam | Schlechter thermischer Kontakt | Bodenkontakt und Ringspalt kontrollieren |
| Messwert ändert sich nach Lösen und erneutem Befestigen des Messeinsatzes | Federkontakt beziehungsweise Sitz verändert | Mechanische Montage und Vorspannung überprüfen |
| Neuer Messeinsatz lässt sich nicht vollständig einschieben | Durchmesser, Hülse oder Schutzrohrbohrung passen nicht | Abmessungen und mögliche Verschmutzung der Bohrung prüfen |
| Kalibrierter Sensor misst im Prozess trotzdem abweichend | Einbau-, Wärmeleitungs- oder Schutzrohreinfluss | Komplette Messstelle statt nur Sensorelement bewerten |
| Anzeige besitzt sofort einen konstanten Offset | Möglicherweise elektrischer statt thermischer Fehler | Schaltung, Leitung, Transmitter und Sensorparametrierung prüfen |
| Messung wird bei schneller Strömungsänderung auffällig träge | Große thermische Masse oder schlechte Kopplung | Schutzrohrgeometrie, Spalt und Bodenkontakt gemeinsam prüfen |
18. Praxisgerechter Montageablauf
Vor dem Einsetzen eines neuen Messeinsatzes sollte zunächst eindeutig festgestellt werden, für welches Schutzrohr und welche Thermometerausführung er vorgesehen ist.
Die maßgeblichen Abmessungen werden idealerweise aus der ursprünglichen Geräteauslegung beziehungsweise dem Datenblatt oder Bestellcode übernommen. Länge und Durchmesser werden gemeinsam geprüft.
Anschließend sollte kontrolliert werden, ob sich der Messeinsatz ohne ungewöhnlichen Widerstand bis zum Schutzrohrboden einschieben lässt. Ablagerungen, Korrosion oder mechanische Beschädigungen innerhalb des Schutzrohres können ebenfalls verhindern, dass die Spitze ihre vorgesehene Position erreicht.
Beim Befestigen muss eine Federwirkung vorhanden sein. Sie zeigt, dass der Messeinsatz den Boden erreicht hat und die konstruktiv vorgesehene Vorspannung aufgebaut wird.
Eine ungewöhnlich große erforderliche Kompression ist dagegen kein Qualitätsmerkmal, sondern ein Anlass, die Einbaulänge nochmals zu prüfen.
Danach werden elektrische Anschlüsse beziehungsweise der Transmitter kontrolliert. Erst anschließend sollte das Verhalten der vollständigen Messstelle bei einer plausiblen Prozessänderung beurteilt werden.
Auf diese Weise werden mechanische, thermische und elektrische Fehler nacheinander geprüft und nicht miteinander vermischt.
19. Passende Temperaturmesstechnik von ICS Schneider
ICS Schneider Messtechnik bietet Widerstandsthermometer, Thermoelemente, auswechselbare Messeinsätze und Schutzrohre für industrielle Temperaturmessstellen. Eine Übersicht finden Sie unter Temperaturmesstechnik.
WIKA TR10-B Widerstandsthermometer
Das WIKA TR10-B ist zum Einbau in gängige Schutzrohrbauformen vorgesehen und besitzt einen auswechselbaren, gefederten Messeinsatz.
Je nach Ausführung stehen Pt100- oder Pt1000-Sensoren sowie unterschiedliche Anschlussköpfe, Einbaulängen, Halslängen und Transmitterkonfigurationen zur Verfügung.
Der Sensorbereich reicht je nach Ausführung von −196 … +600 °C. Damit eignet sich das Geräteprinzip für zahlreiche Anwendungen im Maschinen-, Anlagen- und Behälterbau, in der Energietechnik sowie in chemischen und verfahrenstechnischen Anlagen.
WIKA TR10-A als Ersatz-Messeinsatz
Der WIKA TR10-A ist ein auswechselbarer Messeinsatz für Widerstandsthermometer.
Er besteht aus einer flexiblen mineralisolierten Mantelmessleitung, wobei sich das Sensorelement im Spitzenbereich befindet. Andruckfedern sorgen dafür, dass der Messeinsatz im dafür vorgesehenen Thermometer gegen den Schutzrohrboden gedrückt wird.
Für den Ersatzfall ist entscheidend, nicht nur Sensorart und Temperaturbereich, sondern auch die zur vorhandenen Schutzrohrgeometrie passende Länge und den richtigen Durchmesser festzulegen.
WIKA TC10-A für Thermoelemente
Mit dem WIKA TC10-A steht das entsprechende Prinzip auch für Thermoelemente zur Verfügung.
Der mineralisolierte Messeinsatz ist ebenfalls gefedert und wird für die Anpressung an den Schutzrohrboden ausgelegt. Der verfügbare Temperaturbereich reicht je nach Ausführung bis +1.200 °C.
Damit gelten die Grundregeln für Länge, Bodenkontakt und thermische Kopplung nicht nur für Pt100-Messstellen.
WIKA Schutzrohre
Unter Schutzrohre bietet ICS unterschiedliche mehrteilige und einteilige WIKA-Ausführungen zum Einschrauben, Einschweißen oder mit Flanschanschluss.
Ein Beispiel ist das WIKA TW15. Bei einer kompletten Neuauslegung sollten Schutzrohr und Messeinsatz von Anfang an als zusammengehörige thermische und mechanische Einheit betrachtet werden.
Auslegung durch ICS Schneider
Für die Auswahl eines passenden Messeinsatzes sind insbesondere Thermometertyp, vorhandenes Schutzrohr, Innenbohrung, benötigte Messeinsatzlänge, Durchmesser, Sensorart, Temperaturbereich, Schaltung, Transmitter, Prozessbedingungen und gegebenenfalls Ex-Zulassung relevant.
Bei Ersatzmessstellen ist zusätzlich hilfreich, wenn Bestellcode, Typenschild oder ursprüngliche Zeichnung der vorhandenen Temperaturmessstelle vorliegen.
20. Fazit
Ein gefederter Messeinsatz ist eine einfache, aber sehr wirkungsvolle konstruktive Lösung für elektrische Thermometer mit Schutzrohr.
Die Feder sorgt dafür, dass die Messeinsatzspitze trotz kleiner Längen- und Montagetoleranzen dauerhaft am Schutzrohrboden anliegt. Dadurch wird der Wärmeübergang im besonders wichtigen Spitzenbereich verbessert.
Die Feder allein garantiert jedoch noch keine gute Temperaturmessung.
Ist der Messeinsatz zu kurz, entsteht ein Luftspalt zum Schutzrohrboden. Ist er zu lang, kann der vorgesehene Federweg überschritten werden. Ist sein Durchmesser zu klein, entsteht ein thermisch ungünstiger Ringspalt zwischen Messeinsatz und Schutzrohr.
WIKA fordert deshalb ausdrücklich eine korrekte Messeinsatzlänge und einen passenden Messeinsatzdurchmesser. Beim TR10-B soll die Schutzrohrbohrung maximal 1 mm größer als der Messeinsatzdurchmesser sein; Spaltweiten über 0,5 mm verschlechtern nach Herstellerangabe Wärmeübergang und Ansprechverhalten.
Diese interne Passung ist von der prozessseitigen Schutzrohrauslegung zu unterscheiden. Auch ein perfekt sitzender Messeinsatz misst nicht optimal, wenn das Schutzrohr selbst zu kurz, ungünstig positioniert oder thermisch überdimensioniert ist.
Ebenso darf ein gutes Kalibrierergebnis des ausgebauten Sensors nicht automatisch mit einer guten Messstelle gleichgesetzt werden. Eine Kalibrierung kann die elektrische Qualität des Sensorelements bestätigen, während ein Montagefehler im Schutzrohr weiterhin bestehen bleibt.
Für Service und Ersatz gilt deshalb eine klare Reihenfolge:
Schutzrohrgeometrie kennen → passende Messeinsatzlänge bestimmen → passenden Durchmesser wählen → Bodenkontakt herstellen → Federweg prüfen → elektrische Konfiguration kontrollieren → dynamisches Prozessverhalten beurteilen.
Wer diese Punkte berücksichtigt, reduziert nicht nur die Ansprechzeit der Messstelle. Gleichzeitig wird sichergestellt, dass die Genauigkeit des eigentlichen Pt100 oder Thermoelements im Prozess überhaupt wirksam werden kann.
21. Häufige Fragen zu gefederten Messeinsätzen
Warum ist ein Messeinsatz im Schutzrohr gefedert?
Die Feder sorgt dafür, dass die Messeinsatzspitze innerhalb des vorgesehenen Toleranzbereichs zuverlässig gegen den Schutzrohrboden gedrückt wird. Dadurch wird der thermische Kontakt verbessert und Längen- beziehungsweise Montagetoleranzen können aufgenommen werden.
Muss der Messeinsatz den Schutzrohrboden berühren?
Bei den hier behandelten elektrischen Thermometern mit gefedertem Messeinsatz ja. WIKA sieht ausdrücklich eine Anpressung des Messeinsatzes auf den Schutzrohrboden vor.
Gilt das auch für mechanische Thermometer?
Nicht grundsätzlich. WIKA unterscheidet hier ausdrücklich: Bei elektrischen Thermometern soll der gefederte Sensor den Schutzrohrboden berühren. Bei bestimmten mechanischen Thermometern wird dagegen ein kleiner Abstand zum Boden vorgesehen. Die Montageprinzipien dürfen deshalb nicht ungeprüft übertragen werden.
Was passiert, wenn der Messeinsatz zu kurz ist?
Die Spitze erreicht den Schutzrohrboden nicht. Der entstehende Luftspalt verschlechtert die thermische Kopplung und kann insbesondere die Ansprechzeit deutlich erhöhen.
Was passiert, wenn der Messeinsatz zu lang ist?
Eine gewisse Überlänge ist zur Federvorspannung erforderlich. Ist der Einsatz jedoch zu lang, kann der zulässige Federweg überschritten beziehungsweise die Konstruktion unnötig mechanisch belastet werden.
Wie viel Federweg ist erforderlich?
Das ist abhängig von der konkreten Thermometerkonstruktion. Bei zahlreichen WIKA-TR10-/TC10-Ausführungen beträgt der maximal verfügbare Federweg 10 mm. Dieser Wert darf jedoch nicht pauschal auf andere Bauarten übertragen werden.
Warum ist der Durchmesser des Messeinsatzes wichtig?
Ein zu kleiner Messeinsatz erzeugt einen größeren gasgefüllten Spalt zwischen Messeinsatz und Schutzrohr. Dadurch wird die Wärmeübertragung verschlechtert und das Thermometer reagiert langsamer.
Wie groß darf der Unterschied zwischen Schutzrohrbohrung und Messeinsatz sein?
Für den WIKA TR10-B gibt der Hersteller an, dass der Bohrungsdurchmesser maximal 1 mm größer als der Messeinsatzdurchmesser sein sollte. Spaltweiten über 0,5 mm wirken sich negativ auf Wärmeübergang und Ansprechverhalten aus. Für andere Bauarten sind die jeweiligen Herstellerdaten maßgeblich.
Ist Bodenkontakt wichtiger als der seitliche Spalt?
Beide Faktoren sind relevant. Der Bodenkontakt sorgt für eine gute thermische Kopplung an der Spitze, während ein passender Durchmesser den Wärmeübergang zwischen Schutzrohr und Messeinsatz entlang der Einbaulänge verbessert.
Kann ein Luftspalt einen Temperaturfehler verursachen?
Ja. Besonders während Temperaturänderungen führt eine schlechtere thermische Kopplung zu einer verzögerten Sensortemperatur. Bei großen Temperaturunterschieden zur Umgebung können außerdem stationäre Einbaueinflüsse größer werden.
Warum fällt ein falscher Messeinsatz bei konstanter Temperatur manchmal nicht auf?
Bei ausreichend langer Zeit können sich Schutzrohr und Messeinsatz thermisch annähern. Der größte Unterschied zeigt sich daher häufig im dynamischen Verhalten bei Erwärmung oder Abkühlung.
Kann ein korrekt kalibrierter Pt100 im Schutzrohr trotzdem falsch messen?
Ja. Die Kalibrierung bestätigt in erster Linie das Verhalten des Sensors beziehungsweise der Messkette unter den Kalibrierbedingungen. Ein schlechter Wärmeübergang oder eine falsche Einbausituation im Prozess kann weiterhin zusätzliche Messabweichungen verursachen.
Kann ich einen dünneren Messeinsatz als Ersatz verwenden?
Nur wenn diese Kombination vom Hersteller beziehungsweise für die konkrete Schutzrohrbohrung vorgesehen ist. Ein unnötig großer Ringspalt verschlechtert den Wärmeübergang. Teilweise werden passende Hülsen eingesetzt, um den Messeinsatz an einen größeren Innendurchmesser anzupassen.
Kann eine Hülse den unterschiedlichen Durchmesser ausgleichen?
Bei dafür vorgesehenen Konstruktionen ja. WIKA bietet beispielsweise Messeinsätze mit aufgesetzter Hülse zur Anpassung an bestimmte Schutzrohrinnendurchmesser an. Die Ausführung muss jedoch konstruktiv zur Messstelle passen.
Kann ich Wärmeleitpaste in das Schutzrohr geben?
Nicht beliebig. Ein geeignetes Wärmeübertragungsmedium kann die thermische Kopplung verbessern, muss aber hinsichtlich Temperatur, Materialverträglichkeit, Alterung und späterer Austauschbarkeit ausdrücklich für die Anwendung geeignet sein. Die geometrisch passende Kombination aus Schutzrohr und Messeinsatz sollte die Grundlage bilden.
Kann ich den alten Messeinsatz einfach vermessen und identisch nachbestellen?
Das ist eine hilfreiche Kontrolle, sollte aber möglichst mit den ursprünglichen Geräte- beziehungsweise Schutzrohrdaten abgeglichen werden. War bereits der alte Messeinsatz falsch dimensioniert, würde der Fehler sonst erneut übernommen.
Kann der Messeinsatz während des laufenden Prozesses gewechselt werden?
Bei einem dafür ausgelegten Thermometer mit intaktem und drucktragendem Schutzrohr kann der auswechselbare Messeinsatz häufig entnommen werden, ohne den eigentlichen Prozess zu öffnen. Maßgeblich sind jedoch die Betriebsanleitung und die Sicherheitsbedingungen der konkreten Messstelle.
Gilt das Prinzip auch für Thermoelemente?
Ja. Auch bei auswechselbaren Thermoelement-Messeinsätzen wie dem WIKA TC10-A sorgt die gefederte Ausführung für die vorgesehene Anpressung am Schutzrohrboden.
Wie erkenne ich einen schlechten Wärmeübergang?
Typisch ist insbesondere eine ungewöhnlich langsame Reaktion auf reale Temperaturänderungen. Zur Diagnose sollten Schutzrohr, Messeinsatzlänge, Durchmesser, Federkontakt und elektrische Messkette getrennt überprüft werden.
Was ist wichtiger: Sensorgenauigkeit oder Einbau?
Beides. Eine hochwertige Sensorgenauigkeit kann nur dann im Prozess genutzt werden, wenn die Temperatur des Mediums zuverlässig zum Sensorelement übertragen wird. Bei einer schlecht aufgebauten Messstelle kann der Einbaufehler größer sein als die eigentliche Sensorabweichung.
Welche Angaben benötigt ICS Schneider für einen Ersatz-Messeinsatz?
Hilfreich sind Hersteller und Thermometertyp, Bestellcode beziehungsweise Typenschild, Schutzrohrtyp und -abmessungen, Messeinsatzlänge und -durchmesser, Sensortyp, gewünschte Schaltung, Temperaturbereich, Anschlusskopf beziehungsweise Transmitter sowie gegebenenfalls vorhandene Ex-Zulassungen.