Wie wählt man Hochtemperatursensoren mit IP68-Schutz aus?

Warum IP68 allein für Hochtemperatur-Sensoranwendungen nicht ausreicht

Die entscheidende Lücke: IP68 zertifiziert ausschließlich den Schutz vor Eindringen, nicht jedoch den Schutz vor Hitze

IP68-Zertifizierungen bedeuten einen vollständigen Schutz vor Staub und eine vollständige Untertauchung in Wasser, sagen jedoch nichts darüber aus, wie sich die Komponenten bei hohen Temperaturen verhalten. Die meisten Sensoren mit IP68-Zertifizierung sind hervorragend gegen Schmutz und Feuchtigkeit geschützt – bis zu einer Temperatur von etwa 150 Grad Celsius, da ab diesem Punkt verschiedene Materialien beginnen, sich zu zersetzen. Kunststoffe und Dichtungen werden durch hohe Temperaturen zerstört, wodurch kleine Hohlräume und Spalten entstehen, durch die Fremdstoffe eindringen können. Das Problem hierbei ist, dass IP-Tests unter Laborbedingungen durchgeführt werden, wobei die Prüfgeräte nicht erhitzt sind. Dies stellt ein Problem dar, wenn Anwender einen Sensor sehen, der 30 Minuten lang unter Wasser gehalten wurde, und fälschlicherweise annehmen, er würde auch nach extremen Temperaturen über 300 Grad Celsius noch funktionieren. Die Hersteller der Sensoren müssen solche Tests durchführen – und in den meisten Fällen geschieht dies auch. Die Wasserdichtigkeit und der Hitzeschutz sind zwei unterschiedliche, aber gleich wichtig zu berücksichtigende Eigenschaften.

Betriebstemperaturen im realen Einsatz: Warum 200–350 °C über die Leistungsfähigkeit herkömmlicher IP68-Sensoren hinausgehen

IP68-zertifizierte Sensoren stoßen im Alltagsbetrieb rasch an ihre thermischen Grenzen – selbst in industriellen Anwendungsbereichen wie der Metallverarbeitung (250 °C+), chemischen Reaktoren (200–300 °C) und der Energieerzeugung (300–350 °C), die regelmäßig über den Standardbereich IP68-zertifizierter Sensoren hinausgehen. Betrachten Sie die folgenden Temperaturen:

Folgen eines Ausfallrisikos

Verhärtung und Rissbildung der Dichtung; Feuchtigkeitseintritt, der zu Messabweichungen führt

Kondensatbildung im Inneren; Kurzschlüsse sowie Verlust elektrischer Signale

Unterschiedliche Materialausdehnung; Die Struktur ist beeinträchtigt und versagt vor Ablauf der vorgesehenen Lebensdauer

Herkömmliche IP68-Sensoren verlieren unterhalb von 150 °C ihre strukturelle und physikalische Integrität, während Sensoren mit PTFE-Isolierung (Polytetrafluorethylen, allgemein bekannt als Teflon) elektrisch kurzschlussfrei bis zu 260 °C betrieben werden können. Anwendungen, bei denen eine konsistente Sensorleistung über 200 °C hinaus erwartet oder erforderlich ist und bei denen solche Temperaturschwankungen rasch erfolgen, fallen in den Bereich mineralisch isolierter (MI-)Kabel sowie der erforderlichen Verwendung nicht verdampfter oder konventionell metallischer (keramischer) dichter (Anschluss-)Systeme und schaltbarer (Anschluss-)Systeme. Ohne Tests unter diesen extremen Temperaturen sind Angaben zur IP68-Schutzart bedeutungslos, wenn Wärme regelmäßig an Geräte an deren Spezifikationsgrenzen angelegt wird.

Auswahl einer Hochtemperatur-Sensortechnologie für Ihre thermischen und umgebungsbedingten Anwendungen

Entscheidung zwischen Thermoelement und Widerstandsthermometer (RTD)

Die Auswahl der geeigneten Sensortechnologie für Ihre Anforderungen erfordert ein Verständnis mehrerer Kriterien und deren Wechselwirkungen. Zu diesen Kriterien zählen Messbereich, Genauigkeit, Langzeitstabilität sowie die Beständigkeit gegenüber Umgebungsbedingungen. Thermoelemente beispielsweise eignen sich ideal zur Messung hoher Temperaturen, da sie bis zu etwa 2300 Grad Celsius betrieben werden können, schnell auf Temperaturänderungen reagieren und extrem hohe Temperaturen messen können. Allerdings verlieren sie bei Temperaturen über 300 °C typischerweise etwa 1 bis 2 Grad Celsius an Genauigkeit. Im Gegensatz dazu weisen Widerstandsthermometer (RTDs) eine deutlich bessere Langzeitstabilität auf, da sie über lange Zeiträume hinweg innerhalb von ±0,5 Grad Celsius des Sollwerts bleiben können. RTDs haben jedoch typischerweise eine maximale Betriebstemperatur von etwa 600 Grad Celsius, was eine erhebliche Einschränkung darstellt. Daher bevorzugen Branchen wie das Metallschmelzen nach wie vor Thermoelemente, da diese den rauen Bedingungen der Schmelzumgebung standhalten und relativ kostengünstig im Betrieb sind. In Branchen hingegen, in denen präzise Temperaturregelung entscheidend ist – wie beispielsweise in der pharmazeutischen Fertigung – werden zunehmend speziell entwickelte RTDs mit keramischer Beschichtung eingesetzt, um ihre Leistungsfähigkeit zu verbessern. Diese fortschrittlichen RTD-Systeme haben sich als leistungsfähiger erwiesen als herkömmliche Thermoelemente, da sie einer höheren Anzahl wiederholter Heiz- und Kühlzyklen standhalten. Während Standard-Thermoelemente nach etwa 200 thermischen Zyklen bei 350 Grad Celsius erste Anzeichen von Verschleiß zeigen, können hochwertige RTD-Systeme über 500 thermische Zyklen ohne jegliche Leistungsanpassung betrieben werden.

Wichtige Materialien und Konstruktionsaspekte: Keramik-Isolierung, mineralisolierte (MI) Kabel und hermetische Dichtung

Wenn es darum geht, über einen langen Zeitraum unter extrem widrigen Bedingungen Zuverlässigkeit zu gewährleisten, machen drei zentrale Material- und Konstruktionsstrategien einen entscheidenden Unterschied. Keramische Isolierung aus Aluminiumoxid oder Zirkoniumdioxid bietet beispielsweise elektrischen Leckageschutz bis zu 500 Grad Celsius. Polymere hingegen verlieren bei etwa 200 Grad ihre strukturelle Integrität und reißen. Dann gibt es die mineralisch isolierten Kabel mit einem Magnesiumoxidkern. Diese Kabel liefern nahezu unverändert hochwertige Signale, unabhängig davon, ob Vibrationen oder thermische Belastung auftreten. In der Praxis haben sie im Vergleich zu herkömmlichen polymerummantelten Kabeln die Ausfallrate in Überwachungssystemen für Turbinen um fast 40 % gesenkt. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Verwendung von hermetischem Laser-Schweißen zur Abdichtung von Anschlussstellen. Standardfeuchteschutzdichtungen an IP68-Geräten (Ingress Protection) haben sich als weniger wirksam erwiesen, da Feuchtigkeit während einer schnellen Abkühlung in die Dichtflächen eindringt. Sensoren, die diese drei Technologien kombinieren, weisen nach 1.000 Stunden Zyklusbelastung mit Dampf bei 450 Grad Celsius sowie Sprühbelastung mit einer korrosiven Lösung weniger als 0,5 % Drift auf.

Überprüfung der echten IP68-Schutzart sowie der Funktionalität von Hochtemperatursensoren in rauen Umgebungen

Tests jenseits der Datenblätter: Gleichzeitige thermische Wechselbelastung und IP68-Tauchtests

Tests an den Grenzen der Norm und der vom Hersteller behaupteten Leistungsfähigkeit stellen ein Versagensfeld dar, das nur darauf wartet, sich zu manifestieren. Wenn Sie den IP68- und Temperaturwechsel-Ansprüchen des Herstellers glauben und davon ausgehen, dass sie eine ‚sichere‘ Betriebsumgebung gewährleisten – etwa beim Übergang von +200 °C auf +350 °C bei gleichzeitiger Untertauchung des Geräts – könnten Sie sich teure Überraschungen einhandeln. Grundlegende Standardbewertungsverfahren ignorieren dies vollständig; offenbar verstehen die Prüfer zudem nicht, was mit dem Gerät und seinen Materialien geschieht – insbesondere die Ausdehnung und Kontraktion der Werkstoffe infolge von Temperaturwechseln sowie die dabei in den Dichtungen entstehenden mechanischen Spannungen, vor allem an den kritischsten Versagensstellen. Eine Studie aus dem Jahr 2023 zu Ausfällen industrieller Sensoren zeigte, dass ein nicht geprüfter industrieller Sensor ausfiel und die dadurch verursachte Ausfallzeit dem Unternehmen Kosten von rund 740.000 US-Dollar verursachte. Wird das Gerät nicht geprüft, verursacht es weitaus höhere Kosten als jede noch so große Vertrauenswürdigkeit. Vertrauen muss stets durch einen unabhängigen Prüfbericht untermauert werden; andernfalls führt allein das Vertrauen in die Herstellerangaben zu Gewährleistungsansprüchen und zum Einsatz ungeprüfter industrieller Sensoren.

Betrieb für mehr als 50 Temperaturwechselzyklen (z. B. 200 °C – 350 °C in weniger als 5 Minuten)

Isolationswiderstand nach Eintauchen > 100 MΩ bei 500 V Gleichspannung

Nach 168 Stunden Unterwassereinsatz bei einer Tiefe von 1 m keinerlei Anzeichen für Feuchtigkeitseintritt

Rote Flaggen im Zusammenhang mit Temperaturwechsel und Eintauchen

Die Kondensation ist ein Hinweis auf eine Dichtungsstörung (z. B. Bildung von Kondenswasser auf der Innenseite des Gehäuses, da silikonbasierte Materialien bei Temperaturen über 230 °C abbauen). Achten Sie auf diese Warnsignale.

Dichtungsversagen: Verhärtung der O-Ringe und Rissbildung in der Epoxidharzvergussmasse bereits nach nur 10 Zyklen
Messabweichung: Genauigkeitsverlust von mehr als ±1,5 % nach dem Übergang zwischen Hoch- und Tieftemperatur-Eintauchofen

Verzögerte Korrosionskurzschlüsse 72+ Stunden nach dem Eintauchen

Temperaturwechsel beschleunigen insbesondere die Ermüdung von MI-Kabeln ohne hermetische Abschlussausführung. Stellen Sie sicher, dass Ihr Design den Anforderungen der IEC 60529, Abschnitt 14.4 (thermische Beständigkeit), sowie der Schutzart IP68 entspricht, um vorzeitige Austausche zu vermeiden.

Häufig gestellte Fragen

Was bedeutet IP68?

Das bedeutet, dass das Gerät tauchfähig ist und vollständig staubdicht ist. Dennoch garantiert dies keine Funktionsfähigkeit bei erhöhten Temperaturen.

Wie versagen IP68-Sensoren bei hohen Temperaturen?

Standard-IP68-Sensoren: Hohe Temperaturen führen zum Materialabbau, zum Versagen der Dichtungen und zu extremen thermischen Wechselbelastungen.

Was ist bei Hochtemperatur-Sensoren zu berücksichtigen?
Betriebstemperaturbereich, Genauigkeit, Langzeitstabilität sowie der Einsatz keramischer Isolierung und mineralisch isolierter Kabel in rauen Umgebungen.

Welche Methoden können zur Validierung von Hochtemperatur-Sensoren eingesetzt werden?

Zur Validierung der Sensorleistung sollten gleichzeitig thermische Wechselbelastungstests und IP68-Tauchtests durchgeführt werden, um zu zeigen, wie zuverlässig Sensoren unter realen Bedingungen thermisch belastet und eingetaucht werden können.