Schnelligkeit vs. Beständigkeit – Der Zielkonflikt bei Leitungsthermoelementen

Bei der Auswahl und Konstruktion von Leitungsthermoelementen stehen Anwender oft vor einem klassischen Zielkonflikt: Messgeschwindigkeit versus Lebensdauer.

Das Grundprinzip

Je kleiner die Masse des Messpunktes, desto schneller reagiert das Thermoelement.

Dünne Drähte und kompakte Messspitzen haben eine geringe Wärmekapazität. Dadurch passt sich das Thermoelement innerhalb kürzester Zeit an Temperaturänderungen an und liefert dynamische Messergebnisse. In Prozessen mit schnellen Temperaturwechseln oder bei sicherheitskritischen Regelungen ist dies ein entscheidender Vorteil.

Doch je dünner die Thermodrähte, desto geringer die Beständigkeit bei hohen Temperaturen.

Bei dauerhafter Belastung über mehrere hundert Grad Celsius nimmt die Oxidation stark zu. Dünne Drähte verbrauchen sich schneller, die Lebensdauer sinkt, und die Gefahr des „Verglühens” steigt. Ebenso „altert” das Thermoelement sehr schnell, sodass die Genauigkeit der Klasse nicht mehr gegeben ist.

Der Unterschied in der Praxis

Typ K, 2×0,08 mm (AWG40)
Teflon | Typ K | 2x 0,08 mm AWG40 | +400°C

• Thermoelement-Paarung: Typ K, Kl. 1
• Isolierung: PFA-Teflon, kurzzeitig bis 300°C
• Betriebstemperatur: -100°C bis + 250°C
• Messstellen-Betriebstemperatur: +400 °C
• Vorteil: Sehr schnelle Reaktion, ideal für dynamische Messungen
• Nachteil: Begrenzte Temperaturbeständigkeit und kürzere Lebensdauer

Typ K, 2×0,5 mm (AWG24)
Glasfaser | Typ K | 2x 0,5 mm AWG24 | 750 °C

• Thermoelement-Paarung: Typ K, Kl. 1
• Isolierung: Glasfaser, kurzzeitig bis 450°C
• Betriebstemperatur: -20°C bis + 350°C
• Messstellen-Betriebstemperatur: +750°C
• Vorteil: Robust, höhere Temperaturbeständigkeit, längere Lebensdauer
• Nachteil: Langsamere Reaktion auf Temperaturänderungen

Warum ist das so?

Reaktionsgeschwindigkeit: Die Reaktionszeit hängt direkt vom Drahtdurchmesser ab. Dünne Drähte haben weniger Masse, die erwärmt werden muss und ein günstigeres Verhältnis von Oberfläche zu Volumen. Dadurch reagiert das 0,08-mm-Thermoelement deutlich schneller als das 0,5-mm-Modell.

Oxidation: Ab etwa 400 °C wird die Oxidation zunehmend kritisch. Dünne Drähte haben weniger Material, das dem Oxidationsprozess standhalten kann und versagen daher bei hohen Temperaturen deutlich früher als dickere Drähte.

Einfluss des Messmediums: Die Reaktionsgeschwindigkeit hängt stark vom Medium ab. In Flüssigkeiten wie Wasser reagieren Thermoelemente deutlich schneller als in Gasen, da die Wärmeübertragung wesentlich effizienter ist. Auch die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums beeinflusst die Reaktionszeit erheblich.

Typische Drahtdurchmesser im Überblick

Ultradünne Drähte (0,08–0,127 mm):

Extrem schnelle Reaktion, ideal für Forschung, Strömungsmessungen und dynamische Prozesse. Lebensdauer bei hohen Temperaturen: Stunden bis wenige Tage.

Dünne Drähte (0,20–0,25 mm):

Guter Kompromiss für industrielle Regelungen und Prozessüberwachung. Lebensdauer bei hohen Temperaturen: Tage bis Wochen.

Standard-Drähte (0,50–0,80 mm):

Robust und langlebig für Dauerbetrieb und wartungsarme Anwendungen. Lebensdauer bei hohen Temperaturen: Wochen bis Monate.

Die richtige Wahl treffen

Wählen Sie dünne Drähte (< 0,20 mm), wenn:

• Schnelle Reaktionszeiten entscheidend sind
• Regelmäßiger Austausch möglich ist
• Temperaturen unter 400 °C liegen
• Einfacher Zugang zum Sensor besteht

Wählen Sie dicke Drähte oder Mantelthermoelemente (≥ 0,5 mm), wenn:

• Dauerbetrieb gefordert ist
• Hohe Temperaturen (> 600 °C) vorliegen
• Wartungsarmer Betrieb wichtig ist
• Mechanische Belastung zu erwarten ist

Lösungsansätze

Geplanter Austausch: Dünne Drähte mit bewusstem, regelmäßigem Wechsel für optimale Messgeschwindigkeit.

Robuste Dauerlösung: Dicke Drähte oder Mantelthermoelemente für lange Lebensdauer.

Hybridlösung: Zwei Thermoelemente parallel – ein schnelles für die Regelung, ein robustes als Referenz.

Fazit

Für schnelle Messungen in dynamischen Prozessen (z. B. in der Strömungs- und Verbrennungstechnik) werden bevorzugt dünne Drähte mit sehr kleinem Messpunkt eingesetzt – oft im Bereich von 0,20 mm oder kleiner.

Für Dauerbetrieb bei hohen Temperaturen empfiehlt sich dagegen eine robustere Ausführung mit größerem Drahtdurchmesser und geschützter Messspitze. Also Mantelthermoelemente.

Die Kunst liegt darin, das Thermoelement an den jeweiligen Einsatzfall anzupassen: Schnelligkeit und Genauigkeit dort, wo sie gebraucht werden – Stabilität und Lebensdauer dort, wo sie entscheidend sind.

Es gibt keine Universallösung. Die richtige Wahl hängt von der spezifischen Anwendung ab.

Fragen Sie daher, wenn Sie unsicher sind, unsere Experten.