Einleitung
Die Umgebungstemperatur kann ein Thermoelement-Thermometer beeinflussen. Wie groß dieser Einfluss ist, hängt jedoch von der Konstruktion des Messgeräts, der Kaltstellenkompensation, der Geschwindigkeit der Temperaturänderung, der Bauform des Fühlers und der Messmethode ab.
Ein Thermoelement liefert nicht direkt die absolute Temperatur des Messobjekts. Es erzeugt vielmehr eine Thermospannung, die von der Temperaturdifferenz zwischen Messstelle und Referenzstelle abhängt. Das Thermometer misst diese Spannung und berechnet mithilfe der Kaltstellenkompensation die Temperatur.
Daher können deutliche Temperaturänderungen am Messgerät, an den Eingangsklemmen oder in der Umgebung des Fühlers das Messergebnis beeinflussen.
Innerhalb des spezifizierten Betriebstemperaturbereichs und bei stabilen Umgebungsbedingungen kann ein geeignetes Thermoelement-Thermometer solche Einflüsse normalerweise wirksam kompensieren. Schnelle Temperaturwechsel, starke Luftströmungen, große Temperaturunterschiede oder der Betrieb außerhalb des zulässigen Bereichs können die Messabweichung jedoch erhöhen.
Wichtige Punkte
● Die Umgebungstemperatur kann die Messung beeinflussen, eine Temperaturänderung der Umgebung führt jedoch nicht automatisch zu einer gleich großen Messabweichung.
● Die Kaltstellenkompensation (CJC) ist entscheidend, um den Einfluss der Umgebungstemperatur zu reduzieren.
● Bei einem schnellen Wechsel zwischen kalter und warmer Umgebung können vorübergehende interne Temperaturgradienten zusätzliche Messfehler verursachen.
● Auch der Fühler kann durch Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung beeinflusst werden, sodass seine tatsächliche Temperatur von der Temperatur des Messobjekts abweicht.
● Eine ausreichende thermische Stabilisierung von Messgerät, Steckverbindern und Anschlussstellen verbessert Genauigkeit und Wiederholbarkeit.
Warum kann die Umgebungstemperatur ein Thermoelement-Thermometer beeinflussen?
Ein Thermoelement besteht aus zwei unterschiedlichen Leitermaterialien. Besteht zwischen Messstelle und Referenzstelle eine Temperaturdifferenz, entsteht eine Thermospannung.
Das Ausgangssignal hängt daher sowohl von der Temperatur der Messstelle als auch von der Temperatur an der Anschluss- beziehungsweise Referenzstelle ab.
Digitale Thermoelement-Thermometer verfügen üblicherweise in der Nähe der Eingangsklemmen über einen Temperatursensor. Dieser erfasst die lokale Temperatur, damit das Gerät eine Kaltstellenkompensation durchführen und die gemessene Thermospannung korrekt in einen Temperaturwert umrechnen kann.
Misst ein Thermoelement beispielsweise ein Objekt mit 100°C und beträgt die Temperatur an den Eingangsklemmen 25°C, muss das Thermometer den zur Referenztemperatur von 25°C gehörenden Anteil berücksichtigen.
Ändert sich die Temperatur der Anschlussstelle und kann die Kaltstellenkompensation dieser Änderung nicht ausreichend schnell oder genau folgen, kann der angezeigte Wert vom tatsächlichen Messwert abweichen.
Der Einfluss der Umgebungstemperatur hängt daher wesentlich davon ab, wie genau die Kaltstellenkompensation die reale Temperatur der Thermoelement-Anschlussstelle erfasst.
Warum ist die Kaltstellenkompensation so wichtig?
Thermoelement-Referenztabellen basieren traditionell auf einer Referenztemperatur von 0°C. In der praktischen Anwendung können die Anschlussstellen eines Messgeräts jedoch nicht dauerhaft auf 0°C gehalten werden.
Digitale Thermoelement-Thermometer verwenden deshalb eine Kaltstellenkompensation, um die tatsächliche Anschlussstellentemperatur rechnerisch zu berücksichtigen.
Bei stabiler Umgebung befinden sich Steckverbinder, Eingangsklemmen, CJC-Sensor und angrenzende Bauteile normalerweise auf ähnlichem Temperaturniveau. Unter diesen Bedingungen arbeitet die Kompensation zuverlässig.
Bei schnellen oder lokal ungleichmäßigen Temperaturänderungen können jedoch Temperaturgradienten entstehen. Typische Beispiele sind:
● Das Messgerät wird aus einer kalten Außenumgebung in einen warmen Innenraum gebracht;
● Das Gerät liegt längere Zeit in direkter Sonneneinstrahlung;
● Das Thermometer befindet sich in der Nähe eines Ofens, einer heißen Rohrleitung oder einer anderen Wärmequelle;
● Kalte Luft einer Klimaanlage strömt direkt über die Eingangsklemmen;
● Der Bediener hält das Gerät längere Zeit im Bereich der Eingänge und erwärmt diesen lokal.
In solchen Situationen kann die vom CJC-Sensor gemessene Temperatur kurzfristig von der tatsächlichen Temperatur der Thermoelement-Anschlussstelle abweichen. Dadurch entsteht eine zusätzliche Messabweichung.
Schnelle Temperaturänderungen sind kritischer als eine stabile Umgebung
Für Thermoelement-Thermometer ist eine stabile Umgebungstemperatur häufig wichtiger als die Frage, ob die Umgebung beispielsweise 20°C oder 30°C beträgt.
Solange das Gerät innerhalb des spezifizierten Betriebstemperaturbereichs arbeitet und thermisches Gleichgewicht erreicht hat, kann die Kaltstellenkompensation im Allgemeinen zuverlässig arbeiten.
Kritischer sind schnelle Temperaturänderungen.
Wird ein Thermometer beispielsweise direkt aus einer Umgebung mit 5°C in einen Raum mit 30°C gebracht, erwärmen sich Gehäuse, Steckverbinder, interne Elektronik und CJC-Sensor nicht gleich schnell. Im Gerät entstehen vorübergehend Temperaturgradienten.
Bis ein neues thermisches Gleichgewicht erreicht ist, kann die Anzeige driften.
Nach einem deutlichen Temperaturwechsel sollte daher mit präzisen Messungen gewartet werden, bis sich das Gerät stabilisiert hat.
Die erforderliche Stabilisierungszeit ist den Angaben und technischen Spezifikationen des Herstellers zu entnehmen.
Auch der zulässige Betriebstemperaturbereich des Messgeräts ist wichtig
Digitale Thermoelement-Thermometer sind üblicherweise für einen bestimmten Umgebungstemperaturbereich spezifiziert.
Die angegebene Messgenauigkeit gilt in der Regel nur innerhalb der spezifizierten Betriebsbedingungen. Bei zu hohen oder zu niedrigen Temperaturen können sowohl die Kaltstellenkompensation als auch interne elektronische Komponenten beeinflusst werden.
Betroffen sein können unter anderem:
● Analoge Eingangsschaltungen;
● Analog-Digital-Wandler;
● Temperatursensoren der Kaltstellenkompensation;
● Spannungsreferenzen;
● Batterien;
● LCD- oder andere Anzeigeelemente.
Das Thermometer sollte deshalb möglichst innerhalb seines spezifizierten Umgebungstemperaturbereichs betrieben werden.
Dabei ist zwischen dem Messbereich des Thermoelementfühlers und der zulässigen Umgebungstemperatur des Messgeräts zu unterscheiden.
Ein Thermoelement Typ K kann beispielsweise Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius oder mehr messen, während das angeschlossene Handmessgerät selbst nicht derselben Temperatur ausgesetzt werden darf.
Die Umgebungstemperatur kann das Messergebnis auch über den Fühler beeinflussen
Nicht nur die Elektronik des Messgeräts kann durch die Umgebung beeinflusst werden.
Ein Thermoelementfühler erfasst die Temperatur seiner eigenen Messstelle. Diese entspricht der Temperatur des Messobjekts nur dann ausreichend genau, wenn zwischen Messstelle und Messobjekt ein ausreichender thermischer Ausgleich stattgefunden hat.
Findet gleichzeitig ein erheblicher Wärmeaustausch mit der Umgebung statt, kann eine Messabweichung entstehen.
Bei der Messung einer heißen Metalloberfläche nimmt die Messstelle beispielsweise Wärme von der Oberfläche auf, gibt jedoch gleichzeitig Wärme über den Fühlerschaft und an die Umgebungsluft ab. Der angezeigte Wert kann dadurch unter der tatsächlichen Oberflächentemperatur liegen.
Bei der Messung eines kalten Objekts kann umgekehrt Wärme aus der wärmeren Umgebung über Luft, Fühlerschaft oder Befestigung zur Messstelle gelangen und einen zu hohen Messwert verursachen.
Je größer der Temperaturunterschied zwischen Messobjekt und Umgebung ist, desto wichtiger sind Fühlermontage, Kontaktfläche, Eintauchtiefe und Wärmeleitwege.
Warum ist der Umgebungseinfluss bei Lufttemperaturmessungen besonders relevant?
Bei der Messung von Luft oder anderen Gasen spielen die Umgebungsbedingungen eine besonders große Rolle.
Der Wärmeübergang zwischen Luft und Fühler erfolgt in der Regel langsamer als in Flüssigkeiten oder bei direktem Kontakt mit festen Oberflächen. Dadurch reagiert der Fühler empfindlicher auf benachbarte Wärmequellen, Wärmestrahlung, Wände, den Bediener und lokale Luftströmungen.
Wird beispielsweise Luft mit 25°C in der Nähe einer heißen Maschine gemessen, kann der Fühler Wärmestrahlung aufnehmen, obwohl er die Maschine nicht berührt. Seine Temperatur kann dadurch über der tatsächlichen Lufttemperatur liegen.
Wird der Fühler dagegen direkt von kalter Klimaanlagenluft angeströmt, kann der Messwert eher die lokale Luftströmung als die repräsentative Raumtemperatur wiedergeben.
Für zuverlässige Lufttemperaturmessungen ist daher neben einem thermisch stabilen Messgerät auch eine geeignete Positionierung des Fühlers erforderlich.
Können unterschiedliche Temperaturen entlang der Thermoelementleitung Messfehler verursachen?
Unter idealen Bedingungen führt eine unterschiedliche Temperatur entlang einer homogenen, unbeschädigten und korrekt ausgeführten Thermoelementleitung nicht automatisch zu einer entsprechenden zusätzlichen Messabweichung.
In der Praxis sind Thermoelementleitungen jedoch nicht vollkommen ideal.
Langfristige Hochtemperaturbelastung, mechanische Beanspruchung, Oxidation, Korrosion oder Materialinhomogenitäten können die lokalen thermoelektrischen Eigenschaften verändern.
Befindet sich ein solcher inhomogener Leitungsabschnitt gleichzeitig in einem starken Temperaturgradienten, können zusätzliche Thermospannungen entstehen und das Messergebnis beeinflussen.
Bei anspruchsvollen industriellen Messungen sollten gealterte oder beschädigte Thermoelementleitungen daher möglichst nicht durch Bereiche mit starken Temperaturgradienten geführt werden.
Auch Steckverbinder und Anschlussstellen sollten temperaturstabil sein
Steckverbinder, Buchsen und Verlängerungsleitungen eines Thermoelements können die Messgenauigkeit beeinflussen.
Geeignete Thermoelement-Steckverbinder bestehen aus zum jeweiligen Thermoelementtyp passenden Materialien oder aus Werkstoffen mit definierten thermoelektrischen Eigenschaften, um unerwünschte Thermospannungen zu minimieren.
Werden ungeeignete Kupferleitungen, falsche Thermoelementleitungen oder unnötige Verbindungen unterschiedlicher Metalle eingesetzt, können Temperaturunterschiede an diesen Verbindungsstellen zusätzliche Messabweichungen erzeugen.
Empfehlenswert sind daher:
● Verwendung von Steckverbindern passend zum Thermoelementtyp;
● Verwendung geeigneter Thermoelement-Verlängerungs- oder Ausgleichsleitungen;
● Vermeidung großer Temperaturunterschiede zwischen Zwischenverbindungen;
● Reduzierung unnötiger Anschlussstellen;
● Saubere, sichere und möglichst oxidationsfreie Steckverbindungen.
Wie lassen sich durch die Umgebungstemperatur verursachte Messabweichungen reduzieren?
In den meisten Anwendungen ist es nicht erforderlich, sämtliche Änderungen der Umgebungstemperatur zu vermeiden. Entscheidend ist vielmehr, Bedingungen zu kontrollieren, die nennenswerte zusätzliche Messabweichungen verursachen können.
● Messgerät thermisch stabilisieren lassen: Nach einem Wechsel zwischen deutlich unterschiedlichen Umgebungen sollte vor präzisen Messungen ausreichend Zeit zur Stabilisierung vorgesehen werden.
● Lokale Erwärmung oder Abkühlung der Eingänge vermeiden: Direkte Sonneneinstrahlung, heiße oder kalte Luft sowie nahe Wärmequellen sollten von den Thermoelementanschlüssen ferngehalten werden.
● Innerhalb des spezifizierten Betriebsbereichs messen: Das Messgerät sollte innerhalb der vom Hersteller angegebenen Umgebungstemperatur betrieben werden.
● Geeignete Thermoelemente und Anschlusskomponenten verwenden: Fühler, Stecker, Buchsen, Verlängerungs- und Ausgleichsleitungen müssen zum Thermoelementtyp passen.
● Fühlermontage optimieren: Bei Oberflächenmessungen ist guter Kontakt erforderlich, bei Flüssigkeiten eine ausreichende Eintauchtiefe und bei Gasen eine Minimierung von Strahlungs- und Luftströmungseinflüssen.
● Starke Temperaturgradienten an kritischen Anschlussstellen vermeiden: Besonders relevant sind Stecker, Eingangsklemmen und Übergangsstellen.
● Regelmäßig prüfen oder kalibrieren: Bei erhöhten Genauigkeitsanforderungen sollte die Gesamtmesskette aus Messgerät und Fühler regelmäßig überprüft werden.
Ab welcher Änderung der Umgebungstemperatur ist besondere Aufmerksamkeit erforderlich?
Es gibt keinen einheitlichen Grenzwert, der für alle Thermoelement-Thermometer gilt.
Die Geräte unterscheiden sich hinsichtlich Kaltstellenkompensation, interner Konstruktion, Sensorposition und Temperaturkompensation. Maßgeblich sind daher die in den technischen Daten angegebenen Betriebstemperaturen und Genauigkeitsbedingungen.
Bei langsamen Temperaturänderungen, erreichtem thermischem Gleichgewicht und Betrieb innerhalb des spezifizierten Bereichs bleiben zusätzliche Umgebungseinflüsse normalerweise gering.
Besondere Aufmerksamkeit ist bei schnellen Temperaturwechseln oder lokal unterschiedlichen Temperaturen im Bereich der Eingänge erforderlich.
Bei Kalibrierungen, Laboranwendungen und anderen hochgenauen Messungen sollten zusätzlich Temperaturkoeffizient, Unsicherheit der Kaltstellenkompensation und die gesamte Messunsicherheit berücksichtigt werden.
FAQ
Führt eine Änderung der Umgebungstemperatur von 5°C zu einer Messabweichung von 5°C?
Nein. Moderne Thermoelement-Thermometer kompensieren normale Änderungen der Umgebungstemperatur mithilfe der Kaltstellenkompensation. Größere zusätzliche Fehler entstehen in der Regel nur bei unzureichender Kompensation, schnellen Temperaturänderungen oder ungünstigen Messbedingungen.
Warum kann die Anzeige schwanken, nachdem das Thermometer von außen in einen Innenraum gebracht wurde?
Gehäuse, Eingangsklemmen, interne Elektronik und CJC-Sensor benötigen Zeit, um ein neues thermisches Gleichgewicht zu erreichen. Vorübergehende Temperaturgradienten können in dieser Phase zu einer Drift der Anzeige führen.
Kann das Messgerät ebenfalls hohen Temperaturen ausgesetzt werden, wenn der Thermoelementfühler für hohe Temperaturen geeignet ist?
Nicht unbedingt. Messbereich des Fühlers und zulässige Umgebungstemperatur des Messgeräts sind unterschiedliche Spezifikationen. Das Messgerät muss innerhalb seiner angegebenen Betriebsbedingungen bleiben.
Garantiert eine stabile Raumtemperatur automatisch eine höhere Messgenauigkeit?
Nein. Eine stabile Umgebung reduziert Einflüsse durch Kaltstellenkompensation und Temperaturgradienten. Die Gesamtgenauigkeit hängt jedoch zusätzlich von Thermoelementtyp, Fühlergenauigkeit, Einbau, Kontaktbedingungen, Messgerätegenauigkeit, Alterung und Kalibrierzustand ab.
Fazit
Die Umgebungstemperatur kann ein Thermoelement-Thermometer beeinflussen. Eine Änderung der Umgebungstemperatur führt jedoch nicht automatisch zu einer gleich großen Änderung des angezeigten Messwerts.
Die Kaltstellenkompensation korrigiert Änderungen der Anschlusstemperatur. Bei Betrieb innerhalb des spezifizierten Temperaturbereichs und nach ausreichender thermischer Stabilisierung lassen sich normale Umgebungseinflüsse deshalb in der Regel wirksam kompensieren.
Besonders relevant sind schnelle Temperaturwechsel, lokale Temperaturunterschiede, Temperaturgradienten im Bereich der Eingänge, Wärmeübertragung zwischen Fühler und Umgebung sowie ungeeignete Leitungen oder Anschlüsse.
Für zuverlässige Messungen sollte das Messgerät ausreichend stabilisiert, der richtige Thermoelementfühler mit geeigneten Anschlusskomponenten verwendet und auf eine fachgerechte Fühlermontage sowie kontrollierte thermische Bedingungen an den Anschlussstellen geachtet werden.
