Temperaturmessung in der Industrie: Sensoren, Verfahren und Normen

Das Wichtigste auf einen Blick

Messverfahren und Messprinzipien im Vergleich

Alle industriellen Temperaturmessverfahren übersetzen eine Temperatur in ein auswertbares Signal. Drei Verfahren decken den größten Teil der Messstellen in Chemie, Lebensmittelproduktion und Metallurgie ab: Widerstandsthermometer, Thermoelemente und Strahlungsthermometer.

Beim Widerstandsthermometer steigt der elektrische Widerstand eines Platin-Messelements mit der Temperatur an. Das Signal ist groß und stabil, die Kennlinie über weite Bereiche nahezu linear. Unterhalb von 600 °C ist dieses Verfahren deshalb die genaueste Standardlösung.

Beim Thermoelement sind zwei Drähte aus unterschiedlichen Legierungen an der Messspitze verschweißt. Diese Kontaktstelle liefert eine Spannung, die von der Temperaturdifferenz zwischen Messstelle und Vergleichsstelle abhängt. Der Aufbau ist einfach, die Spannung liegt nur im Millivoltbereich.

Strahlungsthermometer erfassen die Infrarotstrahlung eines Objekts und rechnen sie über den Emissionsgrad in eine Temperatur um. Sie berühren das Medium nicht und messen in Millisekunden. Typische Aufgaben sind bewegte, sehr heiße oder schwer zugängliche Objekte.

Vor der Auswahl steht eine feste Reihenfolge:

Wer diese Reihenfolge einhält, erhält aus einer Prozessanforderung eine vollständige Spezifikation der Messstelle. Die Normen setzen dabei die Grenzen, innerhalb derer ein Sensor überhaupt lieferbar ist.

Widerstandsthermometer nach DIN EN 60751

Ein Pt100 hat bei 0 °C einen Nennwiderstand von 100 Ω, ein Pt1000 von 1000 Ω. Der mittlere Temperaturkoeffizient von Platin beträgt 3850 ppm pro Kelvin. Bei 100 °C zeigt ein Pt100 etwa 138,51 Ω, das entspricht 0,385 Ω pro Kelvin.

DIN EN 60751 legt Kennlinie und Toleranzklassen fest. Die Grenzwerte folgen der Formel ±(a + b · |t|). Für Klasse AA gilt a = 0,10 °C und b = 0,0017, für Klasse A a = 0,15 °C und b = 0,002, für Klasse B a = 0,30 °C und b = 0,0047.

Bei 100 °C bedeutet das 0,27 °C für Klasse AA, 0,35 °C für Klasse A und 0,77 °C für Klasse B. Die Klassen gelten nur in definierten Fenstern: Klasse AA von -50 bis +250 °C, Klasse A von -100 bis +450 °C, Klasse B von -196 bis +600 °C. Außerhalb dieser Bereiche muss der Anwender den Fehler über die Formel selbst berechnen.

Drei Bauformen dominieren. Dünnschichtsensoren auf Keramiksubstrat sind klein und schnell, ihr Preis ist niedrig. Drahtgewickelte Sensoren in Glas oder Keramik halten Temperaturwechsel besser aus. Mineralisolierte Mantelthermometer mit Edelstahlhülse sind biegsam und druckfest.

Ein Pt1000 liefert bei gleichem Temperaturkoeffizienten den zehnfachen Widerstand. Kurze Zuleitungen in Zweileiterschaltung fallen damit weniger stark ins Gewicht.

Die Anschlussschaltung bestimmt die Genauigkeit mit. In Zweileiterschaltung addiert sich der Leitungswiderstand zum Messwert, denn 0,385 Ω entsprechen bei einem Pt100 rund 1 K. Dreileiter kompensiert diesen Anteil, solange beide Adern gleich lang und gleich warm sind. Vierleiter liefert das beste Ergebnis und ist in Kalibrierlaboren Standard.

Der Messstrom erwärmt den Sensor. Diese Eigenerwärmung fällt in Luft deutlich stärker aus als in Wasser. Wer sehr genau messen muss, senkt den Messstrom und prüft die im Datenblatt angegebene zulässige Verlustleistung.

Die Ansprechzeit hängt vor allem am Schutzrohr. Ein Mantelthermometer mit 3 mm Durchmesser reagiert in Sekunden, ein dickwandiges Schutzrohr mit 12 mm Durchmesser braucht deutlich länger. Als Faustregel für die Eintauchtiefe gelten das Zehnfache des Rohrdurchmessers in Flüssigkeiten und das Fünfzehnfache in Gasen.

Thermoelemente nach DIN EN 60584

Ein Thermoelement vom Typ K liefert bei 100 °C etwa 4,096 mV, die Steilheit beträgt rund 41 µV pro Kelvin. Solche Spannungen sind empfindlich gegen Einstreuungen. Verdrillte, geschirmte Leitungen und ein Transmitter am Anschlusskopf sind deshalb Standard.

• Typ N: -200 bis +1200 °C, altert bei hohen Temperaturen langsamer als Typ K.

Die Toleranzen regelt die Normenreihe DIN EN 60584. Typ K der Klasse 1 erlaubt von -40 bis +375 °C eine Abweichung von 1,5 °C, darüber gilt 0,004 · |t|. Klasse 2 erlaubt 2,5 °C, darüber 0,0075 · |t|. Bei den Edelmetalltypen liegt Klasse 1 bei 1,0 °C.

Ein Thermoelement misst immer eine Temperaturdifferenz. Ohne Kaltstellenkompensation verschiebt sich das Ergebnis um die Umgebungstemperatur der Klemmen. Die Vergleichsstelle sitzt im Anschlusskopf, im Transmitter oder in einer externen Einheit.

Ausgleichsleitungen nach DIN EN 60584-3 müssen zu Typ und Polarität passen. Vertauschte Adern kehren das Vorzeichen um und verfälschen das Ergebnis um den doppelten Betrag der Temperaturdifferenz.

Auch die Bauform der Messspitze bestimmt das Verhalten. Eine freiliegende Spitze reagiert am schnellsten, ist aber korrosionsempfindlich. Eine geerdete Spitze ist robust und schnell. Eine isolierte, ungeerdete Spitze trennt den Messkreis galvanisch, reagiert dafür langsamer.

Im Dauerbetrieb über 800 °C neigt Typ K zur Oxidation, weil Chrom aus dem positiven Schenkel austritt. Der Fehler wächst schleichend und bleibt in der Anzeige lange unauffällig. Wer in diesem Bereich arbeitet, kalibriert regelmäßig oder wechselt auf Typ N.

Strahlungsthermometer: berührungslos messen

Strahlungsthermometer, häufig Pyrometer genannt, erfassen die Wärmestrahlung eines Objekts. Sie messen schnell, greifen nicht in den Prozess ein und erschließen sehr hohe Temperaturen.

Die Wellenlänge richtet sich nach der Aufgabe. Für Metalle bei hohen Temperaturen werden kurze Wellenlängen von 0,8 bis 1,1 µm genutzt. Für niedrige Temperaturen sowie Papier, Kunststoff und Glas arbeiten die Geräte bei 8 bis 14 µm.

Der Emissionsgrad ist die größte Fehlerquelle. Metalle liegen zwischen 0,1 und 0,4, Keramik, Papier und organische Stoffe zwischen 0,8 und 0,95. Beispielrechnung: Bei 1 µm Wellenlänge und 700 °C ergibt ein angesetzter Emissionsgrad von 0,80 statt 0,85 eine Anzeige, die rund 4 K zu hoch liegt.

Quotientenpyrometer messen bei zwei Wellenlängen und verringern den Einfluss des Emissionsgrads, solange beide Wellenlängen ähnlich stark abgeschwächt werden. Sie helfen bei staubigen oder teilweise verdeckten Sichtfeldern.

Das Sichtfeld muss stimmen. Der Messfleck muss vollständig vom Objekt gefüllt sein, sonst erfasst das Gerät Hintergrundstrahlung. Das Verhältnis von Messabstand zu Messfleck steht als D:S-Verhältnis im Datenblatt.

Störend wirken Staub, Rauch, Dampf und verschmutzte Sichtfenster. Faseroptische Ausführungen umgehen enge Einbausituationen und starke elektromagnetische Felder, etwa bei der Induktionserwärmung. Die Richtlinie VDI/VDE 3511 Blatt 4 behandelt die Strahlungsthermometrie und ihre Grenzen.

Genauigkeitsklassen und Messbereiche im Überblick

Die Toleranzklasse ist nicht die Messunsicherheit der Messstelle. Zum Gesamtfehler tragen Transmitter, Leitungslänge, Referenzstelle, Drift, Eigenerwärmung und Wärmeableitung über das Schutzrohr bei. Diese Anteile lassen sich nur bewerten, wenn die Messkette als Ganzes betrachtet wird.

Mit Sensor-Matching, bei dem die Prüfdaten des Fühlers im Transmitter hinterlegt werden, sinkt der Fehler deutlich. Hersteller nennen für gematchte Kombinationen aus Pt100 der Klasse A und Feldtransmitter Werte um 0,1 °C.

In der Praxis entsteht der größte Fehler häufig beim Einbau. Eine zu kurze Eintauchtiefe oder ein schlecht isoliertes Schutzrohr führt über Wärmeableitung zu einer zu niedrigen Anzeige.

Temperaturtransmitter von Endress+Hauser, WIKA, JUMO, Siemens und Emerson

Kopftransmitter sitzen im Anschlusskopf und wandeln das Sensorsignal in 4-20 mA oder ein Feldbussignal. Sie linearisieren, kompensieren die Kaltstelle und melden Drahtbruch, Kurzschluss oder Sensorfehler. Ihre Umgebungstemperatur ist begrenzt, üblich sind 85 °C, weshalb heiße Anlagen eine getrennte Montage erfordern.

Hutschienen-Transmitter arbeiten im Schaltschrank und eignen sich für Anlagen mit vielen Messstellen. Feldtransmitter bieten zusätzlich Anzeige und Bedienung vor Ort. Als Signalwege stehen 4-20 mA mit HART, PROFIBUS PA, Foundation Fieldbus, IO-Link und WirelessHART zur Verfügung.

Viele Transmitter sind für Sicherheitsfunktionen bis SIL 2 oder SIL 3 nach IEC 61508 bewertet. Werden sie in eine Schutzeinrichtung eingebunden, sind zusätzlich Fehleraufdeckung, Diagnosedeckungsgrad und Prüfintervall zu dokumentieren.

Endress+Hauser führt die Baureihe iTHERM, darunter das modulare Widerstandsthermometer TM411 und den Kopftransmitter iTEMP TMT82. Das iTHERM TrustSens TM371 arbeitet mit einer integrierten Referenz und überwacht die eigene Kalibrierung während des Betriebs.

WIKA bietet Widerstandsthermometer des Typs TR10, Thermoelemente des Typs TC10 und den Kopftransmitter T32 an. Das Unternehmen betreibt ein eigenes DAkkS-akkreditiertes Kalibrierlabor für Temperaturmessgeräte.

JUMO liefert mit dTRANS T06 einen Kopftransmitter und mit der Reihe safetyM STB/STW Sicherheitstemperaturbegrenzer für thermische Anlagen. Siemens kombiniert die Sensoren SITRANS TS100, TS200 und TS500 mit den Kopftransmittern TH320 und TH420 sowie den Schienenmessumformern TR320 und TR420.

Emerson setzt auf die Rosemount-Familie mit den Feldtransmittern 3144P und 644, dem Mehrkanalgerät 848T und der X-well-Technologie, die ohne Schutzrohr durch die Rohrwand misst. Über die Temperaturmesstechnik hinaus umfasst das Portfolio die Durchflussmessung mit Coriolis- und Ultraschallgeräten.

Kalibrierung: Rückführung auf PTB und DAkkS in fünf Schritten

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) realisiert in Deutschland die Internationale Temperaturskala ITS-90. Sie stützt sich auf Fixpunkte wie den Wasserdreifachpunkt bei 0,01 °C, den Galliumschmelzpunkt bei 29,7646 °C, den Zinnpunkt bei 231,928 °C und den Zinkpunkt bei 419,527 °C. Diese Fixpunkte legen die Temperatureinheit Kelvin fest.

Industrielle Kalibrierungen erfolgen meist in DAkkS-akkreditierten Laboren nach DIN EN ISO/IEC 17025. Der DAkkS-Kalibrierschein weist Ergebnis, Messunsicherheit und die Rückführung auf die PTB aus. Für die Dokumentation gibt es Software für Kalibrier-Management und mobile Kalibratoren, wie sie etwa Beamex anbietet.

Vor der Kalibrierung sollte die Messstelle ausgebaut, gereinigt und auf mechanische Schäden geprüft werden. Ein verschmutztes oder verbogenes Schutzrohr verfälscht das Ergebnis stärker als die Unsicherheit des Normals.

Einsatzgrenzen in Chemie, Lebensmittelproduktion und Metallurgie

In der Chemie bestimmen Korrosion, Druck und Explosionsschutz die Auswahl. Schutzrohre aus Edelstahl 316L, Hastelloy oder Titan halten aggressiven Medien stand. Standardausführungen sind je nach Wandstärke für Drücke bis etwa 100 bar ausgelegt.

In explosionsgefährdeten Bereichen gelten Zonen und Temperaturklassen. Die Richtlinie 2014/34/EU regelt das Inverkehrbringen der Geräte, in Deutschland umgesetzt über die Elfte Verordnung zum Produktsicherheitsgesetz. Eine eigensichere Ausführung trägt eine vollständige Kennzeichnung, etwa II 2G Ex ia IIC T6 Gb.

Entscheidend ist die Temperaturklasse. Die Oberfläche des Sensors darf die Zündtemperatur der Atmosphäre nicht erreichen. T6 erlaubt höchstens 85 °C Oberflächentemperatur, T3 höchstens 200 °C. Bei beheizten Anlagen begrenzt diese Vorgabe oft die zulässige Medientemperatur.

In der Lebensmittelproduktion zählen hygienegerechtes Design, leicht reinigbare Oberflächen und lebensmittelkonforme Werkstoffe. Üblich sind Rauheiten bis 0,8 µm, Dichtungen aus EPDM oder FKM und Prozessanschlüsse ohne Toträume. Die Reinigung mit CIP und SIP erreicht Medientemperaturen bis etwa 140 °C, die der Sensor dauerhaft aushalten muss.

In der Metallurgie treffen hohe Temperaturen, Vibration und aggressive Atmosphären zusammen. Für Schmelzen und Öfen kommen Edelmetall-Thermoelemente der Typen S, R und B zum Einsatz, oberhalb von 1500 °C auch Wolfram-Rhenium-Typen in Schutzrohren aus Aluminiumoxid oder Zirkonoxid.

Für Walzgut, Schlacke und Induktionserwärmung sind Strahlungsthermometer oft die einzige praktikable Lösung, weil Fühler im Material verschleißen oder die Messung verfälschen. Entscheidend sind ein freies Sichtfeld, ein sauberes Fenster und ein belastbarer Emissionsgrad.

Normen und Prüfpflichten im Betrieb

Die Auslegung stützt sich auf die Richtlinienreihe VDI/VDE 3511. Blatt 1 behandelt Grundlagen und Begriffe, Blatt 2 die Berührungsthermometer, Blatt 4 die Strahlungsthermometrie. Für den Einbau ist DIN 43772 zur Dimensionierung von Metall-Schutzrohren maßgeblich, ergänzt durch Herstellerangaben zu Druck und Strömung.

Dazu kommen die Produktnormen DIN EN 60751 für Widerstandsthermometer und DIN EN 60584 für Thermoelemente samt Ausgleichsleitungen. Temperaturregler und Temperaturbegrenzer in Wärmeerzeugungsanlagen fallen unter DIN EN 14597. Kalibrierlaboratorien arbeiten nach DIN EN ISO/IEC 17025, die Personal, Normale, Räume und Rückführung beschreibt.

Für den Betrieb ist das Mess- und Eichgesetz (MessEG) maßgeblich. Es regelt, welche Messgeräte im geschäftlichen Verkehr verwendet und geeicht werden dürfen. Eine reine Prozessmessung fällt nicht darunter.

Anders sieht es aus, wenn Temperaturwerte in eine Abrechnung einfließen. Als Bestandteil einer Wärmemengenmessung unterliegen die Sensoren den Anforderungen des MessEG mit Konformitätsbewertung und Eichung.

An druckführenden Anlagen gilt zusätzlich die Betriebssicherheitsverordnung. Sie fordert Prüfungen vor Inbetriebnahme und wiederkehrende Prüfungen, die auch Mess- und Schutzeinrichtungen einschließen. Temperaturmessstellen an drucktragenden Bauteilen sind Teil dieser Prüfpflichten. Für Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen kommt die Prüfung der Zündschutzart hinzu.

Häufige Fragen

Welche Toleranzklasse reicht für meine Messstelle?

Ausgangspunkt ist die zulässige Prozessabweichung, nicht das Datenblatt. Als Faustregel sollte die Messunsicherheit der Messstelle höchstens ein Viertel der zulässigen Abweichung betragen. Klasse A deckt die meisten Fälle ab, Klasse AA ist auf -50 bis +250 °C begrenzt.

Wann ist ein Thermoelement die bessere Wahl als ein Pt100?

Ab etwa 600 °C, bei sehr kurzen Ansprechzeiten, bei starker Vibration oder in sehr engen Einbauräumen. Für Genauigkeit und tiefe Temperaturen bleibt das Widerstandsthermometer die erste Wahl.

Wie oft muss eine Temperaturmessstelle kalibriert werden?

Üblich sind Intervalle zwischen sechs und 24 Monaten. Ein Startintervall wird dokumentiert festgelegt und nach den ersten Prüfungen anhand der Drift angepasst. Selbst überwachende Sensoren mit integrierter Referenz liefern Hinweise zwischen den Intervallen.

Woran erkennt man einen Sensor für explosionsgefährdete Bereiche?

An der vollständigen Kennzeichnung nach Richtlinie 2014/34/EU mit Gerätegruppe, Kategorie, Zündschutzart und Temperaturklasse. Dazu gehören Baumusterprüfbescheinigung und Herstellerdokumentation. Ein Standardfühler ohne Zulassung darf in Zone 1 nicht betrieben werden.

Was bedeutet Rückführbarkeit auf die PTB?

Jeder Messwert wird über eine lückenlose Kalibrierkette auf die Primärnormale der PTB bezogen. Grundlage ist die Internationale Temperaturskala ITS-90 mit Fixpunkten wie dem Wasserdreifachpunkt bei 0,01 °C. Ein DAkkS-Kalibrierschein weist Rückführung, Ergebnis und Messunsicherheit aus.