Einleitung

Thermoelement-Thermometer werden häufig in der industriellen Instandhaltung, in HLK-Anlagen, im Labor, bei der Prüfung von Heizsystemen, bei Temperaturanstiegsmessungen an elektrischen Komponenten sowie in industriellen Prozessen eingesetzt. Im Gegensatz zu Infrarot-Thermometern erfolgt die Messung in der Regel über einen Fühler, der direkten Kontakt mit dem Messobjekt oder Messmedium hat.

Auf den ersten Blick erscheint das Messprinzip einfach: Fühler anschließen und mit dem Messobjekt in Kontakt bringen. Tatsächlich umfasst der Messvorgang jedoch mehrere Schritte, darunter die Erzeugung einer Thermospannung, die Messung sehr kleiner elektrischer Signale, die Erfassung der Referenzstellentemperatur, die Kaltstellenkompensation und die Linearisierung des Thermoelementsignals.

Wer diese Zusammenhänge versteht, kann Thermoelement-Thermometer fachgerecht einsetzen und besser beurteilen, warum Fühlertyp, Umgebungstemperatur, Anschlussart und Thermoelementtyp das Messergebnis beeinflussen können.

Das Wichtigste auf einen Blick

● Ein Thermoelement-Thermometer misst nicht direkt den elektrischen Widerstand, sondern die vom Thermoelement erzeugte Thermospannung.
● Ein Thermoelement besteht aus zwei unterschiedlichen Leitermaterialien. Liegt innerhalb des Thermoelementkreises eine Temperaturdifferenz vor, entsteht aufgrund des Seebeck-Effekts eine temperaturabhängige Spannung.
● Thermoelemente liefern typischerweise Signale im Mikrovolt- bis Millivoltbereich. Das Messgerät benötigt daher eine empfindliche und rauscharme Mess- und Signalverarbeitungselektronik.
● Die Messung hängt von der Temperaturbeziehung zwischen Messstelle und Referenzstelle ab. Deshalb ist eine Kaltstellenkompensation (Cold Junction Compensation, CJC) erforderlich.
● Unterschiedliche Thermoelementtypen verwenden unterschiedliche Materialpaarungen und besitzen unterschiedliche Temperaturbereiche sowie Spannungs-Temperatur-Kennlinien.
● Die angezeigte Temperatur wird aus Thermospannung, Referenzstellentemperatur und der Kennlinie des ausgewählten Thermoelementtyps berechnet.

Das grundlegende Messprinzip eines Thermoelement-Thermometers

Das zentrale Sensorelement eines Thermoelement-Thermometers ist das Thermoelement selbst. Es besteht üblicherweise aus zwei unterschiedlichen Metallen oder Legierungen. Ein häufig verwendetes Thermoelement vom Typ K besteht beispielsweise aus Nickel-Chrom und Nickel-Aluminium-Legierungen.

Werden beide Leiter an einem Ende miteinander verbunden und bilden dort die Messstelle, während die anderen Enden mit dem Messgerät verbunden sind, entsteht bei einer entsprechenden Temperaturverteilung im Thermoelementkreis eine kleine elektrische Spannung.

Diese Spannung wird als Thermospannung bezeichnet.

Ihre Größe hängt von den verwendeten Thermoelementmaterialien sowie von den Temperaturen an Mess- und Referenzstelle ab. Das Messgerät erfasst die Thermospannung präzise und berechnet daraus mithilfe der charakteristischen Kennlinie des jeweiligen Thermoelementtyps die Temperatur.

Der grundlegende Ablauf lässt sich wie folgt darstellen:

● Die Temperatur verändert sich;
● Das Thermoelement erzeugt eine Thermospannung;
● Das Messgerät erfasst die Spannung;
● Die Kaltstellenkompensation wird durchgeführt;
● Die Kennlinie des Thermoelementtyps wird angewendet;
● Die berechnete Temperatur wird angezeigt.

Was ist der Seebeck-Effekt?

Die physikalische Grundlage der Temperaturmessung mit Thermoelementen ist der Seebeck-Effekt.

Besteht ein thermoelektrischer Kreis aus zwei unterschiedlichen Leitermaterialien und befinden sich unterschiedliche Bereiche dieses Kreises auf verschiedenen Temperaturen, entsteht eine Thermospannung.

Der Effekt ist nach Thomas Johann Seebeck benannt, der dieses Phänomen im 19. Jahrhundert untersuchte.

Für die praktische Messung sind insbesondere zwei Stellen relevant:

● Messstelle bzw. heiße Messstelle: Sie befindet sich normalerweise an der Spitze des Thermoelementfühlers und steht mit dem Messobjekt oder Messmedium in Kontakt.
● Referenzstelle: Sie liegt üblicherweise dort, wo die Thermoelementleitungen mit den Eingangsklemmen des Messgeräts verbunden sind.

Aufgrund der Temperaturverteilung zwischen diesen Bereichen entsteht eine Thermospannung.

Ein Thermoelement lässt sich daher nicht einfach nach dem Prinzip „eine bestimmte absolute Temperatur erzeugt immer eine bestimmte Spannung“ beschreiben. Das Ausgangssignal wird durch die thermoelektrischen Eigenschaften der Materialpaarung und die Temperaturbedingungen im gesamten Messkreis bestimmt.

Warum kann ein Thermoelement Temperatur in Spannung umwandeln?

Unterschiedliche Metalle besitzen unterschiedliche thermoelektrische Eigenschaften. Liegt entlang eines Leiters ein Temperaturgradient vor, verändert sich die Verteilung der Ladungsträger und es entsteht ein elektrisches Potenzial.

Werden zwei Materialien mit unterschiedlichen thermoelektrischen Eigenschaften kombiniert, unterscheiden sich ihre jeweiligen Potenzialänderungen. Daraus ergibt sich eine messbare elektrische Nettospannung.

Diese Spannung ist sehr klein.

In typischen Messbereichen liegen Thermoelementsignale meist im Mikrovoltbereich bis zu einigen zehn Millivolt. Sie sind damit wesentlich kleiner als die Ausgangsspannungen gewöhnlicher Spannungsquellen.

Ein Thermoelement-Thermometer benötigt deshalb eine hochauflösende, rauscharme Messelektronik, die sehr kleine Spannungsänderungen zuverlässig erfassen kann.

Warum dürfen unterschiedliche Thermoelementtypen nicht beliebig vertauscht werden?

Die verschiedenen Thermoelementtypen verwenden unterschiedliche Materialpaarungen und erzeugen daher unter identischen Temperaturbedingungen nicht dieselbe Thermospannung.

Zu den gebräuchlichen Typen zählen K, J, T, E, N, R, S und B.

Ein Thermoelement vom Typ K besitzt beispielsweise eine andere Spannungs-Temperatur-Kennlinie als ein Thermoelement vom Typ J. Wird ein Typ-K-Fühler angeschlossen, während das Messgerät auf Typ J eingestellt ist, verwendet das Gerät die falsche Kennlinie und kann entsprechend einen deutlich falschen Temperaturwert anzeigen.

Für eine zuverlässige Messung gilt daher:

● Der verwendete Fühlertyp muss vom Messgerät unterstützt werden;
● Der am Gerät eingestellte Thermoelementtyp muss mit dem angeschlossenen Fühler übereinstimmen;
● Verlängerungs- oder Ausgleichsleitungen müssen für den jeweiligen Thermoelementtyp geeignet sein;
● Steckverbinder und Anschlussmaterialien dürfen nicht beliebig ersetzt werden.

Warum ist eine Kaltstellenkompensation erforderlich?

Die Kaltstellenkompensation gehört zu den wichtigsten Grundlagen der Thermoelementmessung.

Die Thermospannung hängt von der Temperaturbeziehung zwischen Messstelle und Referenzstelle ab. Würde die Referenzstelle dauerhaft auf einer exakt bekannten Temperatur gehalten, könnte die Temperatur der Messstelle auf Basis dieser festen Referenz aus der gemessenen Thermospannung bestimmt werden.

Historisch wurde bei Labormessungen häufig eine Eiswasser-Referenz nahe 0 °C verwendet. Bei einem tragbaren digitalen Temperaturmessgerät ist es jedoch nicht praktikabel, die Anschlussklemmen während jeder Messung auf 0 °C zu halten.

Moderne digitale Thermoelement-Thermometer besitzen deshalb in der Nähe der Eingangsklemmen einen zusätzlichen Temperatursensor. Dieser erfasst die tatsächliche Temperatur im Bereich der Referenzstelle.

Auf dieser Basis führt das Gerät die Kaltstellenkompensation durch.

Vereinfacht verarbeitet das Thermometer somit zwei Informationen:

● Die vom Thermoelement erzeugte Thermospannung;
● Die tatsächliche Temperatur im Bereich der Anschlussstelle.

Der Prozessor kombiniert beide Größen mit der Kennlinie des gewählten Thermoelementtyps und bestimmt daraus die Temperatur an der Messstelle.

Ist die Kaltstellenkompensation fehlerhaft, kann auch der angezeigte Temperaturwert fehlerhaft sein, obwohl der eigentliche Thermoelementfühler einwandfrei funktioniert.

Wie wird ein Millivoltsignal in einen Temperaturwert umgerechnet?

Der Zusammenhang zwischen Thermospannung und Temperatur ist nicht vollständig linear.

Eine Verdopplung der Thermospannung bedeutet daher nicht automatisch eine Verdopplung der Temperatur.

Jeder Thermoelementtyp besitzt eine eigene charakteristische Spannungs-Temperatur-Kennlinie, die in der Regel eine gewisse Nichtlinearität aufweist.

Digitale Thermoelement-Thermometer verfügen deshalb über entsprechende Kennlinien, Tabellen oder mathematische Funktionen für die unterstützten Thermoelementtypen. Während der Messung wird das Eingangssignal aufbereitet, gefiltert und digitalisiert. Anschließend erfolgt die Kaltstellenkompensation und die Umrechnung in einen Temperaturwert.

Der Signalweg lässt sich wie folgt zusammenfassen:

● Das Thermoelement erzeugt eine kleine Thermospannung;
● Die Eingangsschaltung erfasst das Signal;
● Das Signal wird bei Bedarf verstärkt und gefiltert;
● Ein Analog-Digital-Wandler digitalisiert die Spannung;
● Ein Temperatursensor erfasst die Referenzstellentemperatur;
● Der Prozessor führt die Kaltstellenkompensation und Linearisierung durch;
● Das berechnete Ergebnis wird auf dem Display angezeigt.

Ein digitales Thermoelement-Thermometer ist somit weit mehr als ein einfaches Voltmeter. Es ist ein speziell auf die Erfassung, Kompensation und Umrechnung von Thermoelementsignalen ausgelegtes Temperaturmesssystem.

Wie erfasst der Thermoelementfühler die Temperatur des Messobjekts?

Bevor das Thermoelement ein aussagekräftiges elektrisches Signal erzeugen kann, muss die Messstelle zunächst Wärme mit dem Messobjekt oder Messmedium austauschen.

Wird der Fühler mit einem Objekt anderer Temperatur in Kontakt gebracht, fließt Wärme zwischen Fühler und Messobjekt, bis sich die Temperatur der Messstelle schrittweise der Temperatur am Messpunkt annähert.

Die Anzeige erreicht daher nicht in jeder Anwendung sofort einen stabilen Wert.

Die Ansprechzeit hängt unter anderem von folgenden Faktoren ab:

● Größe der Messstelle;
● Aufbau und Werkstoffe des Fühlers;
● Vorhandensein einer Schutzummantelung;
● Wärmeleitfähigkeit des Messobjekts;
● Kontaktfläche zwischen Fühler und Oberfläche;
● Messmedium wie Luft, Flüssigkeit oder Festkörper;
● Thermische Masse des Fühlers.

Eine kleine freiliegende Messstelle reagiert in der Regel schnell, ist mechanisch jedoch weniger geschützt. Ein ummantelter Fühler ist robuster, kann jedoch eine längere thermische Ansprechzeit besitzen.

Warum muss sich der Messwert bei einer Kontaktmessung zunächst stabilisieren?

Ein Thermoelement-Thermometer arbeitet nach dem Prinzip der Kontaktmessung.

Wenn der Fühler das Messobjekt erstmals berührt, kann er sich noch auf Umgebungstemperatur befinden. Wird beispielsweise ein Fühler mit etwa 25 °C auf eine 200 °C heiße Metalloberfläche aufgesetzt, benötigt die Messstelle zunächst Zeit, um sich zu erwärmen.

Während dieser Übergangsphase steigt die Anzeige allmählich von einem Wert nahe der Umgebungstemperatur in Richtung des tatsächlichen Messwerts.

Der Messwert sollte deshalb normalerweise nicht unmittelbar nach dem Aufsetzen des Fühlers abgelesen werden. Stattdessen sollte gewartet werden, bis sich die Anzeige ausreichend stabilisiert hat.

Bei schnell veränderlichen Temperaturen muss zusätzlich die Ansprechzeit des Fühlers berücksichtigt werden, da die angezeigte Temperatur der tatsächlichen Temperaturänderung zeitlich hinterherlaufen kann.

Der vollständige Messvorgang mit einem Thermoelement

Eine vollständige Thermoelementmessung lässt sich als kontinuierlicher Ablauf aus Wärmeübertragung, thermoelektrischer Umwandlung und digitaler Signalverarbeitung betrachten.

● Zwischen Messobjekt und Thermoelementfühler findet Wärmeübertragung statt, sodass sich die Messstelle der Temperatur des Messpunkts annähert.
● Zwischen Messstelle und Referenzstelle besteht eine Temperaturverteilung.
● Die beiden unterschiedlichen Thermoelementleiter erzeugen aufgrund des Seebeck-Effekts eine Thermospannung.
● Die Eingangsschaltung misst das Signal im Mikrovolt- oder Millivoltbereich.
● Der interne Sensor erfasst die Temperatur im Bereich der Referenzstelle.
● Das Messgerät führt passend zum ausgewählten Thermoelementtyp die Kaltstellenkompensation durch.
● Der Prozessor wandelt das kompensierte Signal anhand der entsprechenden Kennlinie in einen Temperaturwert um.
● Das Ergebnis wird beispielsweise in °C oder °F angezeigt.

Fehler in einem dieser Schritte können das endgültige Messergebnis beeinflussen.

Welche Faktoren beeinflussen das Messergebnis?

Die Genauigkeit eines Thermoelement-Messsystems hängt nicht ausschließlich vom Messgerät ab. Auch Fühler, Anschlüsse und Messbedingungen spielen eine wichtige Rolle.

● Falscher Thermoelementtyp: Unterschiedliche Thermoelementtypen besitzen unterschiedliche Kennlinien. Eine falsche Einstellung führt unmittelbar zu einer fehlerhaften Temperaturberechnung.
● Fühlergenauigkeit: Die verwendeten Thermoelementmaterialien besitzen definierte Toleranzen. Fühler unterschiedlicher Qualität oder Genauigkeitsklasse können daher unterschiedliche Messabweichungen aufweisen.
● Fehler der Kaltstellenkompensation: Schnelle Änderungen der Umgebungstemperatur oder lokale Wärmequellen in der Nähe des Eingangs können die Erfassung der Referenzstellentemperatur beeinflussen.
● Unzureichender thermischer Kontakt: Bei Oberflächenmessungen kann ein schlechter Kontakt zwischen Fühler und Oberfläche zu Abweichungen von der tatsächlichen Oberflächentemperatur führen.
● Zu kurze Stabilisierungszeit: Wird abgelesen, bevor sich der Fühler thermisch ausreichend angepasst hat, entstehen dynamische Messfehler.
● Ungeeignete Verlängerungsleitungen oder Steckverbinder: Nicht passende Materialien können zusätzliche thermoelektrische Übergänge und damit zusätzliche Thermospannungen erzeugen.
● Elektromagnetische Störungen: Da Thermoelementsignale sehr klein sind, können insbesondere lange Leitungen in elektrisch stark belasteten Umgebungen Störungen aufnehmen.
● Schnelle Änderungen der Umgebungstemperatur: Starke Temperaturschwankungen können sowohl die Kaltstellenkompensation als auch die Stabilität der Elektronik beeinflussen.

Für zuverlässige Messergebnisse sollten Messgerät, Fühler, Leitung, Steckverbinder und Messmethode als ein zusammenhängendes Messsystem betrachtet werden.

Wie unterscheidet sich ein Thermoelement-Thermometer von einem Thermistor-Thermometer?

Sowohl Thermoelemente als auch Thermistoren eignen sich für kontaktierende Temperaturmessungen, arbeiten jedoch nach unterschiedlichen physikalischen Prinzipien.

Ein Thermoelement nutzt den thermoelektrischen Effekt zwischen unterschiedlichen Leitermaterialien und erzeugt selbstständig eine elektrische Spannung. Für die Erzeugung dieses grundlegenden Messsignals ist daher keine externe Speisespannung bzw. kein Messstrom erforderlich.

Ein Thermistor nutzt dagegen die temperaturabhängige Änderung des elektrischen Widerstands eines Halbleitermaterials. Das Messgerät legt üblicherweise einen definierten Strom oder eine Spannung an und berechnet aus dem gemessenen Widerstand die Temperatur.

Daraus ergeben sich Unterschiede hinsichtlich Temperaturbereich, Ansprechverhalten, Fühleraufbau, Genauigkeit und typischer Einsatzgebiete.

Thermoelemente sind insbesondere für große Temperaturbereiche und industrielle Messaufgaben geeignet und werden deshalb in professionellen Anwendungen sehr häufig eingesetzt.

FAQ

Misst ein Thermoelement-Thermometer die Temperatur direkt?

Nein. Zunächst wird die Temperaturverteilung im Thermoelementkreis in eine kleine Thermospannung umgesetzt. Das Messgerät erfasst diese Spannung und berechnet zusammen mit der Referenzstellentemperatur und der Kennlinie des Thermoelementtyps die tatsächliche Temperatur.

Warum kann ein Thermoelement ohne externe Stromversorgung ein Signal erzeugen?

Aufgrund des Seebeck-Effekts entsteht bei einer Temperaturverteilung in einem Stromkreis aus unterschiedlichen Leitermaterialien selbstständig eine Thermospannung. Deshalb gilt das Thermoelement als selbstgenerierender Sensor.

Wie groß ist die Ausgangsspannung eines Thermoelements?

Sie ist sehr klein und liegt typischerweise im Mikrovolt- bis Millivoltbereich. Die genaue Spannung hängt vom Thermoelementtyp und den Temperaturbedingungen an Mess- und Referenzstelle ab.

Warum muss am Messgerät Typ K, Typ J oder ein anderer Thermoelementtyp ausgewählt werden?

Jeder Thermoelementtyp verwendet eine andere Materialpaarung und besitzt dadurch eine eigene Spannungs-Temperatur-Kennlinie. Nur mit der richtigen Kennlinie kann das Messgerät die Temperatur korrekt berechnen.

Welche Aufgabe hat die Kaltstellenkompensation?

Sie bestimmt die Temperatur im Bereich der Referenzstelle und berücksichtigt diese bei der Temperaturberechnung. Ohne korrekte Kaltstellenkompensation lässt sich die Temperatur an der Messstelle nicht zuverlässig bestimmen.

Warum ändert sich die Anzeige nach dem Aufsetzen des Fühlers zunächst langsam?

Der Fühler besitzt eine eigene thermische Masse und muss Wärme mit dem Messobjekt austauschen. Größere oder stärker geschützte Fühler benötigen in der Regel mehr Zeit, um sich der Temperatur des Messobjekts anzunähern.

Kann eine Thermoelementleitung verlängert werden?

Ja, sofern geeignete Thermoelement-Verlängerungs- oder Ausgleichsleitungen verwendet werden. Nicht passende Leitungs- oder Steckverbindermaterialien können zusätzliche Thermospannungen und damit Messfehler verursachen.

Sind Thermoelement-Thermometer für hohe Temperaturen geeignet?

Thermoelemente können sehr große Temperaturbereiche abdecken, und einige Typen sind für Hochtemperaturanwendungen geeignet. Die tatsächlich zulässige Höchsttemperatur hängt jedoch zusätzlich von Thermoelementtyp, Fühlermaterial, Isolation, Schutzummantelung und Einsatzbedingungen ab.

Fazit

Ein Thermoelement-Thermometer nutzt den Seebeck-Effekt zwischen zwei unterschiedlichen Leitermaterialien, um Temperaturbedingungen in eine sehr kleine Thermospannung umzuwandeln.

Das Messgerät erfasst jedoch nicht einfach nur diese Spannung. Es führt zusätzlich Signalaufbereitung, Analog-Digital-Wandlung, Erfassung der Referenzstellentemperatur, Kaltstellenkompensation und Linearisierung des Thermoelementsignals durch, bevor der Temperaturwert angezeigt wird.

Ein vollständiges Thermoelement-Messsystem besteht daher aus Fühler, Anschlussleitung, Eingangselektronik, Kaltstellenkompensation und digitaler Signalverarbeitung.

In der Praxis sind die korrekte Auswahl des Thermoelementtyps, ein guter thermischer Kontakt, ausreichende Stabilisierungszeit, geeignete Anschlussleitungen und der Schutz vor schnellen Umgebungstemperaturänderungen entscheidend für zuverlässige Messergebnisse.

Wer den gesamten Weg von der Wärmeübertragung über die Thermospannung bis zur digitalen Temperaturanzeige versteht, kann Thermoelement-Thermometer gezielter auswählen, fachgerecht einsetzen und mögliche Fehlerquellen besser beurteilen.