Einleitung
● Auch bei scheinbar identischen Thermoelementen und Messgeräten können unter unterschiedlichen Einsatzbedingungen verschiedene Temperaturwerte angezeigt werden. Der Grund dafür ist, dass das Messergebnis vom gesamten Messsystem und nicht allein vom Fühler abhängt.
● Eine vollständige Thermoelement-Messkette umfasst üblicherweise die Messstelle, Thermoelement- oder Ausgleichsleitungen, Steckverbinder, die Kaltstellenkompensation, das Messgerät sowie die konkrete Einbau- und Umgebungsbedingung.
● Abweichungen an jeder dieser Stellen können das Messergebnis beeinflussen. Eine Fehleranalyse sollte daher stets die gesamte Messkette berücksichtigen und sich nicht ausschließlich auf die spezifizierte Geräte- oder Fühlergenauigkeit beziehen.
Die wichtigsten Punkte
● Das Thermoelement selbst besitzt eine zulässige Abweichung und stellt damit eine grundlegende Fehlerquelle dar.
● Die Genauigkeit der Kaltstellenkompensation wirkt sich direkt auf die berechnete Temperatur aus.
● Eine falsche Thermoelementeinstellung, vertauschte Polarität oder ungeeignete Ausgleichsleitungen können erhebliche Messfehler verursachen.
● Einbauort, Eintauchtiefe, Wärmeleitung und Kontaktqualität zählen in der Praxis zu den häufig unterschätzten Einflussgrößen.
● Bei schnellen Temperaturänderungen kann die Ansprechzeit des Thermoelements zu einer zeitlichen Verzögerung des angezeigten Wertes führen.
● Elektromagnetische Störungen, Änderungen der Umgebungstemperatur, Alterung des Sensors und Messgerätefehler sind ebenfalls zu berücksichtigen.
● Die Genauigkeit des Gesamtsystems sollte immer aus Thermoelement, Messgerät, Kaltstellenkompensation, Verkabelung und Einsatzbedingungen beurteilt werden.
Zulässige Abweichung des Thermoelements
● Ein Thermoelement besteht aus zwei unterschiedlichen Metallen oder Legierungen, deren thermoelektrische Spannung von der Temperatur abhängt. Reale Thermoelementwerkstoffe entsprechen jedoch nie vollständig der idealen Referenzkennlinie, sodass gewisse Abweichungen unvermeidbar sind.
● Unterschiedliche Thermoelementtypen und Toleranzklassen besitzen unterschiedliche zulässige Abweichungen. Thermoelemente der Typen K, J, T und E verwenden beispielsweise verschiedene Werkstoffkombinationen und unterscheiden sich dadurch in Kennlinie, Temperaturbereich und Toleranz.
● Selbst bei einem ideal fehlerfreien Messgerät würde eine Abweichung der vom Thermoelement erzeugten Thermospannung zu einer Temperaturabweichung führen.
● Bei höheren Genauigkeitsanforderungen sollten deshalb sowohl der geeignete Thermoelementtyp als auch die passende Toleranzklasse für den vorgesehenen Temperaturbereich gewählt werden.
Fehler der Kaltstellenkompensation
● Die Thermospannung eines Thermoelements wird durch die Temperaturdifferenz zwischen Messstelle und Referenzstelle bestimmt. Thermoelement-Messgeräte verwenden deshalb eine Kaltstellenkompensation (Cold Junction Compensation, CJC), um die Temperatur an den Anschlussklemmen zu erfassen und daraus die tatsächliche Messtemperatur zu berechnen.
● Ist der Sensor für die Kaltstellentemperatur ungenau oder besteht im Bereich der Anschlussklemmen ein deutlicher Temperaturgradient, kann die Kompensation fehlerhaft sein.
● Dies kann beispielsweise auftreten, wenn ein Messgerät aus einer kalten Umgebung in einen warmen Raum gebracht wird, direkter Sonneneinstrahlung ausgesetzt ist oder sich in unmittelbarer Nähe heißer Anlagen befindet.
● Nach deutlichen Änderungen der Umgebungstemperatur sollte dem Messgerät daher ausreichend Zeit zur thermischen Stabilisierung gegeben werden.
Fehler des Messgeräts
● Thermoelemente liefern typischerweise Spannungen im Millivoltbereich. Das Messgerät muss dieses sehr kleine Signal erfassen und anschließend anhand der Kennlinie des eingestellten Thermoelementtyps in eine Temperatur umrechnen.
● Die Genauigkeit der Eingangsschaltung, der Analog-Digital-Wandlung, der Kaltstellenkompensation, der Linearisierung sowie der internen Kalibrierung beeinflusst das endgültige Messergebnis.
● Die spezifizierte Gerätegenauigkeit eines Thermoelement-Thermometers und die Toleranz des angeschlossenen Fühlers sind daher zwei unterschiedliche Angaben.
● Für die Bewertung des Gesamtsystems müssen in der Regel sowohl der Gerätefehler als auch der Fehler des Thermoelements berücksichtigt werden.
Falsch eingestellter Thermoelementtyp
● Verschiedene Thermoelementtypen bestehen aus unterschiedlichen Werkstoffpaarungen und erzeugen daher bei derselben Temperatur unterschiedliche Thermospannungen.
● Wird beispielsweise ein Thermoelement Typ K angeschlossen, während das Messgerät auf Typ J, T oder einen anderen Typ eingestellt ist, verwendet das Gerät die falsche Spannungs-Temperatur-Kennlinie.
● In einzelnen Temperaturbereichen können sich die Ausgangsspannungen verschiedener Typen relativ ähnlich sein. Eine falsche Einstellung muss daher nicht sofort offensichtlich sein, kann aber bei zunehmender Temperaturänderung zu erheblichen Abweichungen führen.
● Bei Messgeräten für mehrere Thermoelementtypen sollte deshalb vor jeder Messung überprüft werden, ob Fühlertyp und Geräteeinstellung übereinstimmen.
Vertauschte Polarität
● Thermoelemente besitzen einen positiven und einen negativen Leiter. Werden diese vertauscht angeschlossen, kehrt sich die Polarität der Thermospannung um.
● Dadurch können deutlich zu niedrige Messwerte, ein falscher Temperaturtrend oder sogar sinkende Anzeigewerte bei tatsächlich steigender Temperatur entstehen.
● Die Farbcodierung von Thermoelementleitungen kann je nach Normensystem und Region unterschiedlich sein. Die Polarität sollte daher nicht ausschließlich anhand der Leiterfarbe bestimmt werden.
● Zuverlässiger sind Angaben zum Thermoelementtyp, Werkstoffkennzeichnungen, Steckermarkierungen oder die Herstellerdokumentation.
Fehler durch Ausgleichsleitungen und Steckverbinder
● Muss die Entfernung zwischen Thermoelement und Messgerät vergrößert werden, sollten geeignete Thermoelement-Verlängerungsleitungen oder Ausgleichsleitungen verwendet werden.
● Wird die Thermoelementleitung einfach mit normalem Kupferdraht verlängert oder ein falscher Leitungstyp eingesetzt, entstehen zusätzliche Übergangsstellen zwischen unterschiedlichen Metallen.
● Befinden sich diese Übergangsstellen auf unterschiedlichen Temperaturen, können zusätzliche Thermospannungen entstehen, die als Temperaturfehler erscheinen.
● Auch Steckverbinder sollten zum verwendeten Thermoelementtyp passen. Lose, oxidierte, verschmutzte oder instabile Kontakte können Schwankungen verursachen und die Messunsicherheit erhöhen.
Ungeeignete Position des Fühlers
● Ein Thermoelement misst physikalisch die Temperatur seiner Messstelle. Erst wenn diese einen ausreichend guten thermischen Gleichgewichtszustand mit dem Messobjekt erreicht, kann ihre Temperatur als repräsentativ für das Messobjekt angesehen werden.
● Befindet sich die Messstelle in einem starken Temperaturgradienten, beispielsweise in der Nähe eines Heizelements, eines Kühlluftaustritts, einer Anlagenwand oder am Rand einer Wärmequelle, können unterschiedliche Positionen deutlich verschiedene Werte ergeben.
● In Rohrleitungen, Öfen, Behältern oder Maschinen kann eine ungünstige Fühlerposition dazu führen, dass nicht die tatsächlich relevante Prozesszone erfasst wird, obwohl Thermoelement und Messgerät einwandfrei funktionieren.
● Der Einbauort gehört daher zu den wichtigsten anwendungsbedingten Fehlerquellen.
Zu geringe Eintauchtiefe und Wärmeleitungsfehler
● Bei der Messung von Gasen, Flüssigkeiten oder inneren Prozesstemperaturen mit einem ummantelten Thermoelement wird Wärme nicht nur an der Messstelle übertragen, sondern auch entlang des metallischen Schutzmantels geleitet.
● Bei zu geringer Eintauchtiefe kann Wärme aus dem Prozess über den Fühlerschaft nach außen abgeleitet oder aus der Umgebung zur Messstelle geleitet werden. Dadurch erreicht die Messstelle möglicherweise nicht die tatsächliche Prozesstemperatur.
● Der Einfluss hängt unter anderem von Temperaturdifferenz, Fühlerdurchmesser, Mantelwerkstoff und Einbaukonstruktion ab.
● Bei starken Temperaturgradienten sollte daher eine ausreichende Eintauchtiefe entsprechend der Fühlerkonstruktion und den Prozessbedingungen vorgesehen werden.
Fehler bei Oberflächenmessungen
● Bei der Messung von Oberflächentemperaturen ist der thermische Kontakt zwischen Messstelle und Messoberfläche entscheidend.
● Luftspalte, zu geringer Anpressdruck, eine raue Oberfläche oder eine zu große Messspitze können dazu führen, dass der Fühler sowohl von der Oberfläche als auch von der Umgebungsluft beeinflusst wird.
● Dieser Effekt nimmt zu, wenn zwischen der Oberfläche und der Umgebung eine große Temperaturdifferenz besteht.
● Für Oberflächenmessungen sollte die Messspitze möglichst stabil und vollständig anliegen. Gegebenenfalls sollte ein speziell für Oberflächenmessungen ausgelegter Thermoelementfühler verwendet werden.
Dynamischer Fehler durch die Ansprechzeit
● Ein Thermoelement benötigt eine bestimmte Zeit, um einer Temperaturänderung zu folgen. Steigt oder fällt die Temperatur des Messobjekts sehr schnell, erreicht der angezeigte Wert die neue tatsächliche Temperatur nicht sofort.
● Diese durch die thermische Trägheit des Fühlers entstehende Abweichung wird als dynamischer Messfehler bezeichnet.
● Die Ansprechzeit hängt von der Bauform der Messstelle, dem Fühlerdurchmesser, der Manteldicke, der Strömungsgeschwindigkeit, der Einbauart und den Wärmeübergangsbedingungen ab.
● Ist das Thermoelement für einen dynamischen Prozess zu langsam, können kurzzeitige Temperaturspitzen, Minimalwerte oder schnelle Temperaturänderungen unzureichend erfasst werden.
Einfluss von Umgebungstemperatur und Wärmestrahlung
● Ein Thermoelement tauscht Wärme nicht nur mit dem eigentlichen Messobjekt, sondern auch mit der Umgebungsluft und benachbarten warmen oder kalten Flächen aus.
● In einem Hochtemperaturofen kann beispielsweise Wärmestrahlung von der Ofenwand die Messstelle beeinflussen. Bei der Messung kalter Oberflächen kann wärmere Umgebungsluft die angezeigte Temperatur verändern.
● Wird der vorgesehene thermische Zustand zwischen Messstelle und Messobjekt nicht erreicht, kann die Umgebungstemperatur die Messstelle vom tatsächlich zu erfassenden Wert weg verschieben.
● Bei höheren Genauigkeitsanforderungen sollten Abschirmung, Einbauart, Fühlerkonstruktion und Messposition entsprechend der thermischen Umgebung gewählt werden.
Elektromagnetische Störungen und Erdung
● Thermoelementsignale liegen häufig nur im Bereich weniger Millivolt und sind deshalb in industrieller Umgebung vergleichsweise störanfällig.
● Werden Thermoelementleitungen in der Nähe von Frequenzumrichtern, Motoren, Leistungskabeln, Relais, leistungsstarken Heizungen oder anderen Störquellen verlegt, können sich elektrische Störsignale in die Messleitung einkoppeln.
● Ungeeignete Erdung, Erdschleifen oder fehlerhafte Schirmanbindung können ebenfalls zu instabilen Messwerten führen.
● Signal- und Leistungskabel sollten deshalb möglichst getrennt geführt werden. Lange parallele Leitungsführungen sollten vermieden und geeignete Schirmungs- und Erdungskonzepte eingesetzt werden.
Alterung und Drift des Thermoelements
● Langfristige Einwirkung hoher Temperaturen, Oxidation, Korrosion oder Verunreinigung kann Werkstoffzusammensetzung und Gefüge des Thermoelements verändern und damit dessen thermoelektrische Eigenschaften beeinflussen.
● Diese Veränderung wird üblicherweise als Drift bezeichnet und ist eine wichtige Fehlerquelle bei langjährig eingesetzten Thermoelementen.
● Je höher die Betriebstemperatur, je länger die Einsatzdauer und je aggressiver die Umgebung, desto größer ist in der Regel das Alterungsrisiko.
● Oxidation, Korrosion, mechanische Beschädigung und Kontamination können die Thermospannung ebenfalls verändern.
● In kritischen oder dauerhaft betriebenen Prozessen sollten Thermoelemente deshalb regelmäßig geprüft, verifiziert oder kalibriert werden.
Kalibrierung und Langzeitstabilität
● Auch wenn Thermoelement und Messgerät beim Auslieferungszustand die geforderte Genauigkeit erfüllen, kann sich die Messleistung durch Werkstoffalterung, elektronische Drift, mechanische Belastung oder Umwelteinflüsse verändern.
● Für reine Trendmessungen kann eine Funktionsprüfung ausreichend sein. Qualitätskontrolle, Laboranwendungen oder kritische Prozesse können dagegen regelmäßige Kalibrierungen oder Leistungsüberprüfungen erfordern.
● Eine Kalibrierung dient nicht nur zur Bestimmung der aktuellen Messabweichung, sondern ermöglicht auch die Erkennung langfristiger Drift des Thermoelements oder Messgeräts.
Wie ist der Gesamtfehler einer Thermoelementmessung zu bewerten?
● Der tatsächliche Messfehler ist normalerweise das Ergebnis mehrerer gleichzeitig wirkender Einflussgrößen. Dazu können die Toleranz des Thermoelements, die Gerätegenauigkeit, die Kaltstellenkompensation und anwendungsbedingte Fehler gehören.
● Ist ein Thermoelement-Messgerät beispielsweise mit einer Gerätegenauigkeit von ±0,5 °C spezifiziert, bedeutet dies nicht automatisch, dass das gesamte Messsystem ebenfalls eine Genauigkeit von ±0,5 °C besitzt.
● Auch ein hochgenaues Thermoelement in Verbindung mit einem hochgenauen Messgerät kann erhebliche Abweichungen zeigen, wenn Einbauort, Eintauchtiefe oder thermischer Kontakt ungeeignet sind.
● Für hochgenaue Anwendungen sollte daher ein vollständiges Fehlerbudget beziehungsweise eine Bewertung der Messunsicherheit erstellt werden, in die Fühler, Messgerät, Kaltstellenkompensation, Leitungen und Einbaubedingungen eingehen.
Wie lassen sich Messfehler bei Thermoelementen reduzieren?
● Thermoelementtyp und Toleranzklasse entsprechend Temperaturbereich und Genauigkeitsanforderung auswählen.
● Sicherstellen, dass Fühlertyp und Geräteeinstellung übereinstimmen.
● Positive und negative Leiter korrekt anschließen.
● Passende Verlängerungs- oder Ausgleichsleitungen und Steckverbinder verwenden.
● Nach deutlichen Änderungen der Umgebungstemperatur eine ausreichende thermische Stabilisierung abwarten.
● Fühlerbauform, Durchmesser und Ansprechzeit passend zur Anwendung wählen.
● Geeigneten Messort, ausreichende Eintauchtiefe und guten thermischen Kontakt sicherstellen.
● Störeinflüsse durch Leistungskabel, Frequenzumrichter, Motoren und andere elektrische Geräte reduzieren.
● Thermoelemente regelmäßig auf Oxidation, Korrosion, mechanische Beschädigungen und Drift prüfen.
● Bei kritischen Anwendungen regelmäßige Kalibrierungen oder Leistungsprüfungen durchführen und die Genauigkeit des gesamten Messsystems bewerten.
FAQ
● Wird der Messfehler hauptsächlich vom Thermoelementfühler verursacht?
Nicht unbedingt. Die Fühlertoleranz ist nur ein Bestandteil des Gesamtfehlers. Kaltstellenkompensation, Messgerät, Verkabelung, Einbau, Wärmeleitung, Ansprechzeit und Umgebung können ebenfalls erheblichen Einfluss haben.
● Wenn das Messgerät mit ±0,5 °C angegeben ist, beträgt der tatsächliche Messfehler dann ebenfalls ±0,5 °C?
In der Regel nicht. Bezieht sich die Angabe nur auf das Messgerät, müssen zusätzlich Thermoelementtoleranz, Kaltstellenkompensation und anwendungsbedingte Einflussgrößen berücksichtigt werden.
● Warum zeigt dasselbe Thermoelement an verschiedenen Positionen unterschiedliche Temperaturen?
Im Messobjekt können reale Temperaturgradienten vorhanden sein. Da ein Thermoelement die Temperatur an seiner Messstelle erfasst, können unterschiedliche Positionen unterschiedliche Werte liefern.
● Kann eine Thermoelementleitung mit normalem Kupferdraht verlängert werden?
Im eigentlichen Thermoelement-Messkreis ist dies im Allgemeinen nicht zu empfehlen. Es sollten passende Verlängerungs- oder Ausgleichsleitungen verwendet werden, da ungeeignete Werkstoffübergänge zusätzliche Thermospannungen erzeugen können.
● Kann die Genauigkeit eines Thermoelements mit der Zeit nachlassen?
Ja. Hohe Temperaturen, Oxidation, Korrosion, Kontamination und mechanische Beschädigungen können die thermoelektrischen Eigenschaften verändern und Drift verursachen.
● Bedeutet eine schwankende Anzeige immer, dass der Fühler defekt ist?
Nein. Lose Kontakte, elektromagnetische Störungen, Erdungsprobleme, beschädigte Leitungen, instabiler Oberflächenkontakt oder tatsächliche Temperaturschwankungen können ebenfalls die Ursache sein.
● Wie lässt sich feststellen, ob die Abweichung vom Thermoelement oder vom Messgerät stammt?
Mit einem bekannten Referenzthermoelement, einer kalibrierten Temperaturquelle oder geeigneter Kalibriertechnik können Fühler und Messgerät getrennt überprüft werden. Bei höheren Genauigkeitsanforderungen sollte die gesamte Messkette verifiziert werden.
Zusammenfassung
● Messfehler bei Thermoelementen werden nicht durch einen einzelnen Parameter bestimmt. Sie entstehen aus dem Zusammenwirken von Fühler, Kaltstellenkompensation, Messgerät, Verkabelung, Einbau und Umgebungsbedingungen.
● Fühlertoleranz und Gerätegenauigkeit lassen sich relativ einfach quantifizieren. Einbauort, Eintauchtiefe, Oberflächenkontakt, Ansprechzeit und Wärmeleitung werden in der Praxis dagegen häufig unterschätzt.
● Für allgemeine Temperaturüberwachung sollten zunächst Thermoelementtyp, Polarität, Verkabelung und Montage korrekt ausgeführt werden. Bei Prozessregelung, Laboranwendungen und hochgenauen Messungen sollten zusätzlich Fehlerbudget, Kalibrierstatus und Langzeitdrift berücksichtigt werden.
● Eine zuverlässige Temperaturmessung erfordert deshalb die Bewertung der gesamten Messkette und nicht nur den Vergleich einzelner Genauigkeitsangaben.
