Einleitung
Bei Temperaturmessungen mit einem Thermoelement-Thermometer begegnet man häufig zwei unterschiedlichen Genauigkeitsangaben: der Messgenauigkeit des Geräts und der Toleranz beziehungsweise Genauigkeit des angeschlossenen Thermoelementfühlers. Beide beeinflussen das Messergebnis, beschreiben jedoch unterschiedliche Teile der Messkette.
Ein Thermoelement-Thermometer kann beispielsweise eine sehr geringe elektronische Messabweichung besitzen. Hat der angeschlossene Fühler jedoch eine vergleichsweise große zulässige Abweichung, kann das endgültige Messergebnis trotzdem deutlich vom tatsächlichen Temperaturwert abweichen. Umgekehrt kann auch ein Thermoelement mit enger Toleranz keine hohe Gesamtgenauigkeit gewährleisten, wenn Kaltstellenkompensation, Linearisierung oder Eingangsschaltung des Messgeräts größere Fehler verursachen.
Die Genauigkeit einer Thermoelementmessung sollte deshalb immer für die gesamte Messkette beurteilt werden.
Das Wichtigste im Überblick
● Die Genauigkeit des Thermoelement-Thermometers beschreibt vor allem die Fehler, die beim Erfassen, Kompensieren und Umrechnen des Thermoelementsignals entstehen.
● Die Genauigkeit des Thermoelementfühlers hängt insbesondere von Werkstofftoleranz, Thermoelementtyp, Fertigungskonstanz und Einsatztemperatur ab.
● Die tatsächliche Gesamtgenauigkeit wird durch Messgerät, Fühler, Kaltstellenkompensation, Anschlussleitungen, Umgebungsbedingungen und Einbausituation beeinflusst.
● Eine hohe Gerätegenauigkeit bedeutet nicht automatisch, dass das komplette Messsystem dieselbe Genauigkeit erreicht.
● Bei hohen Genauigkeitsanforderungen sollten Messgerät und eingesetzter Fühler möglichst als komplettes System kalibriert oder überprüft werden.
Was bedeutet die Genauigkeit eines Thermoelement-Thermometers?
Ein Thermoelement-Thermometer erfasst die Temperatur des Messobjekts nicht unmittelbar. Zunächst erzeugt das Thermoelement aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen Messstelle und Referenzstelle eine kleine Thermospannung. Das Messgerät erfasst diese Spannung und rechnet sie anhand der Kennlinie des gewählten Thermoelementtyps in einen Temperaturwert um.
Die Gerätegenauigkeit beschreibt daher im Wesentlichen, wie genau die elektronische Mess- und Auswerteeinheit diesen Vorgang durchführen kann.
Mögliche Fehlerquellen sind:
● Eingangsschaltung zur Spannungsmessung.
● Analog-Digital-Wandlung.
● Linearisierung der Thermoelementkennlinie.
● Interne Referenzschaltungen.
● Messung und Berechnung der Kaltstellenkompensation.
● Temperaturabhängige Drift der Elektronik.
Selbst wenn dem Gerät eine ideale Thermospannung entsprechend der Referenzkennlinie zugeführt wird, kann der angezeigte Temperaturwert aufgrund der Geräteabweichung geringfügig vom theoretischen Wert abweichen.
Was bedeutet die Genauigkeit eines Thermoelementfühlers?
Ein Thermoelement besteht üblicherweise aus zwei unterschiedlichen Metallen oder Legierungen. Liegt zwischen Messstelle und Referenzstelle eine Temperaturdifferenz vor, entsteht eine temperaturabhängige Thermospannung.
Für jeden Thermoelementtyp ist eine definierte Temperatur-Spannungs-Kennlinie festgelegt. In der Fertigung lassen sich Zusammensetzung, Reinheit, Gefügezustand und Verarbeitung der Legierungen jedoch nicht vollkommen identisch reproduzieren. Deshalb können reale Thermoelemente von der Referenzkennlinie abweichen.
Diese Abweichung ist eine der wichtigsten Ursachen für den Eigenfehler des Thermoelementfühlers.
Die Fühlergenauigkeit wird unter anderem beeinflusst durch:
● Toleranzklasse des Thermoelementmaterials.
● Thermoelementtyp, beispielsweise K, J, T, E oder N.
● Tatsächliche Einsatztemperatur.
● Materialkonstanz der Thermodrähte.
● Alterung und Drift bei langfristigem Hochtemperatureinsatz.
● Oxidation, Korrosion und mechanische Beanspruchung.
Auch bei Verwendung eines theoretisch fehlerfreien Messgeräts kann der Fühler deshalb eine Abweichung vom tatsächlichen Temperaturwert verursachen.
Worin liegt der grundlegende Unterschied zwischen Geräte- und Fühlergenauigkeit?
Der wesentliche Unterschied liegt im Entstehungsort des Fehlers.
Die Genauigkeit des Thermoelement-Thermometers ist eine Kenngröße des elektronischen Messsystems. Die Fühlergenauigkeit beschreibt dagegen die Eigenschaften des Temperaturaufnehmers selbst.
Die Messkette lässt sich vereinfacht wie folgt darstellen:
Temperatur des Messobjekts → Thermoelement erzeugt Thermospannung → Messgerät misst die Spannung → Kaltstellenkompensation → Linearisierung → Temperaturanzeige
Der Fühler bestimmt in erster Linie, wie genau die erzeugte Thermospannung der Referenzkennlinie entspricht. Das Messgerät bestimmt, wie genau diese kleine Spannung erfasst, kompensiert, umgerechnet und angezeigt wird.
Beide Genauigkeitsangaben müssen deshalb getrennt betrachtet werden.
Warum entspricht die angegebene Gerätegenauigkeit nicht der tatsächlichen Messgenauigkeit?
Angenommen, ein Thermoelement-Thermometer besitzt eine spezifizierte Messgenauigkeit von ±0,5 °C. Diese Angabe bezieht sich in der Regel auf den Fehler des Messgeräts unter definierten Bedingungen.
Hat der angeschlossene Thermoelementfühler beispielsweise eine zulässige Abweichung von ±1,5 °C, kann die Genauigkeit des Gesamtsystems nicht einfach mit ±0,5 °C angegeben werden.
Für eine konservative Worst-Case-Abschätzung können die maximalen Fehler addiert werden:
Gerätefehler: ±0,5 °C
Fühlerfehler: ±1,5 °C
Worst-Case-Abschätzung:
±0,5 °C + ±1,5 °C = ±2,0 °C
Im ungünstigsten Fall kann das gesamte Messsystem somit theoretisch um etwa ±2,0 °C abweichen.
Dabei handelt es sich um eine konservative technische Abschätzung. Eine formale Messunsicherheitsanalyse berücksichtigt zusätzlich Wahrscheinlichkeitsverteilungen, mögliche Korrelationen und weitere Einflussgrößen.
Kann die Gesamtgenauigkeit mit der Wurzel aus der Quadratsumme berechnet werden?
In der Messtechnik können voneinander unabhängige Unsicherheitsbeiträge unter bestimmten Voraussetzungen über die Wurzel aus der Summe der Quadrate kombiniert werden. Voraussetzung ist, dass die einzelnen Beiträge zuvor korrekt als Standardunsicherheiten beschrieben wurden.
Mit den oben verwendeten Zahlen ergibt sich:
√(0,5² + 1,5²) ≈ 1,58 °C
Zu beachten ist jedoch, dass Angaben wie „±0,5 °C“ für das Messgerät und „±1,5 °C“ für den Fühler in Datenblättern häufig Grenzabweichungen oder Produktspezifikationen darstellen und nicht automatisch Standardunsicherheiten sind.
Für industrielle Anwendungen und die Produktauswahl ist die Worst-Case-Addition deshalb oft die einfachere und konservativere Betrachtung. Bei Kalibrierungen, Laboranwendungen oder formalen Messunsicherheitsbewertungen sollte dagegen ein geeignetes messtechnisches Verfahren angewendet werden.
Warum beeinflusst die Kaltstellenkompensation die Genauigkeit?
Ein Thermoelement misst grundsätzlich eine Temperaturdifferenz und nicht unmittelbar eine absolute Temperatur.
An den Anschlussklemmen des Thermometers entsteht eine Referenzstelle, häufig als Kaltstelle bezeichnet. Um die tatsächliche Temperatur an der Messstelle zu bestimmen, muss das Messgerät die Temperatur an dieser Referenzstelle erfassen und die Thermospannung entsprechend korrigieren. Dieser Vorgang wird als Kaltstellenkompensation bezeichnet.
Ein Fehler bei der Bestimmung der Referenzstellentemperatur führt direkt zu einer zusätzlichen Abweichung der angezeigten Temperatur.
Ein hochwertiges Thermoelement-Thermometer benötigt daher sowohl eine stabile Spannungsmessung als auch eine präzise und thermisch gut ausgelegte Kaltstellenkompensation.
Besonders relevant ist dies, wenn das Gerät schnell von einer kalten in eine warme Umgebung gebracht wird oder an den Eingangsklemmen ein deutlicher Temperaturgradient besteht. Bis sich ein thermisches Gleichgewicht eingestellt hat, kann die Messabweichung vorübergehend größer sein.
Warum ist die Toleranzklasse des Thermoelements wichtig?
Unterschiedliche Toleranzklassen erlauben unterschiedliche Abweichungen von der Referenzkennlinie. Innerhalb eines festgelegten Temperaturbereichs weist eine engere Toleranzklasse im Allgemeinen eine geringere zulässige Abweichung auf und eignet sich daher besser für präzisere Temperaturmessungen.
Die zulässige Abweichung eines Thermoelements ist nicht zwingend über den gesamten Temperaturbereich konstant. Bei höheren Temperaturen kann sie bei bestimmten Thermoelementklassen teilweise als prozentualer Anteil des Messwerts definiert sein.
Beim Vergleich von Fühlern sollten deshalb folgende Punkte berücksichtigt werden:
● Thermoelementtyp.
● Toleranzklasse.
● Festgelegter Temperaturbereich.
● Zulässige Abweichung bei der tatsächlichen Messtemperatur.
● Langzeitstabilität des Fühlers.
Dies ist insbesondere bei Hochtemperaturmessungen von Bedeutung.
Bedeutet eine höhere Auflösung automatisch eine höhere Genauigkeit?
Nein.
Eine Anzeigeauflösung von 0,1 °C bedeutet lediglich, dass das Messgerät Temperaturänderungen in Schritten von 0,1 °C darstellen kann. Daraus folgt nicht, dass die Messgenauigkeit ebenfalls ±0,1 °C beträgt.
Ein Messgerät kann beispielsweise anzeigen:
235,6 °C
während die tatsächliche Temperatur:
234,8 °C
beträgt.
Eine feinere Anzeige verbessert die Ablesbarkeit kleiner Änderungen, reduziert aber nicht automatisch die Messabweichung.
Auflösung und Genauigkeit sind daher getrennte Geräteeigenschaften.
Welche weiteren Faktoren beeinflussen die tatsächliche Genauigkeit des Thermoelementsystems?
Neben Messgerät und Fühler können zahlreiche praktische Einflüsse die Messabweichung vergrößern.
● Nicht passende Thermoelementstecker, Anschlussklemmen oder Verlängerungsleitungen.
● Falsche Ausgleichs- oder Verlängerungsleitungen.
● Unzureichender Kontakt eines Oberflächenfühlers mit dem Messobjekt.
● Zu geringe Eintauchtiefe eines Tauch- oder Einstechfühlers.
● Ausgeprägte Temperaturgradienten im Messobjekt.
● Zusätzlicher Wärmeaustausch zwischen Fühler und Umgebungsluft.
● Ablesen des Messwerts, bevor sich der Fühler thermisch stabilisiert hat.
● Drift infolge langfristiger Hochtemperaturbelastung, Oxidation oder Korrosion.
Die Genauigkeit einer Thermoelementmessung ist deshalb eine Eigenschaft des gesamten Systems und nicht nur eines einzelnen Bauteils.
Wie lässt sich die Genauigkeit von Thermoelementmessungen verbessern?
Bei höheren Anforderungen sollte die gesamte Messkette optimiert werden.
● Ein Thermoelement-Thermometer mit geeigneter Genauigkeit und geeignetem Messbereich auswählen.
● Einen Fühler mit passender Toleranzklasse und guter Langzeitstabilität verwenden.
● Sicherstellen, dass der am Messgerät eingestellte Thermoelementtyp dem angeschlossenen Fühler entspricht.
● Passende Thermoelementstecker sowie geeignete Ausgleichs- oder Verlängerungsleitungen verwenden.
● Das Messgerät nach größeren Umgebungstemperaturänderungen ausreichend akklimatisieren lassen.
● Für ausreichenden Kontakt beziehungsweise ausreichende Eintauchtiefe sorgen.
● Den Messwert erst nach thermischer Stabilisierung des Fühlers erfassen.
● Bei Hochtemperatureinsatz die Langzeitdrift des Fühlers regelmäßig überprüfen.
● Für hochgenaue Anwendungen Messgerät und tatsächlich verwendeten Fühler gemeinsam als System kalibrieren.
Eine Systemkalibrierung ist besonders aussagekräftig, da sie die kombinierten Einflüsse von Messgerät, Fühler und teilweise auch der Anschlusskette erfassen kann.
Warum können sich die Messwerte nach einem Fühlerwechsel ändern?
Auch zwei Thermoelementfühler desselben Typs besitzen nicht zwingend exakt dieselben thermoelektrischen Eigenschaften.
Zwei Thermoelemente vom Typ K können beispielsweise beide innerhalb der zulässigen Toleranz liegen, wobei eines gegenüber der Referenzkennlinie eine positive und das andere eine negative Abweichung aufweist.
Eine gewisse Differenz nach einem Fühlerwechsel bedeutet deshalb nicht automatisch, dass das Messgerät fehlerhaft ist.
Für Anwendungen mit hohen Anforderungen an Wiederholbarkeit oder langfristige Vergleichbarkeit empfiehlt es sich, einen fest zugeordneten und überprüften Fühler zu verwenden oder einzelne Fühler separat zu kalibrieren und eindeutig zu kennzeichnen.
Wann sollte die Genauigkeit des gesamten Messsystems besonders berücksichtigt werden?
Für allgemeine Wartungsarbeiten, HVAC-Anwendungen oder die Beobachtung von Prozessverläufen reicht es häufig aus, die ungefähren zulässigen Abweichungen von Messgerät und Fühler zu kennen.
Eine genauere Betrachtung des Gesamtsystems ist insbesondere sinnvoll bei:
● Labormessungen.
● Produktentwicklung und Funktionsprüfungen.
● Verifizierung von Prozesstemperaturen.
● Kalibrier- und Vergleichsmessungen.
● Wärmebehandlungsprozessen bei hohen Temperaturen.
● Qualitätskontrolle und dokumentierten Messungen.
● Anwendungen, bei denen Temperaturunterschiede von nur wenigen Grad Celsius oder weniger relevant sind.
In diesen Fällen sollten neben der Gerätegenauigkeit auch Fühler, Anschlusskonfiguration, Kalibrierstatus und reale Messbedingungen berücksichtigt werden.
FAQ
Können Gerätegenauigkeit und Fühlergenauigkeit einfach addiert werden?
● Für eine konservative Worst-Case-Abschätzung können die maximal zulässigen Abweichungen wichtiger Fehlerquellen addiert werden. Eine formale Messunsicherheitsanalyse berücksichtigt dagegen die Eigenschaften und Verteilungen der einzelnen Unsicherheitsbeiträge und darf nicht grundsätzlich auf einer einfachen Addition beruhen.
Ist ein deutlich genaueres Messgerät sinnvoll, wenn der Fühler eine größere Toleranz besitzt?
● Ja. Eine geringere Geräteabweichung reduziert den Anteil des Messgeräts am Gesamtfehler. Dominiert jedoch der Fühlerfehler, führt eine weitere Verbesserung der Gerätegenauigkeit nur begrenzt zu einer besseren Gesamtgenauigkeit.
Erreicht ein hochgenaues Thermoelement-Thermometer mit einem Standardfühler automatisch eine hohe Genauigkeit?
● Nein. Die Gesamtgenauigkeit wird weiterhin durch die Toleranz des Fühlers begrenzt. Für hohe Systemgenauigkeit müssen sowohl Messgerät als auch Fühler entsprechend ausgewählt werden.
Sind unterschiedliche Messwerte nach dem Wechsel auf einen baugleichen Fühler normal?
● Innerhalb bestimmter Grenzen ja. Einzelne Fühler können unterschiedliche thermoelektrische Abweichungen aufweisen und dennoch ihre Spezifikation erfüllen.
Sollte das Messgerät oder der Thermoelementfühler kalibriert werden?
● Das hängt von der Anwendung ab. Beide Komponenten können separat kalibriert werden. Alternativ können Messgerät und ein bestimmter Fühler gemeinsam als System kalibriert werden. Für hochgenaue Messungen bildet eine Systemkalibrierung den realen Einsatz häufig besser ab.
Bedeutet eine Auflösung von 0,1 °C auch eine Genauigkeit von ±0,1 °C?
● Nein. Die Auflösung beschreibt den kleinsten darstellbaren Temperaturunterschied. Die Genauigkeit beschreibt dagegen die mögliche Abweichung des Messergebnisses vom Referenzwert.
Fazit
Die Genauigkeit eines Thermoelement-Thermometers und die Genauigkeit des angeschlossenen Thermoelementfühlers beziehen sich auf unterschiedliche Bestandteile der Messkette.
Das Messgerät erfasst die kleine Thermospannung und führt Kaltstellenkompensation und Linearisierung durch. Seine Genauigkeit beschreibt die dabei entstehenden elektronischen Mess- und Umrechnungsfehler. Die Fühlergenauigkeit beschreibt dagegen hauptsächlich die Abweichung der realen Thermoelementmaterialien von der Referenzkennlinie.
Die tatsächliche Messgenauigkeit wird deshalb nicht durch einen einzelnen Genauigkeitswert bestimmt, sondern durch die Gesamtleistung des kompletten Thermoelement-Messsystems.
Für normale industrielle Messungen kann eine konservative Kombination von Geräte- und Fühlertoleranz als Orientierung dienen. In Laboren, bei Kalibrierungen, in der Produktentwicklung oder bei besonders hohen Genauigkeitsanforderungen sollten zusätzlich Kaltstellenkompensation, Anschlussleitungen, Umgebungsbedingungen, Einbausituation, Langzeitdrift und die Messunsicherheit berücksichtigt werden.
