Einleitung

Wird derselbe Thermoelementfühler an zwei unterschiedliche Thermoelement-Thermometer angeschlossen, stimmen die angezeigten Temperaturen häufig nicht vollständig überein. So kann beispielsweise ein Gerät 100,3 °C anzeigen, während ein anderes 101,1 °C anzeigt. Dies bedeutet nicht automatisch, dass eines der Geräte fehlerhaft ist.

Eine Thermoelementmessung wird nicht allein vom Fühler bestimmt. Sie umfasst eine komplette Messkette aus Thermoelement, Steckverbindungen, Messelektronik, Kaltstellenkompensation, Signalverarbeitung, Linearisierung und der Genauigkeit des Messgeräts selbst. Abweichungen in jedem dieser Bereiche können das Endergebnis beeinflussen.

Die wichtigsten Punkte

● Geringe Abweichungen zwischen zwei Thermometern mit demselben Thermoelement sind häufig normal;
● Gerätegenauigkeit und individuelle Kalibrierabweichungen beeinflussen den Messwert direkt;
● Die Kaltstellenkompensation ist eine der wichtigsten Ursachen für unterschiedliche Anzeigen;
● Beide Geräte müssen auf denselben und zum Fühler passenden Thermoelementtyp eingestellt sein, z. B. K, J, T oder E;
● Umgebungstemperatur, Steckertemperatur, Linearisierung und digitale Filterung können das Ergebnis beeinflussen;
● Die Bewertung sollte unter Berücksichtigung von Gerätegenauigkeit, Thermoelementtoleranz und gesamter Messunsicherheit erfolgen.

Warum liefert dasselbe Thermoelement nicht automatisch identische Messwerte?

Ein Thermoelement gibt keinen direkten Temperaturwert aus. Es erzeugt entsprechend der Temperaturdifferenz zwischen Messstelle und Referenzstelle eine sehr kleine Thermospannung, üblicherweise im Millivoltbereich.

Das Thermometer misst diese Spannung, erfasst die Temperatur an seinen Eingangsklemmen, führt eine Kaltstellenkompensation durch und wandelt anschließend die korrigierte Thermospannung anhand der Kennlinie des ausgewählten Thermoelementtyps in einen Temperaturwert um.

Der Messvorgang lässt sich daher wie folgt zusammenfassen:

● Das Thermoelement erfasst die Temperatur an der Messstelle;
● Es entsteht eine entsprechende Thermospannung;
● Das Thermometer misst diese Spannung;
● Das Gerät erfasst die Referenztemperatur im Bereich der Eingangsklemmen;
● Die Kaltstellenkompensation korrigiert die Referenzstellentemperatur;
● Das Gerät linearisiert das Signal entsprechend dem Thermoelementtyp;
● Die Temperatur wird angezeigt.

Unterschiede in einem dieser Schritte können dazu führen, dass zwei Geräte trotz desselben Thermoelements verschiedene Werte anzeigen.

Unterschiedliche Gerätegenauigkeit

Thermoelement-Thermometer besitzen je nach Ausführung unterschiedliche Genauigkeitsspezifikationen.

Sind zwei Geräte beispielsweise mit demselben K-Thermoelement verbunden und weisen Grundgenauigkeiten von ±0,5 °C bzw. ±1,0 °C auf, ist eine sichtbare Differenz zwischen den Anzeigen durchaus möglich.

Die Genauigkeitsangabe beschreibt einen zulässigen Fehlerbereich. Sie bedeutet nicht, dass jedes Gerät exakt denselben Wert anzeigen muss.

Bei einer tatsächlichen Temperatur von 100,0 °C könnten beispielsweise:

● Thermometer A 100,4 °C anzeigen;
● Thermometer B 99,6 °C anzeigen.

Beide Geräte können dennoch innerhalb ihrer spezifizierten Fehlergrenzen arbeiten.

Daher sollte keines der beiden Geräte allein aufgrund seiner Anzeige als absolute Referenz betrachtet werden.

Unterschiede bei der Kaltstellenkompensation

Die Kaltstellenkompensation ist ein zentraler Bestandteil der Thermoelementmessung und eine häufige Ursache für unterschiedliche Messwerte.

Die Thermospannung eines Thermoelements entspricht der Temperaturdifferenz zwischen Messstelle und Referenzstelle. Digitale Thermoelement-Thermometer verfügen deshalb normalerweise über einen internen Temperatursensor in der Nähe der Eingangsklemmen, der die Referenzstellentemperatur erfasst und elektronisch kompensiert.

Zwischen verschiedenen Geräten können Unterschiede entstehen durch:

● Unterschiedliche Genauigkeit des internen Referenztemperatursensors;
● Unterschiedliche Position des Sensors relativ zu den Eingangsklemmen;
● Unterschiedliche thermische Konstruktion des Geräts;
● Unterschiedliche Kompensationsalgorithmen;
● Fehlendes thermisches Gleichgewicht nach einem Wechsel zwischen kalten und warmen Umgebungen.

Ermitteln zwei Geräte unterschiedliche Referenzstellentemperaturen, können sie trotz identischer Thermospannung unterschiedliche Endwerte berechnen.

Falsch eingestellter Thermoelementtyp

Dieser Punkt sollte bei der Fehlersuche als Erstes überprüft werden.

Verschiedene Thermoelementtypen bestehen aus unterschiedlichen Werkstoffpaarungen und besitzen unterschiedliche Thermospannungs-Temperatur-Kennlinien. Ein Thermoelement vom Typ K verhält sich daher beispielsweise anders als ein Typ J, T oder E.

Wird ein K-Thermoelement verwendet, aber:

● Thermometer A ist auf Typ K eingestellt;
● Thermometer B ist fälschlicherweise auf Typ J eingestellt;

verwenden beide Geräte unterschiedliche Kennlinien zur Umrechnung desselben Eingangssignals. Dadurch können deutliche Messwertabweichungen entstehen.

Vor einem Vergleich sollte daher geprüft werden:

● Beide Geräte sind auf denselben Thermoelementtyp eingestellt;
● Der gewählte Typ entspricht dem tatsächlich verwendeten Fühler;
● Die Einheit °C / °F ist korrekt eingestellt.

Geringfügige Unterschiede bei der Linearisierung

Die Beziehung zwischen Thermospannung und Temperatur ist nicht linear. Digitale Thermometer müssen deshalb eine Linearisierung durchführen.

Je nach Gerätekonzept können dabei unterschiedliche Verfahren verwendet werden:

● Referenztabellen für Thermoelemente;
● Polynomische Berechnungen;
● Abschnittsweise Linearisierung;
● Digitale, im Gerät implementierte Algorithmen.

Unterschiedliche Berechnungsmethoden und Rechenauflösungen können insbesondere in bestimmten Temperaturbereichen kleine Abweichungen verursachen.

Bei hochwertigen Messgeräten sind diese Unterschiede normalerweise gering, können bei anspruchsvollen Messaufgaben jedoch relevant sein.

Unterschiedlicher Kalibrierzustand

Auch zwei baugleiche Thermometer müssen über ihre gesamte Nutzungsdauer hinweg nicht exakt dieselben Messeigenschaften besitzen.

Elektronische Bauteile können sich durch Alterung, Temperaturwechsel und Umwelteinflüsse geringfügig verändern. Jedes Messgerät besitzt daher einen eigenen Kalibrierzustand.

Beispielsweise:

● Thermometer A wurde kürzlich kalibriert;
● Thermometer B wurde mehrere Jahre verwendet und nicht erneut kalibriert.

In diesem Fall kann zwischen beiden Geräten eine dauerhafte systematische Abweichung entstehen.

Wenn ein Gerät an mehreren Prüfpunkten stets um einen ähnlichen Betrag höher oder niedriger misst, sollte eine mögliche Kalibrierdrift berücksichtigt werden.

Einfluss von Steckverbindern und Anschlusstemperaturen

Thermoelement-Messsysteme reagieren empfindlich auf die verwendeten Anschlussmaterialien und deren Temperatur.

Vom Fühler bis zum Eingang des Messgeräts sollten geeignete, zum Thermoelementtyp passende Materialien verwendet werden. Werden an Stellen mit Temperaturgradienten ungeeignete Metalle eingebracht, können zusätzliche Thermospannungen entstehen.

Zu prüfen sind insbesondere:

● Der verwendete Thermoelementstecker entspricht dem Thermoelementtyp;
● Die Polarität ist korrekt;
● Eine geeignete Thermoelement-Verlängerungs- oder Ausgleichsleitung wird verwendet;
● Steckverbindungen sind nicht locker, oxidiert oder verschmutzt;
● Die Eingangsklemmen beider Geräte befinden sich nicht in deutlich unterschiedlichen Temperaturumgebungen.

Bei präzisen Messungen können direkte Sonneneinstrahlung, Warmluft, interne Geräteerwärmung oder kalte Luftströmungen im Bereich der Anschlüsse die Kaltstellenkompensation beeinflussen.

Umgebungstemperatur und thermisches Gleichgewicht

Unterschiedliche Umgebungsbedingungen können vorübergehend ebenfalls zu abweichenden Anzeigen führen.

Wird beispielsweise ein Thermometer aus einem kalten Lager in eine warme Werkstatt gebracht, während sich das zweite Gerät bereits seit längerer Zeit dort befindet, unterscheiden sich zunächst ihre internen Temperaturen. Die Kaltstellenkompensation benötigt dann Zeit, bis sich ein neues thermisches Gleichgewicht eingestellt hat.

Nach deutlichen Änderungen der Umgebungstemperatur sollte ein präziser Gerätevergleich deshalb nicht unmittelbar durchgeführt werden.

Beide Geräte sollten zunächst in derselben Umgebung stabilisiert werden.

Auflösung ist nicht gleich Genauigkeit

Mehr Anzeigestellen bedeuten nicht automatisch eine höhere Messgenauigkeit.

Beispielsweise:

● Thermometer A hat eine Auflösung von 0,1 °C;
● Thermometer B hat eine Auflösung von 1 °C.

Thermometer A kann kleinere Temperaturänderungen darstellen. Daraus folgt jedoch nicht automatisch, dass sein tatsächlicher Messfehler geringer ist.

Bei einem Gerätevergleich ist daher die spezifizierte Messgenauigkeit wichtiger als die reine Anzeigeauflösung.

Filterung und Ansprechzeit können kurzfristige Unterschiede verursachen

Ändert sich die Temperatur während der Messung, können zwei Thermometer vorübergehend unterschiedliche Werte anzeigen, obwohl sie sich im stabilen Zustand weitgehend annähern.

Einige Geräte verwenden digitale Filter oder Mittelwertbildung, um Schwankungen der Anzeige zu reduzieren. Unterschiede bei Filterstärke, Abtastrate und Aktualisierungsrate können dazu führen, dass:

● Ein Gerät schneller auf Temperaturänderungen reagiert;
● Das andere eine stabilere, aber langsamere Anzeige liefert.

Bei schnellen Temperaturanstiegen oder -abfällen können daher größere Momentanabweichungen auftreten als unter stabilen Bedingungen.

Für einen aussagekräftigen Vergleich sollte gewartet werden, bis sowohl die Temperatur als auch die Anzeigen stabil sind.

Wie lässt sich beurteilen, ob die Abweichung normal ist?

Unterschiedliche Messwerte bedeuten nicht automatisch, dass eines der Thermometer defekt ist.

Bei der Bewertung sollten berücksichtigt werden:

● Toleranz des Thermoelements;
● Messgenauigkeit des Thermometers;
● Fehler der Kaltstellenkompensation;
● Kalibrierzustand;
● Stabilität der Messumgebung;
● Anschlussart;
● Wiederholbarkeit der Messung.

Beträgt die Differenz beispielsweise 0,5 °C und liegen die zulässigen Fehler beider Geräte in einer ähnlichen Größenordnung, kann die Abweichung vollständig innerhalb der Spezifikation liegen.

Bei einer Differenz von mehreren zehn Grad sollten dagegen zunächst Thermoelementtyp, Polarität, Anschlussmaterialien und mögliche Gerätefehler überprüft werden.

Wie sollten zwei Thermoelement-Thermometer korrekt verglichen werden?

Für einen aussagekräftigen Vergleich sollten die Prüfbedingungen möglichst identisch gehalten werden:

● Dasselbe, einwandfrei funktionierende Thermoelement verwenden;
● Beide Geräte auf denselben Thermoelementtyp einstellen;
● Beide Geräte in derselben Umgebung platzieren und thermisch stabilisieren lassen;
● Steckverbindungen vor direkter Wärme-, Kälte- und Sonneneinstrahlung schützen;
● Vergleich an stabilen Temperaturpunkten durchführen;
● Messwerte erst nach ausreichender Stabilisierung erfassen;
● Nicht nur einen, sondern mehrere Temperaturpunkte im niedrigen, mittleren und höheren Bereich vergleichen.

Soll festgestellt werden, welches Gerät näher am tatsächlichen Temperaturwert liegt, ist ein rückführbar kalibriertes Referenzthermometer, ein Trockenblockkalibrator, ein Temperaturbad oder eine andere geeignete Kalibriereinrichtung erforderlich.

Warum kann nicht einfach entschieden werden, welches Thermometer „richtig“ ist?

Unterschiedliche Anzeigen bedeuten nicht automatisch, dass ein Gerät richtig und das andere falsch misst.

Beispielsweise:

● Referenztemperatur: 100,0 °C;
● Thermometer A: 100,6 °C;
● Thermometer B: 99,7 °C.

Nur wenn die tatsächliche Referenztemperatur unabhängig bekannt ist, lässt sich feststellen, welches Gerät näher am Referenzwert liegt.

Ohne eine rückführbare Temperaturreferenz zeigt ein Vergleich zweier normaler Thermometer lediglich, dass eine Differenz besteht. Er zeigt nicht, welches Gerät genauer ist.

FAQ

Ist eine Differenz von 1 °C zwischen zwei Thermometern mit demselben Thermoelement normal?
Das ist möglich. Entscheidend sind die Genauigkeitsspezifikationen beider Geräte, die Toleranz des Thermoelements und die Prüfbedingungen. Eine Abweichung von 1 °C allein weist noch nicht auf einen Defekt hin.

Warum zeigen selbst zwei Thermometer desselben Modells nicht exakt denselben Wert?
Auch baugleiche Geräte unterliegen Bauteiltoleranzen sowie individuellen Unterschieden bei Kaltstellensensor und Kalibrierzustand. Die Anzeigen müssen daher nicht vollständig identisch sein.

Ab welcher Differenz liegt ein ungewöhnlicher Messfehler vor?
Es gibt keinen allgemein gültigen festen Grenzwert. Die Abweichung muss anhand der spezifizierten Genauigkeit beider Geräte und der gesamten Messunsicherheit beurteilt werden. Überschreitet sie den erwartbaren Fehlerbereich deutlich, sollte die Messkette überprüft werden.

Warum ist die Differenz direkt nach dem Anschließen des Thermoelements häufig größer?
Steckertemperatur, Kaltstellenkompensation, Fühlertemperatur und Geräteansprechzeit sind möglicherweise noch nicht stabil. Ein Vergleich ist nach Erreichen des thermischen Gleichgewichts aussagekräftiger.

Kann Eiswasser zur Prüfung von zwei Thermoelement-Thermometern verwendet werden?
Ein korrekt hergestelltes Eis-Wasser-Gemisch kann für eine grundlegende Funktionsprüfung geeignet sein. Eintauchtiefe, Fühlerposition und thermisches Gleichgewicht müssen dabei kontrolliert werden. Für eine formale Genauigkeitsprüfung sollten kalibrierte Referenzeinrichtungen verwendet werden.

Muss das Thermoelement neu kalibriert werden, wenn das Thermometer gewechselt wird?
Für allgemeine Messungen ist dies nicht zwingend erforderlich. Bei höheren Genauigkeitsanforderungen oder qualitätsrelevanten Anwendungen sollte jedoch die gesamte Messkette aus Fühler und Messgerät überprüft werden, da beide Komponenten zum Gesamtfehler beitragen.

Fazit

Unterschiedliche Messwerte desselben Thermoelements an zwei Thermometern weisen nicht automatisch auf einen Defekt hin. Eine Thermoelementmessung besteht aus einer vollständigen Messkette, deren Ergebnis von Thermoelementeigenschaften, Gerätegenauigkeit, Kaltstellenkompensation, Thermoelementtyp, Linearisierung, Anschlussbedingungen, Umgebungstemperatur und Kalibrierzustand beeinflusst wird.

Bei kleinen Abweichungen sollten zunächst die Genauigkeitsspezifikationen der Geräte sowie Thermoelementtyp, Anschlussart und Umgebungsbedingungen überprüft werden. Bleibt die Differenz bestehen oder überschreitet sie den erwartbaren Fehlerbereich deutlich, sollte die Messkette mit geeigneten kalibrierten Temperaturreferenzen geprüft werden.

Bei industriellen Prüfungen, Labormessungen, HVAC-Inbetriebnahmen, Instandhaltung und Prozessüberwachung ist es nicht entscheidend, dass zwei normale Thermometer exakt denselben Wert anzeigen. Entscheidend ist vielmehr, ob der Gesamtmessfehler innerhalb der für die jeweilige Anwendung zulässigen Grenzen liegt.