Temperaturmessung mit Thermoelementen

Einleitung

Wussten Sie, dass die Temperatur die AM HÄUFIGSTEN gemessene physikalische Größe ist? Die Kenntnis der Temperatur ist ein entscheidender Faktor für das korrekte Funktionieren aller Dinge, vom menschlichen Körper bis hin zu einem Automotor, und allem, was dazwischen liegt. 

Für eine schier unendliche Anzahl von Zwecken ist es erforderlich, die Temperatur irgendwelcher Objekte zu kennen. Oft zeigt die Temperatur auch an, dass etwas nicht in Ordnung ist: So können Sie zum Beispiel Fieber haben, die Bremsbeläge Ihres Autos kurz vor dem Versagen stehen oder Kraftwerksturbinen heiß laufen. Sie werden verstehen, was wir meinen. 

Temperaturen werden mit einer oder mehreren Arten von Temperatursensoren gemessen. Auf dem Markt sind heute diverse solche Sensoren erhältlich:

• Thermoelemente

• Widerstandsthermometer (RTD)

• Thermistoren

• Infrarot-Thermometer

Was ist ein Thermoelement?

Ein Thermoelement ist ein Sensor, der zur Temperaturmessung verwendet wird. Es ist wegen seiner relativ geringen Kosten, seiner Austauschbarkeit, seines großen Messbereichs und seiner Zuverlässigkeit ein sehr beliebter Sensortyp. 

Thermoelemente sind in allen Wirtschaftszweigen weit verbreitet – von der Fabrikautomation und Prozesssteuerung bis hin zur Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt, Militär, Energieerzeugung, Metallverarbeitung, den medizinischen Wissenschaften und unzähligen anderen Sektoren. 

Durch ihre Ausstattung mit Standardsteckverbindern sind sie austauschbar und leicht zu beschaffen. Die Messseite des Sensors kann sehr einfacher Art (z. B. zwei miteinander verdrillte Metalldrähte) oder für den Einsatz in rauen industriellen Umgebungen in eine robusten Sonde eingeschlossen sein.

Thermoelemente sind recht populär, allerdings sind wesentlich höhere Genauigkeiten als 1 °C mit ihnen nicht leicht zu erreichen. Trotzdem sind sie aufgrund ihrer vielen Vorteile auch heute noch der gebräuchlichste Sensortyp für industrielle Messanwendungen.

Wie funktioniert ein Thermoelement?

Thermoelemente basieren auf dem Seebeck-Effekt, der besagt, dass in einem Stromkreis aus zwei unterschiedlichen Metallen (z. B. zwei Stangen, die an den Enden miteinander in Kontakt stehen) bei einem Temperaturunterschied zwischen den Kontaktstellen eine kleine elektrische Spannung entsteht. Dies geschieht auf passive Weise, d. h. die Leiter müssen nicht von einem Messverstärker gespeist werden.

Wie ist das möglich? Erzeugen wir kostenlose Energie aus dem Nichts? Nein, keineswegs. Es ist reine Physik!

Bedenken Sie, dass Elektronen sowohl Elektrizität als auch Wärme transportieren. Wenn Sie ein Ende eines Stücks blanken Kupferdrahts mit Ihrer Hand umschließen, werden durch die Wärme Ihrer Haut zum Beispiel Elektronen von dem Bereich, in dem Sie dem Draht berühren, zum kühleren, weiter von Ihnen entfernten Ende geleitet, wobei aufgrund des Temperaturgefälles eine elektrische Spannung entlang des Drahtes auftritt.

Dieses Phänomen war ursprünglich 1794 vom italienischen Wissenschaftler Alessandro Volta (nach dem das „Volt“ benannt ist) festgestellt und dann 1821 vom deutschen Physiker Thomas Johann Seebeck wiederentdeckt worden. Er beobachtete, dass, wenn die Enden zweier Drähte aus verschiedenen Metallen verbunden werden und es zwischen diesen Enden einen Temperaturunterschied gibt, an den Verbindungsstellen ein kleines Spannungspotential entsteht.

Wir nennen dieses Potential die Seebeck-Spannung und seine Entstehung aus thermischer Energie den „Seebeck-Effekt“. Basierend auf Seebecks Beobachtungen von vor 200 Jahren sind Physiker in der Lage, den Seebeck-Koeffizienten zu bestimmen; d. h. die Größe der thermoelektrischen Spannung, die durch Temperaturdifferenzen über ein bestimmtes Material induziert wird.

Jahrzehntelange Forschung, Versuch und Irrtum haben zum heutigen Verständnis davon geführt, welche Metalle die besten Resultate liefern, wenn wir sie in einem Thermoelement paaren. Verschiedene Kombinationen bieten unterschiedliche effektive Messbereiche. Und natürlich weist jedes Metall bestimmte Umwelteigenschaften auf, die ebenfalls einen Einfluss darauf haben, wo und wie sie eingesetzt werden können.

Die Wissenschaft hinter den Thermoelementen ist inzwischen ziemlich ausgereift, und auf dem Markt sind industriestandardisierte „Typen“ verfügbar, wie z. B. der Typ K, der Chromel und Alumel kombiniert und einen sehr großen Messbereich bietet. Weiter unten finden Sie detailliertere Informationen über die verschiedenen Thermoelementtypen. 

Es hört sich zunächst einmal sehr einfach an: Sie nehmen ein Thermoelementdrahtpaar, schließen ein Ende davon an Ihr DAQ-System oder ein Voltmeter an und beginnen mit der Temperaturmessung, richtig? Nun, damit ist es nicht wirklich getan. 

Es gibt zwei zusätzliche Schritte, die erforderlich sind, um das Ausgangssignal eines Thermoelements in einen brauchbaren Temperaturmesswert umzuwandeln: die Kaltstellenkompensation und die Linearisierung. Lassen Sie uns diese Schritte etwas genauer betrachten, um zu sehen, wie sie funktionieren und was sie bewirken.

Kaltstellenkompensation

Um eine absolute Messung durchführen zu können, muss das Thermoelement auf eine bekannte Temperatur am anderen Ende der Sensorkabel „referenziert“ werden. Früher wurde als Referenz ein Eisbad aus fast gefrorenem, destilliertem Wasser verwendet, das eine bekannte Temperatur von 0 °C hat. Da ein solches Eisbad aber nicht einfach zu transportieren ist, wurde eine andere Methode entwickelt, bei der ein winziger Thermistor oder ein von der Umgebung abgeschirmtes Widerstandsthermometer zur Messung der Umgebungstemperatur dient. Dieser Prozess wird als Kaltstellenkompensation bezeichnet.  

Während die Messstelle des Thermoelements als „Heißstelle“ bezeichnet wird, ist die „Kaltstelle“ das andere Ende, die als Referenz dienende Vergleichsstelle, an der sich der Schaltkreis (Chip) für die Kaltstellenkompensation befindet.  Die Vergleichsstellentemperatur liefert, obwohl sie variieren kann, eine bekannte Referenzgröße, anhand derer das Messsystem in der Lage ist, die Temperatur an der Messstelle des Sensors wiederholbar und mit sehr hoher Präzision abzuleiten.

Linearisierung

Das kleine Spannungs-Ausgangssignal eines Thermoelements ist nicht linear, d. h. es zeigt bei Temperaturänderungen keine lineare Entwicklung. Die erforderliche Linearisierung kann durch den Messverstärker selbst oder softwaremäßig innerhalb des Datenerfassungssystems durchgeführt werden.

Thermoelementtypen

Durch die Paarung (Kombination) verschiedener Metalle erhalten wir eine Vielzahl von Messbereichen. Diese Paarungen werden als „Typen“ bezeichnet. Am weitesten verbreitet ist der Thermoelementtyp K, bei dem Chrom und Alumel gepaart werden, was in einem breiten Messbereich von -200 °C bis +1350 °C resultiert. Ebenfalls gebräuchlich sind die Typen J, T, E, R, S, B, N und C.

Die Thermoelementtypen J, K, T und E sind auch als Unedle Thermoelemente und die Typen R, S und B als Edelmetall-Thermoelemente bekannt. Letztere kommen in Hochtemperaturanwendungen zum Einsatz. Die folgenden Thermoelementtypen sind heute die gängigsten:

Einen detaillierten Thermoelementvergleich finden Sie in der folgenden Tabelle (zum Vergrößern anklicken).

Herausforderungen und Lösungen in der Messung mit Thermoelementen

Aufgrund der sehr kleinen, im Mikro- und Millivolt-Bereich angesiedelten Ausgangssignale dieser Sensoren können elektrisches Rauschen und Interferenzen auftreten, wenn das Messsystem nicht isoliert ist. Die Datenerfassungsgeräte von Dewesoft wirken diesem Phänomen durch differentielle Signalaufbereitung entgegen. Nahezu alle Signalaufbereitungsmodule von Dewesoft messen nicht nur differentiell, sondern bieten darüber hinaus auch eine galvanische Trennung. Dies ist die beste Methode zum Schutz der Signalkette gegen Gleichtaktspannungen.

Erfahren Sie mehr:

Bedeutung der Isolation in DAQ SystemenGalvanische Trennung ist eine Trennung eines Stromkreises von anderen elektrischen Potentialquellen. Erfahren Sie mehr über die Bedeutung der galvanischen Trennung in DAQ-Systemen.

Was sind Messverstärker und was ist SignalkonditionierungLe guide complet du conditionnement du signal dans l'acquisition de données. Découvrez ce qu'est le conditionnement de signal, les types de conditionneurs de signal et la technologie sous-jacente.

Eine weitere Möglichkeit der Rauschreduzierung besteht darin, den A/D-Wandler so nah wie möglich am Sensor zu platzieren. Die Vermeidung langer Signalleitungen ist eine bewährte Strategie zur Maximierung der Signaltreue und zur Kostensenkung. Für die besten verfügbaren Lösungen schauen Sie sich hier unsere modularen Datenerfassungsgeräte der Reihen SIRIUS und KRYPTON an.

Eine unzulängliche Kaltstellenkompensation führt zu falschen Messergebnissen. Damit eine zuverlässige Referenzmessung gewährleistet ist, muss der Sensoranschluss vor Änderungen der Umgebungstemperatur geschützt werden. Dewesoft verwendet in ihren High-End-Modulen, die zur optimalen Referenzmessung aus einem massiven Aluminiumblock gefräst und mit hoher Präzision montiert werden, für die Kaltstellenkompensation für jeden Kanal einen separaten Schaltkreis.

Dass Thermoelementdrähte teurer sind als einfache Kupferdrähte, ist ein weiterer Grund dafür, dass sich die Kaltstelle so nah wie möglich an der Signalquelle befinden sollte (wobei extreme Schwankungen der Umgebungstemperatur trotzdem zu vermeiden sind). 

Systeme wie das isolierte Einkanal-Thermoelementmodul KRYPTON ONE von Dewesoft stellen das Nonplusultra in diesem Bereich dar. Sie erlauben es, die Vergleichsmessung unabhängig von der Lage der Sensoren zu verteilen, und können dabei mit Abständen bis zu 100 m zwischen den einzelnen Modulen vernetzt werden. Das Signal wird direkt am Messpunkt in ein digitales Signal umgewandelt und über EtherCAT an das Host-System übertragen, wodurch Rauschen und lange Leitungswege mit teuren Thermoelementkabeln vermieden werden. 

Anwendungen der Thermoelementmessung

Die Temperatur ist weltweit die am häufigsten gemessene physikalische Größe, und Thermoelemente sind dabei die gebräuchlichsten Sensoren. In diesem Sinne gibt es für sie buchstäblich Millionen von Anwendungsbereichen – in allen Branchen und Sektoren –, von denen hier einige wenige beispielhaft genannt werden sollen:

• Elektrizitätswerke (als Indikator für die Überhitzung von Komponenten)

• Haushaltsgeräte, bei denen Thermistoren nicht ausreichen

• industrielle Prozesssteuerung und Fabrikautomatisierung

• Lebensmittel- und Getränkeherstellung

• Metall- und Zellstoff- und Papierverarbeitung

• Umweltüberwachung und -studien

• wissenschaftliche Forschung und Entwicklung (F+E)

• Herstellung und Prüfung pharmazeutischer und medizinischer Produkte

• Fahrzeugsysteme und Prüfanwendungen, Tests bei heißem und kaltem Wetter, Bremstests, ADAS-Tests, Verbrennungsanalyse und mehr

• Entwicklung und Tests von Flugzeug- und Raketentriebwerkssystemen

• Herstellung und Prüfung von Satelliten und Raumfahrzeugen

Vor- und Nachteile von Thermoelementen

Vorteile von Thermoelementen:

• selbstgespeist (passiv)

• einfache Bedienung

• austauschbar, einfache Konnektivität

• relativ kostengünstig

• große Auswahl an Thermoelementsonden

• große Temperaturbereiche bei vielen Typen

• höhere Temperaturbeständigkeit als andere Sensoren

• keine Beeinflussung durch sinkende oder steigende Widerstände

Nachteile von Thermoelementen:

• Ausgangssignal erfordert Linearisierung

• Kaltstellenkompensation erforderlich

• Rauschanfälligkeit aufgrund kleiner Spannungs-Ausgangssignale

• nicht so stabil wie Widerstandsthermometer

• nicht so genau wie Widerstandsthermometer

Vergleich von Temperatursensoren: Thermoelemente, Widerstandsthermometer und Thermistoren

Auswahl des passenden Thermoelements für Ihre Anwendung

Bei der Auswahl des passenden Sensors für Ihre Messung sind verschiedene Faktoren zu berücksichtigen:

• Was sind die höchsten und niedrigsten Temperaturen, die gemessen werden müssen? 

• Wie hoch ist das Budget?

• Welche Präzision ist erforderlich?

• In was für einer Atmosphäre soll der Sensor eingesetzt werden (oxidierend, inert usw.)?

• Welche nutzbare Sensorlebensdauer ist erforderlich?

• Welche Ansprechzeit ist erforderlich (wie schnell muss der Sensor auf Temperaturänderungen reagieren)?

• Soll das Thermoelement periodisch oder kontinuierlich genutzt werden?

• Wird das Thermoelement während seiner Lebensdauer gekrümmt oder gebogen?

• Wird es in Wasser eingetaucht? Wenn ja, bis zu welcher Tiefe?

Auf Grundlage der Antworten auf diese Fragen und mit Hilfe der obigen Tabelle der Thermoelementtypen sollte es möglich sein, den/die für Ihre Anwendung am besten geeigneten Sensor(en) auszuwählen.

Thermoelemente-Schulungsvideo

In diesem Video von der Dewesoft-Messkonferenz werden die Grundeigenschaften und Funktionsprinzipien von Thermoelementen und die Temperaturmessung mit Datenerfassungsgeräten und -software von Dewesoft erläutert.

Erfahren Sie mehr:

Bedeutung der Isolation in DAQ SystemenGalvanische Trennung ist eine Trennung eines Stromkreises von anderen elektrischen Potentialquellen. Erfahren Sie mehr über die Bedeutung der galvanischen Trennung in DAQ-Systemen.

Was sind Messverstärker und was ist SignalkonditionierungLe guide complet du conditionnement du signal dans l'acquisition de données. Découvrez ce qu'est le conditionnement de signal, les types de conditionneurs de signal et la technologie sous-jacente.

Dewesoft-Messgeräte für Thermoelemente

Dewesoft bietet diverse Datenerfassungssysteme, mit denen Temperaturen effektiv gemessen, gespeichert und angezeigt werden können, und zwar durch den Anschluss der weltweit gebräuchlichsten Temperatursensoren für industrielle DAQ-Anwendungen: Thermoelemente. Dewesoft-Systeme können Temperaturen in einem bis zu Hunderten von Kanälen in Echtzeit messen, speichern, analysieren und visualisieren.

Es ist zu beachten, dass es die Datenerfassungssoftware DewesoftX erlaubt, die von jedem Sensor ausgegebene Temperatur in der von Ihnen gewählten Temperaturskala anzuzeigen. Die Standard-Maßeinheit ist Grad Celsius, aber die Software ermöglicht eine einfache und schnelle Umrechnung in Fahrenheit (F) oder Kelvin (K), die Basiseinheit der Temperatur im Internationalen Einheitensystem (SI).

Dewesoft X ist so flexibel, dass Sie Ihre Messwerte bei Bedarf sogar in mehreren Maßeinheiten gleichzeitig anzeigen lassen können.