Einleitung
Ein Thermoelement ist ein Temperatursensor, der auf dem thermoelektrischen Effekt basiert. Werden zwei unterschiedliche Leiter zu einem Thermoelementkreis verbunden und befinden sich die Übergangsstellen auf unterschiedlichen Temperaturen, entsteht eine Thermospannung. Ein Thermoelement misst deshalb nicht unmittelbar die absolute Temperatur an einem einzelnen Punkt, sondern reagiert auf die Temperaturdifferenz zwischen Messstelle und Referenzstelle.
In der Praxis werden die Thermoelementleitungen üblicherweise an ein Thermometer, ein Datenerfassungssystem, einen Regler oder ein anderes Messgerät angeschlossen. Die Temperatur an dieser Anschlussstelle ist jedoch nicht konstant. Wird eine Änderung der Referenzstellentemperatur nicht berücksichtigt, kann die berechnete Temperatur einen zusätzlichen Messfehler enthalten.
Moderne Thermoelement-Messgeräte verwenden daher in der Regel eine Kaltstellenkompensation (Cold Junction Compensation, CJC). Dabei wird die Temperatur in der Nähe der Referenzstelle erfasst und rechnerisch in die Temperaturbestimmung einbezogen.
Das Wichtigste im Überblick
● Die Thermospannung eines Thermoelements hängt von der Temperaturdifferenz zwischen Messstelle und Referenzstelle ab und nicht ausschließlich von der Temperatur der Messstelle.
● Die Kaltstellenkompensation korrigiert den Einfluss von Temperaturänderungen am Thermoelementeingang.
● Moderne digitale Thermoelement-Thermometer führen die CJC in der Regel automatisch mithilfe eines internen Temperatursensors durch.
● Genauigkeit, Position und thermische Ankopplung des CJC-Sensors sowie die Temperaturstabilität im Gerät beeinflussen die Messgenauigkeit.
● Die CJC kann Fehler des Thermoelements, der Installation, der Verdrahtung, der Umgebungsbedingungen oder des Messgeräts selbst nicht vollständig kompensieren.
Warum benötigen Thermoelemente eine Kaltstellenkompensation?
Ein Thermoelement besteht aus zwei unterschiedlichen Leitermaterialien. Befindet sich die Messstelle auf der Temperatur T₁ und die Referenzstelle auf der Temperatur T₂, entsteht eine entsprechende Thermospannung.
Vereinfacht lässt sich der Zusammenhang wie folgt beschreiben:
Thermoelement-Ausgangssignal = Thermospannung entsprechend der Temperaturdifferenz zwischen Messstelle und Referenzstelle
Befindet sich beispielsweise die Messstelle bei einer hohen Temperatur, während der Anschluss am Messgerät annähernd Raumtemperatur hat, repräsentiert die vom Gerät erfasste Thermospannung den thermoelektrischen Zusammenhang zwischen diesen beiden Temperaturen.
Ändert sich die Temperatur der Referenzstelle, kann sich die Thermospannung verändern, obwohl die tatsächliche Temperatur des Messobjekts konstant bleibt.
Würde das Messgerät die Thermospannung direkt in einen Temperaturwert umrechnen, ohne die Referenzstellentemperatur zu berücksichtigen, wäre das Messergebnis fehlerhaft.
Die Kaltstellenkompensation ermittelt deshalb die tatsächliche Temperatur der Referenzstelle und berücksichtigt deren Einfluss bei der Temperaturberechnung.
Was ist die „Kaltstelle“ eines Thermoelements?
„Kaltstelle“ ist ein historisch etablierter Begriff aus der Thermoelementtechnik. Technisch präziser ist die Bezeichnung Referenzstelle.
Die Kaltstelle muss nicht tatsächlich kalt sein.
Befindet sich die Messstelle beispielsweise bei 500 °C und der Geräteeingang bei 25 °C, ist die Referenzstelle deutlich kühler. Wird dagegen eine Temperatur von −50 °C gemessen, während das Messgerät bei 20 °C betrieben wird, ist die sogenannte Kaltstelle wärmer als die Messstelle.
Die Bezeichnung Referenzstelle beschreibt die Funktion daher genauer.
Bei digitalen Thermoelement-Thermometern befindet sich diese Referenzstelle typischerweise im Bereich des Thermoelementsteckers, der Eingangsklemmen oder des Übergangs zwischen Thermoelementmaterial und den internen Leiterbahnen des Messgeräts.
Wie funktioniert die Kaltstellenkompensation?
Moderne digitale Thermoelement-Messgeräte halten die Referenzstelle normalerweise nicht physikalisch auf 0 °C. Stattdessen erfolgt eine elektronische Kompensation.
Ein typischer CJC-Ablauf lässt sich wie folgt zusammenfassen:
● Das Thermoelement erzeugt eine Spannung im Millivoltbereich, die der Temperaturdifferenz zwischen Messstelle und Referenzstelle entspricht.
● Ein interner Temperatursensor erfasst die Temperatur in der Nähe der Thermoelement-Eingangsklemmen.
● Das Messgerät bestimmt die äquivalente Thermospannung, die für den ausgewählten Thermoelementtyp dieser Referenzstellentemperatur entspricht.
● Diese äquivalente Spannung wird mit der tatsächlich gemessenen Thermoelementspannung verrechnet.
● Anschließend wird das Ergebnis anhand der Kennlinie des gewählten Thermoelementtyps in einen Temperaturwert umgerechnet.
Die CJC bedeutet somit nicht, dass die Umgebungstemperatur einfach zum angezeigten Messwert addiert wird. Erforderlich ist eine thermoelektrische Umrechnung anhand der jeweiligen Kennlinie des Thermoelements.
Warum wird 0 °C traditionell als Referenztemperatur verwendet?
Die genormten bzw. international etablierten Spannungs-Temperatur-Kennlinien von Thermoelementen beziehen sich üblicherweise auf eine Referenzstelle bei 0 °C.
Bei klassischen Labormessungen kann die Referenzstelle in ein stabiles Eis-Wasser-Gemisch eingebracht werden, wodurch eine gut reproduzierbare Temperatur nahe 0 °C entsteht.
Für tragbare Thermometer, industrielle Regler und Datenerfassungssysteme wäre eine solche Eisbad-Referenz jedoch unpraktisch.
Moderne Geräte verwenden deshalb eine elektronische Kaltstellenkompensation. Sie messen die tatsächliche Referenzstellentemperatur und rechnen das Signal mathematisch auf den Zustand einer Referenzstelle bei 0 °C um.
Dadurch können Thermoelement-Messgeräte unter normalen Feld- und Industriebedingungen direkt eingesetzt werden.
Wie erfasst ein Thermoelement-Thermometer die Kaltstellentemperatur?
Digitale Thermoelement-Thermometer verfügen typischerweise über einen separaten Temperatursensor in der Nähe des Thermoelementeingangs.
Je nach Gerät kann es sich beispielsweise um einen Thermistor, einen Halbleiter-Temperatursensor oder ein anderes Temperaturmesselement handeln.
Idealerweise muss der CJC-Sensor eine Temperatur erfassen, die möglichst genau der tatsächlichen Temperatur an der Übergangsstelle zwischen den Thermoelementleitern und den Kupferleitern beziehungsweise Leiterbahnen des Messgeräts entspricht.
Der CJC-Sensor wird daher üblicherweise nahe an den Eingangsklemmen positioniert und thermisch möglichst gut an diesen Bereich gekoppelt.
Weicht die vom CJC-Sensor gemessene Temperatur von der tatsächlichen Referenzstellentemperatur ab, entsteht ein zusätzlicher Kompensationsfehler.
Beeinflusst die Kaltstellenkompensation die Messgenauigkeit?
Ja.
Der Gesamtfehler einer Thermoelementmessung setzt sich aus mehreren Komponenten zusammen. Der Fehler der Kaltstellenkompensation ist eine davon.
Dazu gehören beispielsweise:
● Die zulässige Abweichung des Thermoelements selbst.
● Die Messabweichung der Millivolt-Eingangsschaltung des Messgeräts.
● Unsicherheiten bei Linearisierung und Temperaturumrechnung.
● Die Genauigkeit des CJC-Temperatursensors.
● Eine mögliche Temperaturdifferenz zwischen CJC-Sensor und tatsächlicher Referenzstelle.
Aus diesem Grund können zwei Thermoelement-Thermometer mit demselben Fühler leicht unterschiedliche Messwerte anzeigen, beispielsweise aufgrund unterschiedlicher CJC-Konstruktionen, Eingangsschaltungen, Kalibrierungen oder interner Temperaturverhältnisse.
Bei Anwendungen mit höheren Genauigkeitsanforderungen sollte daher die Messunsicherheit des gesamten Systems betrachtet werden und nicht ausschließlich die Spezifikation des Thermoelementfühlers.
Wann kann der CJC-Fehler größer werden?
Die Kaltstellenkompensation arbeitet in der Regel am zuverlässigsten, wenn das Messgerät thermisch stabil ist. Entstehen im Bereich der Eingangsklemmen deutliche Temperaturgradienten, kann der CJC-Fehler zunehmen.
Typische Situationen sind:
● Das Thermometer wurde gerade aus einer kalten Außenumgebung in einen warmen Innenraum gebracht.
● Das Gerät ist längere Zeit direkter Sonneneinstrahlung ausgesetzt.
● Das Messgerät befindet sich in der Nähe eines Ofens, Heizgeräts, Warmluftauslasses oder einer anderen Wärmequelle.
● Die Temperatur des Thermoelementsteckers unterscheidet sich deutlich von der Temperatur der Eingangsbuchse.
● In einem mehrkanaligen Datenerfassungssystem entsteht eine relevante interne Eigenerwärmung.
● Das Gerät wurde gerade eingeschaltet und hat noch keinen thermisch stabilen Zustand erreicht.
● Eine Seite des Eingangs wird direkt von warmer oder kalter Luft angeströmt.
Unter solchen Bedingungen kann der CJC-Sensor die tatsächliche Referenzstellentemperatur vorübergehend nicht exakt abbilden.
Nach starken Änderungen der Umgebungstemperatur kann es daher sinnvoll sein, das Gerät vor einer präzisen Messung zunächst thermisch stabilisieren zu lassen.
Was ist der Unterschied zwischen CJC-Temperatur und Umgebungstemperatur?
Beide Größen stehen miteinander in Zusammenhang, sind aber nicht zwangsläufig identisch.
Die Umgebungstemperatur bezeichnet üblicherweise die Lufttemperatur rund um das Messgerät. Für die CJC ist dagegen die Temperatur an der tatsächlichen Referenzstelle des Thermoelements entscheidend.
In einem Raum mit 25 °C kann die Temperatur der Eingangsklemmen beispielsweise durch direkte Sonneneinstrahlung auf 30 °C oder mehr steigen.
Würde in diesem Fall pauschal eine Referenztemperatur von 25 °C angenommen, könnte daraus ein zusätzlicher Messfehler entstehen.
Ein gut konstruiertes Thermoelement-Thermometer misst die Temperatur deshalb möglichst nahe am Thermoelementeingang, anstatt lediglich einen allgemeinen Umgebungstemperaturwert zu verwenden.
Ist die CJC bei unterschiedlichen Thermoelementtypen gleich?
Das grundlegende Prinzip ist gleich, die konkrete Kompensationsberechnung hängt jedoch vom jeweiligen Thermoelementtyp ab.
Thermoelemente der Typen K, J, T, E und andere bestehen aus unterschiedlichen Materialpaarungen und besitzen daher unterschiedliche Spannungs-Temperatur-Kennlinien.
Das Messgerät muss sowohl die Referenzstellentemperatur als auch den angeschlossenen Thermoelementtyp kennen. Anschließend wird die passende Kennlinie für Kompensation und Linearisierung verwendet.
Bei Mehrtypen-Thermoelementmessgeräten muss deshalb normalerweise der richtige Thermoelementtyp ausgewählt werden.
Ist beispielsweise ein Thermoelement Typ K angeschlossen, das Gerät jedoch auf Typ J eingestellt, ist der angezeigte Temperaturwert falsch, selbst wenn die CJC einwandfrei arbeitet.
Kann die CJC Fehler durch Verlängerungsleitungen und Steckverbinder kompensieren?
Nicht grundsätzlich.
Die Kaltstellenkompensation dient in erster Linie zur Berücksichtigung der Referenzstellentemperatur. Die verwendeten Materialien im gesamten Thermoelementkreis müssen weiterhin zum jeweiligen Thermoelementtyp passen.
Wird ein Thermoelement unsachgemäß mit normaler Kupferleitung verlängert oder werden ungeeignete Thermoelementstecker, Ausgleichsleitungen oder Verlängerungsleitungen verwendet, können zusätzliche thermoelektrische Übergangsstellen entstehen.
Solche Fehler lassen sich durch die CJC nicht einfach beseitigen.
Deshalb sollten für Thermoelementmessungen geeignete Steckverbinder sowie zum Thermoelementtyp passende Ausgleichs- oder Verlängerungsleitungen verwendet werden. Außerdem ist auf die korrekte Polarität zu achten.
Warum kann ein Thermoelement trotz CJC falsch messen?
Die Kaltstellenkompensation ist nur ein Bestandteil der gesamten Messkette und kann nicht sämtliche Fehlerquellen korrigieren.
Weitere Einflussgrößen sind:
● Ist am Messgerät der richtige Thermoelementtyp eingestellt?
● Ist der Fühler für den erforderlichen Temperaturbereich geeignet?
● Liegt die Abweichung des Thermoelements innerhalb der zulässigen Toleranz?
● Besteht ausreichender thermischer Kontakt zum Messobjekt?
● Hat die Messstelle tatsächlich die Temperatur des Messobjekts erreicht?
● Sind Leitungen, Steckverbinder und Polarität korrekt?
● Wird das Messgerät innerhalb seiner spezifizierten Umgebungsbedingungen betrieben?
● Wurde nach einer Temperaturänderung ausreichend Stabilisierungszeit eingehalten?
Eine genaue Kaltstellenkompensation allein garantiert daher noch keine hohe Genauigkeit des gesamten Messsystems.
Wie lassen sich Fehler der Kaltstellenkompensation reduzieren?
Folgende Maßnahmen können die Stabilität von Thermoelementmessungen verbessern:
● Die Eingangsklemmen des Messgeräts von starken Wärmequellen, direkter Kaltluft und direkter Sonneneinstrahlung fernhalten.
● Nach einem Wechsel zwischen Umgebungen mit deutlich unterschiedlichen Temperaturen das Gerät vor Präzisionsmessungen thermisch stabilisieren lassen.
● Nur geeignete Steckverbinder und Verlängerungsleitungen für den verwendeten Thermoelementtyp einsetzen.
● Auf einen sicheren und festen Anschluss des Thermoelementsteckers achten.
● Heiße Thermoelementstecker nicht dauerhaft direkt an heißen Anlagenoberflächen anliegen lassen.
● Bei Präzisionsanwendungen die kombinierte Messunsicherheit von Thermoelement, Messgerät, CJC und Einbausituation bewerten.
● Die Messfunktion von Gerät und Thermoelement regelmäßig prüfen beziehungsweise verifizieren.
FAQ
Muss die „Kaltstelle“ immer kälter als die Messstelle sein?
Nein. „Kaltstelle“ ist ein historischer Begriff. Technisch genauer ist „Referenzstelle“. Sie kann sowohl kälter als auch wärmer als die Messstelle sein.
Verfügen alle Thermoelement-Thermometer über eine CJC?
Die meisten modernen digitalen Thermoelement-Thermometer, Datenerfassungssysteme und Temperaturregler verfügen über eine Kaltstellenkompensation. Ausführung und Genauigkeit sind jedoch geräteabhängig.
Addiert die CJC einfach die Raumtemperatur zum Thermoelementwert?
Nein. Das Messgerät wandelt die Referenzstellentemperatur üblicherweise in die entsprechende Thermospannung des ausgewählten Thermoelementtyps um und führt anschließend die erforderliche Berechnung und Linearisierung durch.
Wo befindet sich der CJC-Sensor?
Er befindet sich in der Regel nahe den Thermoelement-Eingangsklemmen oder dem Steckverbinder, damit seine Temperatur möglichst gut der tatsächlichen Referenzstellentemperatur entspricht.
Können Änderungen der Umgebungstemperatur die CJC beeinflussen?
Ja. Schnelle Temperaturänderungen sowie lokale Erwärmung oder Abkühlung können vorübergehend eine Temperaturdifferenz zwischen dem CJC-Sensor und der tatsächlichen Referenzstelle verursachen.
Wie groß kann ein CJC-Fehler sein?
Die tatsächliche Abweichung hängt von der Genauigkeit der CJC-Temperaturmessung, vom Thermoelementtyp, vom Gerätedesign und von den Betriebsbedingungen ab. Für Präzisionsmessungen sollten die Spezifikationen zur CJC-Genauigkeit oder zur gesamten Thermoelement-Messgenauigkeit herangezogen werden.
Ist bei Verwendung einer Thermoelement-Verlängerungsleitung weiterhin eine CJC erforderlich?
Ja. Eine geeignete Verlängerungsleitung erhält den korrekten thermoelektrischen Messkreis, ersetzt jedoch nicht die Referenzstellenkompensation am Geräteeingang.
Kann derselbe CJC-Temperatursensor für unterschiedliche Thermoelementtypen verwendet werden?
Ja. Der physische Sensor zur Erfassung der Referenzstellentemperatur kann derselbe sein. Die anschließende Kompensationsberechnung muss jedoch entsprechend den Kennlinien von Typ K, J, T, E oder dem jeweils verwendeten Thermoelement erfolgen.
Zusammenfassung
Die Kaltstellenkompensation (CJC) ist ein wesentlicher Bestandteil moderner Thermoelement-Messsysteme. Da die Thermospannung von der Temperaturdifferenz zwischen Messstelle und Referenzstelle abhängt, muss das Messgerät die tatsächliche Referenzstellentemperatur kennen, um die Temperatur der Messstelle korrekt bestimmen zu können.
Moderne digitale Thermoelement-Thermometer erfassen die Referenzstellentemperatur in der Regel mit einem Sensor nahe den Eingangsklemmen und führen anschließend eine Kompensation anhand der Kennlinie des gewählten Thermoelementtyps durch.
Die CJC ist jedoch nur ein Teil des gesamten Messsystems. Fühlergenauigkeit, Leitungen, Eingangsschaltung, Installation, Umgebungsbedingungen und thermische Stabilität können das Messergebnis ebenfalls beeinflussen.
Bei hohen Genauigkeitsanforderungen sollten Thermoelement, Messgerät, Kaltstellenkompensation und Installation deshalb als vollständiges Messsystem betrachtet werden.
