Mantelthermoelemente – was ist das?

Ein Thermoelement ist ein thermoelektrischer Temperatursensor. Es besteht aus zwei Leitern unterschiedlicher Metalle, die an einem Ende miteinander verbunden sind. Diese Verbindungsstelle wird als Messstelle bezeichnet und dient zur Erfassung der Temperatur.

Mantelthermoelemente unterscheiden sich von herkömmlichen Thermoelementen vor allem durch ihren kompakten und robusten Aufbau. Sie lassen sich innerhalb eines definierten Mindestbiegeradius biegen und eignen sich dadurch besonders für schwer zugängliche Messstellen.

Bei Mantelthermoelementen ist das Thermopaar in hochverdichtetes, elektrisch isolierendes Keramikpulver eingebettet. Dieses schützt die Messstelle mechanisch und trägt zur chemischen Beständigkeit des Sensors bei. Je nach Ausführung und verwendetem Mantelmaterial können Mantelthermoelemente auch bei Temperaturen über 1500 °C eingesetzt werden.

Mantelthermoelement – Aufbau

Ein Mantelthermoelement besteht im Wesentlichen aus vier Komponenten:

• Thermoelementdrähten: Zwei Drähte aus unterschiedlichen Metallen oder Legierungen, die an einem Ende miteinander verbunden sind und bei Erwärmung eine Spannung erzeugen.
• Mantel: Ein Metallmantel, der die Drähte vor schädlichen Umwelteinflüssen schützt und die Wärme an die Drähte überträgt.
• Isolierung: Ein Material, das die Drähte voneinander und vom Mantel trennt. So wird ein direkter Kontakt verhindert, der die Messung beeinträchtigen könnte.
• Kaltstelle: Das Ende des Thermoelements, das mit dem Messgerät verbunden ist und als Referenzpunkt für die Temperaturberechnung dient.

Mantel des Thermoelements

Der Durchmesser des Mantels bestimmt die Flexibilität und Festigkeit des Thermoelements. Er kann zwischen 0,5 und 8,0 mm variieren. Ein kleinerer Durchmesser bietet eine höhere Flexibilität, was in engen Räumen von Vorteil ist. Ein größerer Durchmesser erhöht dagegen die mechanische Festigkeit und Vibrationsbeständigkeit. Bei der Wahl des Manteldurchmessers muss daher ein Kompromiss zwischen diesen Eigenschaften gefunden werden.

Auch das Material des Mantels spielt eine wichtige Rolle für die Beständigkeit gegenüber hohen Temperaturen und Korrosion. Mantelthermoelemente mit einem Mantel aus Inconel 600, einer Nickel-Chrom-Eisen Legierung, sind korrosionsbeständig und für hohe Temperaturen geeignet. Darüber hinaus können sie je nach Einsatzbedingungen gegenüber Chloriden und Ammoniak beständig sein. Mantelthermoelemente aus Edelstahl 316 sind wiederum beständig gegenüber vielen aggressiven Medien und Dämpfen.

Die Wahl des geeigneten Durchmessers und Mantelmaterials hängt von den spezifischen Anforderungen der Anwendung ab, zum Beispiel von Korrosionsbeständigkeit, mechanischer Festigkeit oder Flexibilität.

Mantelthermoelemente – Vorteile

Mantelthermoelemente zeichnen sich durch folgende Merkmale aus:

• Einbettung in Keramikpulver: Die Thermodrähte sind in dicht gepacktes Keramikpulver eingebettet. Das erhöht die Stabilität und unterstützt eine zuverlässige elektrische Isolierung.
• Hohe Temperaturbeständigkeit: Durch geeignete Leiter- und Mantelwerkstoffe können Mantelthermoelemente auch in Umgebungen mit Temperaturen über 1.000 °C eingesetzt werden.
• Flexibilität und dünne Bauweise: Aufgrund ihrer Konstruktion können Mantelthermoelemente sehr dünn und flexibel ausgeführt werden. Dadurch eignen sie sich besonders für schwer zugängliche Messstellen. Je nach Ausführung sind sehr kleine Durchmesser möglich, ohne die Funktion des Sensors zu beeinträchtigen.
• Feuchtigkeitsbeständigkeit: Mantelthermoelemente sind fest verschweißt. Dadurch wird verhindert, dass Feuchtigkeit eindringt und die Messung beeinflusst.
• Stoß- und Vibrationsfestigkeit: Der Metallmantel und das mineralisolierte Kabel schützen die Leitungen vor Stößen und Vibrationen. So sind Mantelthermoelemente besonders widerstandsfähig gegenüber mechanischer Beanspruchung.
• Beständigkeit gegen Korrosion und aggressive Medien: Edelstahl 316 bietet eine gute Beständigkeit gegenüber vielen aggressiven Chemikalien, Dämpfen und Rauchgasen. Legierung 600 eignet sich besonders für Anwendungen bei hohen Temperaturen und kann je nach Einsatzbedingungen eine gute Beständigkeit gegenüber chlorhaltigen Medien, Chlorwasserstoff oder Ammoniak in wässrigen Lösungen bieten.
• Schnelle Reaktion auf Temperaturänderungen: Durch ihren kompakten Aufbau reagieren Mantelthermoelemente schnell auf Temperaturänderungen und ermöglichen eine dynamische Temperaturmessung.

Mantelthermoelemente – Typen

Mantelthermoelemente sind in verschiedenen Typen erhältlich und eignen sich damit für unterschiedliche Anwendungen und Betriebsbedingungen.

• Typ J (Fe-CuNi): Mantelthermoelemente vom Typ J werden in Vakuum sowie in oxidierenden, reduzierenden und inerten Atmosphären eingesetzt. Sie werden in der Regel zur Messung von Temperaturen bis zu 750 °C verwendet, bei Ausführungen mit dickeren Leitern gemäß ASTM E230 bis zu 760 °C.
• Typ K (NiCr-NiAl): Thermoelemente vom Typ K zählen zu den am häufigsten eingesetzten Varianten. Sie sind für oxidierende und inerte Atmosphären geeignet und können gemäß ASTM E230 Temperaturen bis zu 1.200 °C messen, bei Ausführungen mit dickeren Leitern bis zu 1.260 °C.
• Typ N (NiCrSi-NiSi): Typ N ist für oxidierende, inerte oder trockene reduzierende Atmosphären vorgesehen. Er kann Temperaturen bis zu 1.200 °C messen, gemäß ASTM E230 bis zu 1.260 °C. Dieser Typ zeichnet sich durch eine gute Stabilität bei Hochtemperaturmessungen aus. Temperaturbereich und Thermospannung sind nahezu vergleichbar mit Typ K. Typ N wird vor allem in Anwendungen eingesetzt, bei denen eine längere Lebensdauer und hohe Stabilität gefragt sind.
• Typ E (NiCr-CuNi): Typ E ist für oxidierende und inerte Atmosphären ausgelegt. Er misst Temperaturen bis zu 900 °C, bei Ausführungen mit dickeren Leitern gemäß ASTM E230 bis zu 870 °C.
• Typ T (Cu-CuNi): Typ T eignet sich besonders für niedrige Temperaturen und kann bis zu 350 °C messen, gemäß ASTM E230 bis zu 370 °C. Er kann in oxidierenden, reduzierenden und inerten Atmosphären eingesetzt werden und weist eine gute Korrosionsbeständigkeit in feuchten Atmosphären auf.
• Typen R, S und B: Thermoelemente der Typen R, S und B sind ebenfalls in Ausführungen mit mineralisoliertem Kabel erhältlich. Temperaturbereich, Genauigkeitsklasse und Abmessungen dieser Edelmetall-Thermoelemente sollten je nach Anwendung individuell festgelegt werden.

Mantelthermoelemente – Anwendungen

Aufgrund ihrer mechanischen Festigkeit, Flexibilität und ihres breiten Temperaturbereichs werden Mantelthermoelemente in vielen Branchen eingesetzt, in denen eine präzise Temperaturüberwachung erforderlich ist. Sie sind häufig Bestandteil eines Temperaturmesssystems und unterstützen die zuverlässige Überwachung und Regelung industrieller Prozesse.

In der chemischen Industrie werden Mantelthermoelemente beispielsweise zur Temperaturregelung in Prozessen eingesetzt, die für die Qualität des Endprodukts entscheidend sind. In der Lebensmittel- und Getränkeindustrie helfen sie dabei, geeignete Bedingungen für die Lagerung und Verarbeitung von Lebensmitteln sicherzustellen.

Auch in der Luft- und Raumfahrtindustrie kommen Mantelthermoelemente zum Einsatz, da genaue Temperaturmessungen dort für die Betriebssicherheit wichtig sein können. Durch ihre Beständigkeit gegen Vibrationen und Temperaturschocks eignen sie sich gut für solche anspruchsvollen Anwendungen.

In der Energie- und Metallurgiebranche werden Mantelthermoelemente zur Temperaturüberwachung unter hohen Druck- und Temperaturbedingungen eingesetzt.

Vergleich der Messpunkte bei Mantelthermoelementen

Bei Mantelthermoelementen gibt es zwei Arten von Messstellen: isolierte bzw. ungeerdete Messstellen und geerdete Messstellen.

Bei einer isolierten Messstelle besteht keine direkte elektrische Verbindung zwischen der Messstelle und dem Außenmantel des Sensors. Diese Ausführung wird auch als ungeerdet bezeichnet. Sie ist die Standardausführung und wird vor allem in leitfähigen Medien oder dann eingesetzt, wenn der Messkreis elektrisch isoliert sein soll.

Bei einer geerdeten Messstelle ist die Messstelle direkt mit dem Außenmantel des Sensors verbunden. Dadurch reagiert das Mantelthermoelement deutlich schneller auf Temperaturänderungen. Gleichzeitig kann diese Ausführung jedoch anfälliger für elektrische Signalstörungen sein.

Mantelthermoelemente – Zusammenfassung

Mantelthermoelemente ermöglichen präzise Temperaturmessungen auch in rauen Industrieumgebungen. Sie zeichnen sich durch hohe Temperaturbeständigkeit, mechanische Belastbarkeit, Stoßfestigkeit und Flexibilität aus. Häufig werden sie unter anderem in Härteöfen sowie beim Glühen von Maschinenkomponenten eingesetzt.

Die Auswahl des passenden Mantelthermoelements hängt von den Anforderungen der Anwendung ab – etwa von Betriebstemperatur, Atmosphäre, mechanischen Bedingungen und gewünschter Messgenauigkeit. Auch die Wahl zwischen isolierter und geerdeter Messstelle ist wichtig, da sie die Reaktionszeit und die Störanfälligkeit des Sensors beeinflusst.

Kontaktieren Sie uns gerne, wenn Sie Unterstützung bei der Auswahl des passenden Temperatursensors benötigen.