Mantelfühler im Detail: Mantel-Thermoelement und Mantel-Widerstandsthermometer

Der Mantelfühler ist die vielseitigste Bauform eines Temperaturfühlers. Seinen Namen verdankt er dem (Edelstahl-)Kabel, aus dem er gefertigt ist. Wie genau so ein Mantelfühler aufgebaut ist und welche Vorteile er gegenüber dem Kabelfühler und dem Einschraubfühler hat, erfährst Du hier.

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Mantelfühler Aufbau

Beim Mantelfühler besteht die Messspitze bzw. der Fühler aus einer mineralisolierten Mantelleitung. So eine Mantelleitung ist ein robustes Kabel, bei dem der Außenmantel aus Edelstahl oder einer nickelbasierten, hitzebeständigen Legierung besteht. Im Inneren verlaufen die Leiter fest eingebettet in Magnesiumoxid-Pulver (MgO-Pulver), das als Isolator dient.

Das MgO-Pulver ist hygroskopisch – es ist also wichtig, die Mantelleitung hermetisch zu verschließen. Dazu wird sie auf der Mess-Seite dicht verschweißt. Auf der Anschluss-Seite gibt es im Wesentlichen drei Varianten:

  1. einen klassischen Anschlusskopf
  2. einen direkten Übergang in eine Anschlussleitung
  3. einen Steckverbinder

Bei den Varianten 2 und 3 ist die dichteste und robusteste Lösung eine Kunststoff-Umspritzung. Dabei spritzt der Hersteller entweder einen dichten Übergang in ein konventionelles Anschlusskabel oder einen Steckverbinder aufs Ende der Mantelleitung. Für Hochtemperatur-Anwendungen kommt stattdessen eine Edelstahlhülse zum Einsatz.

Die Mantelleitung selbst ist trotz ihrer mechanischen Robustheit übrigens biegsam.

Soviel zum grundsätzlichen Aufbau. Im Detail unterscheiden wir dann zwischen dem Mantel-Widerstandsthermometer und dem Mantel-Thermoelement. Beide schauen wir uns jetzt nacheinander an.

Mantelwiderstandsthermometer

Beim Mantelwiderstandsthermometer ist das Herz des Fühlers ein Messwiderstand. Das kann je nach Anwendung ein Pt100, ein Pt1000, ein NTC oder ein PTC sein. Beispielhaft schauen wir uns hier einen Pt100 mit 2-Leiter-Schaltung und 3 mm Durchmesser an.

Wegen der Abmessungen des Messwiderstands sind geringere Durchmesser als 1 mm aktuell kaum möglich. Wenn das ein Problem für Dich ist, kommt hier die Lösung: das Mantelthermoelement.

Mantelthermoelemente

Das Mantelthermoelement ist, wie der Name schon verrät, ein Thermoelement. Da es ohne einen Messwiderstand auskommt, sind hier noch deutlich geringere Durchmesser von bis zu 0,15 mm möglich. Bei so kleinen Durchmessern sprechen wir dann von einem Miniatur-Mantelthermoelement. Und so sieht ein Mantelthermoelement im Detail aus:

Mantelfühler: Vorteile

Temperaturbeständigkeit

Der mineralisolierte Mantelfühler hat gegenüber dem Kabelfühler und dem Einschraubfühler einige Vorteile. Du kannst ihn beispielsweise bei deutlich extremeren Temperaturen einsetzen. Der Messbereich hängt von Durchmesser und Messelement ab, aber grundsätzlich ist zwischen -200 und +1.100 °C alles möglich.

Du solltest dabei lediglich darauf achten, dass der Stecker bzw. Kabelübergang nur moderate Temperaturen verträgt. Nimm bei extremer Hitze also einen ausreichend langen Mantelfühler, sodass das Kunststoffteil in einem kühleren Bereich ist. Behalte dabei im Auge, dass auch die Mantelleitung selbst eine Wärmebrücke zwischen Fühlerspitze und Anschluss-Seite bildet. Beim Mantelfühler gilt: je heißer die Fühlerspitze wird, desto länger sollte der Fühler sein.

Mantelfühler sind biegsam

Der Mantelfühler verbindet die Robustheit und Temperaturbeständigkeit des Außenmantels mit der Biegsamkeit eines Kabels. Das ist in den verschiedensten Einbausituationen von Vorteil. Der Fantasie sind hier wenige Grenzen gesetzt, wobei Du Dich natürlich an die Angaben des Herstellers (Biegeradius in Abhängigkeit vom Durchmesser) halten solltest.

Wasserdicht, druckbeständig, vibrationsfest

An der Fühlerspitze ist der Mantelfühler dicht verschweißt, sodass keinerlei Feuchtigkeit eindringen kann. Mantelfühler mit angespritztem Anschluss (wie oben erläutert) sind auch auf der Anschlussseite wasserdicht, sodass auch Kondensation und Eisbildung ihnen nichts anhaben können. Der robuste Aufbau mit dem metallischen Außenmantel und dem dicht gepressten MgO-Pulver gewährleisten außerdem eine hohe Druck- und Vibrationsfestigkeit.

Kompaktheit, integrierbare Elektronik

Mantelfühler mit angespritzter Anschluss-Seite sind gegenüber ihren Pendants mit klassischem Anschlusskopf sehr kompakt. Es ist sogar easy möglich, auf der Anschlussseite Elektronik zu integrieren. So wird aus einem Mantelfühler schnell ein Temperaturfühler mit integriertem Messumformer oder Bus-Anschluss.

Universell einsetzbar

Mantelfühler sind sowas wie die eierlegende Wollmilchsau unter den Temperaturfühlern. Du kannst sie sehr unterschiedlich einsetzen. Ein paar Beispiele:

  • mit angelötetem Fitting wird ein Mantelfühler zu einem Einschraubfühler
  • mit einer Quetschverschraubung kannst Du ihn als Kanalfühler bzw. Tauchfühler verwenden
  • mithilfe eines Adapters verwandelst Du ihn in einen Oberflächen-Anlegefühler.

Mantelfühler: Anwendungen

Du siehst: Mantelfühler sind ziemlich vielseitig. Daher kommen sie auch in ganz verschiedenen Anwendungen zum Einsatz. Hier einige Beispiele ohne Anspruch auf Vollständigkeit:

  • in der Kältetechnik und Wärmetechnik
  • in chemischen Prozessen zur Überwachung von Reaktionstemperaturen
  • im Maschinenbau zur Überwachung von Öltemperaturen, Lagertemperaturen, Abgastemperaturen, etc.
  • in der Spritzgusstechnik zur Überwachung von Werkzeugtemperaturen, Heißkanaltemperaturen, etc.
  • in der Gieß- und Härtetechnik (Glas, Metall)

Ob für Deine Anwendung ein Mantelwiderstandsthermometer oder ein Mantelthermoelement die bessere Wahl ist, hängt vom Temperaturbereich und Deinen Genauigkeitsanforderungen ab. Widerstandsthermometer gelten als genauer und langzeitstabiler. Thermoelemente sprechen dafür schneller an und vertragen höhere Temperaturen. Als Faustregel kannst Du Dir merken, dass ab etwa 500 °C aufwärts meist Thermoelemente zum Einsatz kommen.

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