Einleitung

Thermoelemente gehören zu den am häufigsten eingesetzten Temperatursensoren in der industriellen Instandhaltung, in Laboren, in HVAC-Anwendungen, Heizsystemen, elektrischen Prüfungen und Produktionsprozessen.

Anders als Widerstandsthermometer oder Thermistoren, die Temperatur über eine Widerstandsänderung erfassen, erzeugt ein Thermoelement bei einem Temperaturgefälle eine kleine elektrische Spannung. Das Messgerät erfasst diese Spannung und berechnet daraus unter Berücksichtigung des Thermoelementtyps und der Referenztemperatur den Temperaturwert.

Für das Verständnis des Messprinzips sind drei Begriffe entscheidend: unterschiedliche Leiterwerkstoffe, Temperaturdifferenz und Thermospannung.

Das Wichtigste im Überblick

● Ein Thermoelement besteht üblicherweise aus zwei unterschiedlichen Leiterwerkstoffen.
● Das Messprinzip basiert auf dem Seebeck-Effekt.
● Das Thermoelement liefert zunächst eine Thermospannung und keinen direkten Temperaturwert.
● Das Messgerät muss den richtigen Thermoelementtyp verwenden, um Spannung korrekt in Temperatur umzuwandeln.
● Da sich das Messergebnis auf die Temperaturverhältnisse zwischen Messstelle und Referenzstelle bezieht, ist in elektronischen Messgeräten eine Kaltstellenkompensation erforderlich.
● Häufig verwendete Typen sind K, J, T, E, N, R, S und B.
● Messgenauigkeit wird unter anderem durch Thermoelementtyp, Leitungen, Stecker, Umgebungsbedingungen, Kontaktqualität und Messgerät beeinflusst.

Was ist ein Thermoelement?

Ein Thermoelement ist ein Temperatursensor, der die thermoelektrischen Eigenschaften zweier unterschiedlicher Leiter nutzt.

Im einfachsten Aufbau werden zwei Drähte aus unterschiedlichen Metallen oder Legierungen miteinander verbunden. Die Verbindung am Fühlerende wird als Messstelle, Messstelle des Thermoelements oder Heißstelle bezeichnet.

Ein Thermoelement Typ K besteht beispielsweise aus zwei unterschiedlichen Nickellegierungen.

Bei einem Temperaturgefälle innerhalb des Thermoelementkreises entsteht eine sehr kleine Thermospannung. Sie liegt typischerweise im Mikrovolt- bis Millivoltbereich und muss deshalb mit einem geeigneten Thermoelement-Thermometer, Datenlogger, Messwerterfassungssystem oder Temperaturtransmitter ausgewertet werden.

Die Ausgangsspannung entspricht nicht einfach einem bestimmten absoluten Temperaturwert. Sie wird durch die thermoelektrischen Eigenschaften der Werkstoffe und die Temperaturverteilung innerhalb des Messkreises bestimmt.

Warum kann ein Thermoelement Temperatur messen?

Das physikalische Grundprinzip ist der Seebeck-Effekt.

Wenn entlang eines elektrischen Leiters ein Temperaturgefälle besteht, verändert sich die Energieverteilung der Ladungsträger. Dadurch entsteht ein temperaturabhängiges elektrisches Potenzial. Da unterschiedliche Materialien unterschiedliche thermoelektrische Eigenschaften besitzen, ergibt sich in einem Messkreis aus zwei verschiedenen Leitern eine messbare Thermospannung.

Der Messvorgang lässt sich vereinfacht darstellen:

● Zwei unterschiedliche Leiter bilden das Thermoelement.
● Die Messstelle befindet sich am zu messenden Objekt oder Medium.
● Das andere Ende ist mit dem Messgerät verbunden.
● Innerhalb des Kreises besteht ein Temperaturunterschied.
● Eine Thermospannung entsteht.
● Das Messgerät erfasst diese Spannung.
● Aus Thermoelementtyp und Referenztemperatur wird die Temperatur der Messstelle berechnet.

Ein Temperaturgefälle ist somit die Grundlage des verwendeten thermoelektrischen Signals.

Befände sich der gesamte Thermoelementkreis auf exakt gleicher Temperatur, würde die resultierende Nettospannung nicht einfach diese absolute Temperatur darstellen.

Misst ein Thermoelement Temperatur oder Spannung?

Das Thermoelement selbst erzeugt zunächst eine elektrische Spannung.

Diese wird als Thermospannung beziehungsweise thermoelektrische EMK bezeichnet. Ihre Größe hängt von der Materialkombination und den Temperaturverhältnissen zwischen Mess- und Referenzstelle ab.

Jeder Thermoelementtyp besitzt eine eigene Kennlinie zwischen Temperatur und Thermospannung.

Ein Thermoelement Typ K erzeugt beispielsweise bei gleichen Temperaturbedingungen nicht exakt dieselbe Spannung wie ein Typ T. Deshalb muss das Messgerät wissen, welcher Thermoelementtyp angeschlossen ist.

Digitale Messgeräte verwenden hierfür hinterlegte Referenzkennlinien, Polynome oder numerische Berechnungsverfahren.

Wird beispielsweise ein Typ-K-Fühler angeschlossen, während das Gerät auf Typ J eingestellt ist, können erhebliche Messabweichungen auftreten, obwohl weder Fühler noch Messgerät defekt sind.

Was ist die Messstelle eines Thermoelements?

Die Verbindung der beiden Thermodrähte am Fühlerende wird als Messstelle oder Heißstelle bezeichnet.

Diese Stelle muss während der Messung ausreichend Wärme mit dem zu messenden Objekt oder Medium austauschen.

Bei Oberflächenmessungen muss der Fühler möglichst stabil und thermisch gut an der Oberfläche anliegen. Bei Luft- oder Gasmessungen muss der Fühler ausreichend vom Medium umströmt werden.

Gemessen wird letztlich die Temperatur, die die Messstelle selbst erreicht.

Hat sie sich thermisch noch nicht ausreichend an das Messobjekt angeglichen, kann die Anzeige vorübergehend über oder unter der tatsächlichen Zieltemperatur liegen.

Daraus ergibt sich die für jeden Temperaturfühler typische Ansprechzeit.

Warum benötigt ein Thermoelement eine Referenzstelle?

Die Thermospannung hängt von Temperaturdifferenzen ab. Deshalb lässt sich allein aus der gemessenen Millivoltspannung die absolute Temperatur der Messstelle nicht bestimmen.

Bleibt die Messstellentemperatur konstant, während sich die Temperatur an den Eingangsanschlüssen des Messgeräts ändert, verändert sich auch das gemessene thermoelektrische Signal.

Thermoelement-Referenzdaten beziehen sich üblicherweise auf eine Referenzstelle bei 0 °C.

In der Praxis befinden sich die Anschlüsse eines Handmessgeräts jedoch meist bei Raumtemperatur.

Elektronische Thermoelement-Messgeräte messen deshalb die tatsächliche Temperatur im Bereich ihrer Eingangsanschlüsse und korrigieren deren Einfluss rechnerisch.

Dieser Vorgang wird als Kaltstellenkompensation bezeichnet.

Was ist die Kaltstellenkompensation?

Die Kaltstellenkompensation ist ein wesentlicher Bestandteil der Thermoelementmessung.

Beim Anschluss des Thermoelements an ein Messgerät gehen die Thermodrähte schließlich in Kupferleiter oder andere interne Leiter über. Dadurch entstehen zusätzliche Materialübergänge, deren Temperatur berücksichtigt werden muss.

Moderne Thermoelement-Thermometer besitzen deshalb in der Nähe der Eingangsbuchsen einen separaten Temperatursensor.

Das Gerät berücksichtigt anschließend:

● die gemessene Thermospannung;
● den gewählten Thermoelementtyp;
● die Temperatur an den Eingangsklemmen;
● die zugehörige Temperatur-Thermospannungs-Kennlinie.

Auf dieser Grundlage wird die Temperatur der Messstelle berechnet.

Die Temperaturbestimmung erfolgt somit nicht durch eine einfache Multiplikation der Spannung mit einem festen Faktor. Erforderlich sind Präzisionsspannungsmessung, Kaltstellenkompensation und nichtlineare Kennlinienumrechnung.

Was geschieht vom Kontakt des Fühlers bis zur Temperaturanzeige?

Am Beispiel eines Typ-K-Thermoelements:

● Die Messstelle kommt mit dem Messobjekt in Kontakt und tauscht Wärme aus.
● Die Temperatur der Messstelle verändert sich.
● Aufgrund des Temperaturgefälles entsteht eine Thermospannung.
● Das Millivoltsignal gelangt zum Thermoelement-Thermometer.
● Das Gerät verwendet die Kennlinie für Typ K.
● Die Temperatur der Referenzstelle an den Eingangsklemmen wird erfasst.
● Die Kaltstellenkompensation wird angewendet.
● Das Signal wird anhand der Typ-K-Kennlinie in Temperatur umgerechnet.
● Der berechnete Wert wird angezeigt.

Das Thermoelement wandelt die Temperaturinformation in ein elektrisches Signal um. Das Messgerät übernimmt Signalaufnahme, Kompensation, Linearisierung und Anzeige.

Welche Thermoelementtypen gibt es?

Je nach Werkstoffkombination existieren verschiedene standardisierte Thermoelementtypen.

Häufig eingesetzt werden:

● Typ K: Sehr verbreitet für industrielle Instandhaltung, HVAC, Heiztechnik und allgemeine Temperaturmessungen.
● Typ J: Häufig in bestimmten industriellen Anlagen und älteren Messsystemen.
● Typ T: Besonders geeignet für niedrige und mittlere Temperaturbereiche.
● Typ E: Besitzt eine vergleichsweise hohe Thermospannung und gute Empfindlichkeit.
● Typ N: Geeignet für erhöhte Temperaturen und in einigen Anwendungen mit guter Hochtemperaturstabilität.
● Typ R, S und B: Vor allem für hohe Temperaturen in Industrie, Labor und Ofentechnik.

Die verschiedenen Thermoelementtypen sind nicht beliebig austauschbar, da Werkstoffe, Messbereiche und thermoelektrische Kennlinien unterschiedlich sind.

Warum ist die Temperatur-Spannungs-Kennlinie nicht linear?

Die Thermospannung eines Thermoelements verändert sich mit der Temperatur nicht vollständig linear.

Es gibt daher keinen über den gesamten Messbereich gültigen Zusammenhang wie:

Temperatur = Thermospannung × konstanter Faktor

In kleinen Temperaturbereichen kann die Empfindlichkeit näherungsweise in µV/°C angegeben werden. Sie ändert sich jedoch mit der Temperatur.

Professionelle Thermoelement-Messgeräte verwenden deshalb Referenzkennlinien oder mathematische Polynome zur nichtlinearen Umrechnung.

Diese Linearisierung ist eine wichtige Funktion der digitalen Signalverarbeitung.

Warum eignen sich Thermoelemente für große Temperaturbereiche?

Die Messstelle eines Thermoelements ist konstruktiv vergleichsweise einfach und benötigt keine komplexe Elektronik direkt am Fühlerende.

Abhängig von Thermoelementtyp, Isolierung, Schutzmantel und Fühlerkonstruktion lassen sich Anwendungen von niedrigen bis zu sehr hohen Temperaturen realisieren.

Typische Bauformen sind:

● Draht- oder Perlenfühler für Luft, Gase und schnelle allgemeine Messungen;
● Oberflächenfühler für Rohre, Metallplatten und Maschinenteile;
● Einstechfühler für Flüssigkeiten, weiche Werkstoffe und halb feste Medien;
● Luft- und Gasfühler für Kanäle und Umgebungsbereiche;
● Hochtemperaturfühler für Öfen, Heizgeräte und industrielle Prozesse.

Das Thermoelementprinzip kann damit an sehr unterschiedliche Anwendungen angepasst werden.

Welche Faktoren beeinflussen die Messgenauigkeit?

Die Genauigkeit einer Thermoelementmessung hängt vom gesamten Messsystem ab.

● Richtiger Thermoelementtyp: Fühler und Geräteeinstellung müssen übereinstimmen.
● Toleranz des Thermoelements: Materialqualität und Genauigkeitsklasse beeinflussen die Abweichung.
● Kaltstellenkompensation: Fehler der Referenztemperatur wirken direkt auf das Messergebnis.
● Messgerätegenauigkeit: Spannungsmessung, Signalverarbeitung und Berechnung tragen zur Gesamtunsicherheit bei.
● Thermischer Kontakt: Schlechter Oberflächenkontakt kann erhebliche Messfehler verursachen.
● Ansprechzeit: Bei schnellen Temperaturänderungen folgt der Fühler dem Prozess zeitlich verzögert.
● Leitungen und Steckverbinder: Falsche Materialien können zusätzliche Thermospannungen erzeugen.
● Änderungen der Umgebungstemperatur: Nach einem starken Temperaturwechsel des Messgeräts kann eine Stabilisierungszeit erforderlich sein.
● Elektromagnetische Störungen: Wegen des sehr kleinen Thermoelementsignals können geeignete Leitungsführung und Abschirmung notwendig sein.

Für präzise Messungen müssen daher Fühler, Messgerät, Verkabelung und Anwendung gemeinsam betrachtet werden.

Kann ein Thermoelement mit normalem Kupferdraht verlängert werden?

Eine beliebige Verlängerung mit normalem Kupferdraht ist grundsätzlich nicht empfehlenswert.

Werden zusätzliche Materialien in den Thermoelementkreis eingeführt und liegen die Übergangsstellen auf unterschiedlichen Temperaturen, können zusätzliche Thermospannungen entstehen.

Für größere Leitungslängen sollten deshalb passende Thermoleitungen, Ausgleichsleitungen oder Verlängerungsleitungen für den jeweiligen Thermoelementtyp verwendet werden.

Auch die Steckverbinder sollten für den jeweiligen Typ ausgelegt sein.

Was ist der Unterschied zwischen Thermoelement und Thermoelement-Thermometer?

Ein Thermoelement ist der eigentliche Temperatursensor. Es erzeugt aus der Temperaturinformation ein kleines elektrisches Signal.

Ein Thermoelement-Thermometer ist das Messgerät, das dieses Signal erfasst, die Kaltstellenkompensation durchführt, die Kennlinie linearisiert und den Temperaturwert anzeigt.

Ein vollständiges mobiles Messsystem besteht typischerweise aus:

● Thermoelementfühler;
● Thermoleitung und passenden Steckverbindern;
● Thermoelement-Thermometer;
● Kaltstellenkompensation;
● Signalverarbeitung und Temperaturumrechnung.

Unterschiedliche Fühlerbauformen können verwendet werden, sofern Typ und Geräteeingang zueinander passen.

Wie unterscheiden sich Thermoelement, RTD und Thermistor?

Alle drei Sensortypen messen Temperatur, beruhen jedoch auf unterschiedlichen physikalischen Prinzipien.

● Thermoelemente verwenden eine thermoelektrische Spannung.
● RTDs nutzen die temperaturabhängige Widerstandsänderung eines metallischen Messelements.
● Thermistoren nutzen die stark temperaturabhängige Widerstandskennlinie von Halbleitermaterialien.

Thermoelemente bieten häufig Vorteile bei großen Temperaturbereichen, hohen Temperaturen, flexiblen Fühlerkonstruktionen und kurzen Ansprechzeiten.

Welcher Sensortyp am besten geeignet ist, hängt jedoch von Messbereich, Genauigkeitsanforderung, Reaktionszeit, Bauform, Umgebungsbedingungen und Kosten ab.

FAQ

Benötigt ein Thermoelement eine Stromversorgung?

Das eigentliche Thermoelement benötigt keine externe Erregerspannung, um seine Thermospannung zu erzeugen. Das digitale Messgerät, Display, die Signalverarbeitung und die Kaltstellenkompensation benötigen jedoch eine Stromversorgung.

Misst ein Thermoelement die absolute Temperatur?

Das Thermoelementsignal hängt von Temperaturunterschieden innerhalb des Messkreises ab. Das Messgerät erfasst zusätzlich die Referenztemperatur und berechnet daraus die Temperatur der Messstelle.

Warum liefert ein Thermoelement nur wenige Millivolt?

Die thermoelektrischen Koeffizienten der verwendeten Werkstoffe sind klein. Deshalb liegen Thermoelementsignale üblicherweise im Mikrovolt- bis Millivoltbereich.

Kann ein Typ-K-Thermoelement mit der Einstellung Typ J gemessen werden?

Nein. Beide Typen besitzen unterschiedliche Temperatur-Spannungs-Kennlinien und können bei falscher Einstellung deutliche Messfehler verursachen.

Was passiert bei vertauschter Polarität?

Thermoelemente sind polaritätsabhängig. Werden Plus- und Minusleiter vertauscht, kann das Messsignal mit falschem Vorzeichen erfasst werden und die Anzeige wird fehlerhaft.

Warum stabilisiert sich die Anzeige nicht sofort?

Der Fühler besitzt eine thermische Masse und benötigt Zeit für den Wärmeaustausch mit dem Messobjekt. Bauform, Größe, Kontakt und Medium beeinflussen die Ansprechzeit.

Kann ein normales Multimeter die Thermoelementtemperatur messen?

Ein Multimeter kann möglicherweise die Millivoltspannung erfassen. Ohne passende Kennlinienumrechnung und Kaltstellenkompensation lässt sich daraus jedoch kein genauer Temperaturwert bestimmen.

Zusammenfassung

Ein Thermoelement ist ein Temperatursensor, der den Seebeck-Effekt nutzt. Zwei unterschiedliche Leiterwerkstoffe erzeugen bei einem Temperaturgefälle eine kleine Thermospannung.

Das Thermoelement gibt nicht direkt einen Temperaturwert aus. Das angeschlossene Messgerät erfasst zunächst die Spannung, führt die Kaltstellenkompensation durch und berechnet anhand der passenden Kennlinie die Temperatur der Messstelle.

Die Messkette lässt sich wie folgt zusammenfassen:

Messobjekttemperatur → Temperaturgefälle im Thermoelement → Thermospannung → Spannungsmessung → Kaltstellenkompensation → nichtlineare Umrechnung → Temperaturanzeige.

Zuverlässige Messergebnisse setzen deshalb nicht nur den richtigen Thermoelementtyp voraus, sondern auch eine geeignete Fühlerkonstruktion, guten thermischen Kontakt, korrekte Leitungen, stabile Referenzbedingungen und ein ausreichend genaues Messgerät.