Einleitung

Bei der Verwendung eines Thermoelement-Thermometers wirkt der Messvorgang zunächst sehr einfach: Thermoelement anschließen, Fühler an der Messstelle positionieren und die Temperatur direkt auf dem Display ablesen.

Ein Thermoelement liefert jedoch kein Signal, das unmittelbar einer absoluten Temperatur entspricht. Es erzeugt vielmehr eine sehr kleine Thermospannung, die vom Temperaturverhältnis zwischen Messstelle und Referenzstelle abhängt.

Das bedeutet: Selbst wenn die Temperatur an der Messstelle unverändert bleibt, kann sich die Thermospannung ändern, sobald sich die Temperatur im Bereich der Geräteeingänge verändert. Kennt das Messgerät die Temperatur der Referenzstelle nicht, kann es die tatsächliche Temperatur an der Messstelle nicht korrekt bestimmen.

Deshalb verwenden moderne Thermoelement-Thermometer in der Regel eine Kaltstellenkompensation (Cold Junction Compensation, CJC), um die Temperatur der Referenzstelle zu erfassen und rechnerisch zu berücksichtigen.

Die Kaltstellenkompensation ist somit keine zusätzliche Komfortfunktion, sondern ein grundlegender Bestandteil einer korrekten Thermoelementmessung.

Das Wichtigste auf einen Blick

● Die Ausgangsspannung eines Thermoelements wird durch das Temperaturverhältnis zwischen Messstelle und Referenzstelle bestimmt und nicht allein durch die Messstellentemperatur.
● Die sogenannte Kaltstelle liegt normalerweise dort, wo die Thermoelementleiter mit den Kupferleitern des Messgeräts verbunden werden. Sie muss nicht tatsächlich „kalt“ sein.
● Ist die Temperatur der Referenzstelle unbekannt, lässt sich die Messstellentemperatur aus der Thermospannung allein nicht eindeutig bestimmen.
● Moderne digitale Thermoelement-Thermometer verwenden üblicherweise einen internen Temperatursensor in der Nähe der Eingangsanschlüsse für die automatische elektronische Kaltstellenkompensation.
● Große Temperaturgradienten an den Anschlüssen, schnelle Änderungen der Umgebungstemperatur oder lokale Wärmequellen können den Kompensationsfehler erhöhen.
● Die Genauigkeit der Kaltstellenkompensation ist ein Bestandteil der gesamten Messunsicherheit des Thermoelement-Messsystems.

Was misst ein Thermoelement tatsächlich?

Ein Thermoelement besteht aus zwei unterschiedlichen Leitermaterialien. Befinden sich Verbindungsstellen dieser Materialien auf unterschiedlichen Temperaturen, entsteht eine temperaturabhängige Thermospannung. Dieses Phänomen wird als Seebeck-Effekt bezeichnet.

In einem praktischen Thermoelement-Messsystem lassen sich zwei wesentliche Temperaturstellen unterscheiden:

● Die Messstelle, auch Heißstelle oder Messkontakt genannt, mit der Temperatur Tₘ.
● Die Referenzstelle, traditionell als Kaltstelle bezeichnet, mit der Temperatur Tᵣ.

Die erzeugte Thermospannung darf nicht einfach als „Spannung der Messstellentemperatur“ interpretiert werden. Sie hängt vom thermischen Zustand beider Stellen ab.

Vereinfacht lässt sich die Beziehung folgendermaßen darstellen:

E = E(Tₘ) − E(Tᵣ)

Dabei ist E die vom Messgerät erfasste Thermospannung.

Daher kann bei gleicher Messstellentemperatur eine andere Thermospannung entstehen, wenn sich die Temperatur der Referenzstelle verändert.

Bleibt beispielsweise die Messstelle auf einer konstant erhöhten Temperatur, während die Referenzstelle von 20°C auf 30°C ansteigt, ändert sich das Temperaturverhältnis zwischen beiden Stellen und damit auch die Thermospannung.

Aus diesem Grund muss bei der Thermoelementmessung die Referenzstellentemperatur bekannt sein.

Was ist die „Kaltstelle“ eines Thermoelements?

Der Begriff „Kaltstelle“ kann den Eindruck erwecken, dass diese Stelle zwingend auf einer niedrigen Temperatur gehalten werden muss.

Das ist jedoch nicht der Fall. Die Kaltstelle muss nicht tatsächlich kalt sein.

Bei modernen digitalen Thermoelement-Thermometern werden die Thermoelementleitungen an die Eingangsanschlüsse des Geräts geführt. Die interne Messschaltung verwendet dagegen üblicherweise Kupferleiter.

An den Übergängen zwischen Thermoelementmaterial und Kupfer entstehen zusätzliche Verbindungsstellen. Dieser Bereich bildet die Referenzstelle des Messsystems.

Ein Thermoelement Typ K besteht beispielsweise aus dafür definierten Thermoelementlegierungen, während die interne Elektronik des Messgeräts überwiegend mit Kupferleitern arbeitet. Beim Anschluss des Thermoelements treffen diese unterschiedlichen Materialien im Eingangsbereich aufeinander.

Das Gerät muss daher nicht nur die geringe Thermospannung messen, sondern auch die Temperatur dieser Referenzverbindungen kennen.

Technisch ist deshalb der Begriff Referenzstelle präziser als „Kaltstelle“.

Warum kann die Thermospannung nicht direkt in Temperatur umgerechnet werden?

Normierte Kennlinien und Tabellen für Thermoelemente beziehen sich auf eine definierte Referenzstellentemperatur.

Traditionell wird hierfür eine Referenzstelle bei 0°C angenommen. Unter dieser Bedingung lässt sich einer gemessenen Thermospannung eine bestimmte Messstellentemperatur zuordnen.

Im praktischen Einsatz befindet sich der Geräteeingang jedoch normalerweise nicht bei 0°C.

Beispiel:

● Temperatur der Messstelle: 200°C
● Temperatur der Referenzstelle: 25°C

Die tatsächlich gemessene Thermospannung ergibt sich aus dem Temperaturverhältnis zwischen 200°C an der Messstelle und 25°C an der Referenzstelle. Sie entspricht nicht der Thermospannung von 200°C bezogen auf eine Referenz von 0°C.

Würde das Gerät diese Spannung unmittelbar anhand einer Standardkennlinie umrechnen und die Referenzstellentemperatur von 25°C ignorieren, würde ein deutlicher Messfehler entstehen.

Das Messgerät muss deshalb zunächst die tatsächliche Temperatur der Referenzstelle bestimmen und deren thermischen Beitrag rechnerisch berücksichtigen.

Genau darin liegt die Aufgabe der Kaltstellenkompensation.

Wie funktioniert die Kaltstellenkompensation?

Moderne digitale Thermoelement-Thermometer verwenden normalerweise kein physisches Eisbad, um die Referenzstelle auf 0°C zu halten. Stattdessen erfolgt die Kompensation elektronisch.

In unmittelbarer Nähe der Thermoelementeingänge befindet sich üblicherweise ein zusätzlicher Temperatursensor, der die Temperatur im Bereich der Referenzstelle erfasst.

Der Ablauf lässt sich vereinfacht so darstellen:

● Das Thermoelement erzeugt eine Spannung, die von Messstellen- und Referenzstellentemperatur abhängt.
● Das Messgerät misst diese sehr kleine Thermospannung.
● Ein interner Temperatursensor erfasst die Temperatur im Bereich der Referenzstelle.
● Das Gerät berechnet für den ausgewählten Thermoelementtyp die äquivalente Thermospannung dieser Referenzstellentemperatur.
● Dieser Anteil wird rechnerisch zur gemessenen Thermospannung addiert.
● Anschließend wird die korrigierte Spannung anhand der Kennlinie des jeweiligen Thermoelementtyps in die Messstellentemperatur umgerechnet.

Vereinfacht gilt:

E(Tₘ, 0°C) = E(Tₘ, Tᵣ) + E(Tᵣ, 0°C)

Das Messgerät erfasst zunächst E(Tₘ, Tᵣ). Aus der Referenzstellentemperatur Tᵣ berechnet es anschließend E(Tᵣ, 0°C). Dadurch erhält es eine äquivalente Thermospannung bezogen auf eine Referenz bei 0°C.

Erst danach kann die Messstellentemperatur Tₘ anhand der charakteristischen Kennlinie bestimmt werden.

Die Kaltstellenkompensation beruht somit auf drei wesentlichen Komponenten: präziser Spannungsmessung, genauer Erfassung der Referenzstellentemperatur und korrekter Kennlinienlinearisierung des Thermoelements.

Warum ist die Kompensation nicht für alle Thermoelementtypen identisch?

Unterschiedliche Thermoelementtypen bestehen aus unterschiedlichen Leitermaterialien und besitzen daher unterschiedliche thermoelektrische Kennlinien.

Gängige Typen wie K, J, T, E, N, R und S weisen jeweils andere Spannungs-Temperatur-Beziehungen auf.

Daher kann dieselbe Thermospannung bei verschiedenen Thermoelementtypen unterschiedlichen Temperaturen entsprechen.

Auch die Kaltstellenkompensation muss deshalb auf den im Messgerät ausgewählten Thermoelementtyp abgestimmt sein.

Bei Messgeräten, die mehrere Thermoelementtypen unterstützen, ist die korrekte Auswahl des Sensortyps entscheidend.

Wird beispielsweise ein Thermoelement Typ K angeschlossen, während das Gerät auf Typ J eingestellt ist, kann die Temperaturanzeige deutlich falsch sein, obwohl der interne Kaltstellentemperatursensor korrekt arbeitet.

Was passiert ohne Kaltstellenkompensation?

Kennt ein Thermoelement-Messsystem die Temperatur der Referenzstelle nicht und rechnet die gemessene Spannung direkt mit einer Kennlinie für eine Referenz bei 0°C um, wird die Anzeige stark von der Umgebungstemperatur beeinflusst.

Wird ein Messgerät beispielsweise von einer Umgebung mit 20°C in eine Umgebung mit 35°C gebracht, während die tatsächliche Temperatur des Messobjekts unverändert bleibt, verändert sich die Referenzstellentemperatur und damit auch die Thermospannung.

Ohne korrekte Kompensation kann das Gerät diese Spannungsänderung fälschlich als Temperaturänderung des Messobjekts interpretieren.

Typische Auswirkungen sind:

● Unterschiedliche Messwerte derselben Wärmequelle bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen.
● Vorübergehende Messabweichungen nach dem Wechsel von einer kalten in eine warme Umgebung.
● Veränderungen des Messwerts, wenn warme Luft die Eingangsanschlüsse erwärmt.
● Deutliche Unterschiede, wenn dasselbe Thermoelement an verschiedene Messsysteme angeschlossen wird.

Die Kaltstellenkompensation ist daher wesentlich für zuverlässige Thermoelementmessungen unter wechselnden Umgebungsbedingungen.

Muss die Temperatur der Referenzstelle konstant bleiben?

Nein.

Ein wesentlicher Vorteil der elektronischen Kaltstellenkompensation besteht gerade darin, dass sich die Referenzstelle innerhalb normaler Umgebungsbedingungen verändern darf.

Solange das Gerät die tatsächliche Referenzstellentemperatur genau erfassen kann und der Kompensationssensor thermisch gut an den Bereich der Referenzstelle gekoppelt ist, kann die Temperaturänderung kontinuierlich kompensiert werden.

Entscheidend ist nicht, ob sich die Referenzstellentemperatur verändert, sondern:

● Ob das Gerät ihre aktuelle Temperatur korrekt erfasst.
● Ob die Sensortemperatur die tatsächliche Temperatur der Referenzstelle ausreichend repräsentiert.
● Ob im Bereich der Anschlüsse deutliche Temperaturgradienten vorhanden sind.
● Ob sich die Umgebungstemperatur so schnell verändert, dass das Gerät noch keinen ausreichend stabilen thermischen Zustand erreicht hat.

Deshalb kann ein Thermoelement-Thermometer nach einer starken Änderung der Umgebungstemperatur eine gewisse Stabilisierungszeit benötigen.

Welche Faktoren beeinflussen die Genauigkeit der Kaltstellenkompensation?

Obwohl die Kaltstellenkompensation normalerweise automatisch erfolgt, kann ihre Genauigkeit durch Gerätekonstruktion und Einsatzbedingungen beeinflusst werden.

● Schnelle Änderungen der Umgebungstemperatur
Wird ein Thermometer aus einer kalten Außenumgebung in einen warmen Raum gebracht, können Gehäuse, Anschlüsse, Leiterplatte und Kompensationssensor unterschiedlich schnell aufwärmen. Dadurch können vorübergehend interne Temperaturgradienten entstehen.

● Lokale Erwärmung der Eingangsanschlüsse
Befinden sich Thermoelementstecker oder Geräteeingang in der Nähe eines Ofens, eines Warmluftauslasses, einer heißen Rohrleitung oder einer anderen Wärmequelle, kann die tatsächliche Referenzstelle deutlich wärmer sein als andere Gerätebereiche.

● Direkte Sonneneinstrahlung
Starke Sonneneinstrahlung kann einzelne Bereiche des Messgeräts schneller erwärmen und damit Temperaturunterschiede zwischen Referenzstelle und Kompensationssensor verursachen.

● Wärmeeintrag durch die Hand des Anwenders
Bei kleinen Handmessgeräten kann längeres Berühren des Anschlussbereichs lokale Temperaturänderungen verursachen. Die tatsächliche Auswirkung hängt vom Geräteaufbau ab.

● Ungeeignete Steckverbinder oder Verlängerungsleitungen
Nicht passende Steckermaterialien, falsche Verlängerungsleitungen oder zusätzliche unerwünschte Metallübergänge können weitere Thermospannungen erzeugen und zusätzliche Messfehler verursachen.

Eine präzise Thermoelementmessung hängt deshalb nicht nur vom Fühler ab, sondern vom gesamten Messkreis und vom thermischen Zustand des Referenzstellenbereichs.

Was ist der Unterschied zwischen Eisbad-Referenz und elektronischer Kaltstellenkompensation?

Bei präzisen Thermoelementmessungen und klassischen Laborverfahren kann eine Eis-Wasser-Mischung verwendet werden, um eine Referenztemperatur nahe 0°C bereitzustellen.

Der Vorteil liegt in einer klar definierten Referenzbedingung und darin, dass die Unsicherheit der elektronischen Kompensation reduziert werden kann. Für mobile und routinemäßige Messungen ist dieses Verfahren jedoch unpraktisch.

Moderne digitale Thermometer verwenden daher üblicherweise eine elektronische Kaltstellenkompensation.

Ihre wichtigsten Vorteile sind:

● Keine physische 0°C-Referenz erforderlich.
● Automatischer Betrieb bei normalen Umgebungstemperaturen.
● Gut geeignet für Handmessgeräte, Feldeinsatz und Mehrkanalmessungen.
● Einfachere Handhabung.
● Die Kompensationsgenauigkeit hängt unter anderem von der Genauigkeit des internen Temperatursensors und vom thermischen Geräteaufbau ab.

Die elektronische Kaltstellenkompensation „nimmt“ also nicht einfach 0°C als Referenz an. Sie misst die tatsächliche Temperatur der Referenzstelle und rechnet sie mathematisch auf die Standardreferenzbedingung um.

Wie hängt der Fehler der Kaltstellenkompensation mit der Thermoelementgenauigkeit zusammen?

Der Gesamtfehler eines Thermoelement-Messsystems entsteht nicht durch eine einzige Ursache.

Zu den relevanten Einflussgrößen gehören:

● Toleranz des Thermoelements.
● Alterung, Oxidation und Materialinhomogenität des Thermoelements.
● Fehler bei der Messung sehr kleiner Spannungen im Messgerät.
● Fehler der Thermoelement-Linearisierung.
● Fehler des Referenzstellentemperatursensors.
● Temperaturgradienten im Bereich der Referenzstelle.
● Zusätzliche Fehler durch Verlängerungsleitungen, Ausgleichsleitungen und Steckverbinder.
● Einbau des Fühlers und Temperaturgradienten im Messobjekt.

Selbst ein hochwertiges Thermoelement garantiert daher keine hohe Systemgenauigkeit, wenn die Kaltstellenkompensation unzureichend ausgeführt ist.

Bei anspruchsvollen Messaufgaben sollte deshalb die gesamte Messkette betrachtet werden und nicht ausschließlich die Nennabweichung des Thermoelements.

Warum benötigt ein Thermoelement-Thermometer nach einem Umgebungswechsel möglicherweise Zeit zur Stabilisierung?

Wird ein Messgerät schnell von einer Temperaturumgebung in eine andere gebracht, erreichen seine internen Komponenten die neue Temperatur nicht gleichzeitig.

Wird ein Gerät beispielsweise aus einer Umgebung mit 10°C in einen Raum mit 25°C gebracht:

● Das Gehäuse kann sich zuerst erwärmen.
● Metallische Eingangsanschlüsse reagieren anders als das Kunststoffgehäuse.
● Die Leiterplatte kann sich mit einer anderen Geschwindigkeit erwärmen.
● Der Kompensationssensor und die tatsächliche Referenzstelle können vorübergehend unterschiedliche Temperaturen aufweisen.

Eine wichtige Voraussetzung für die Kaltstellenkompensation ist, dass die Temperatur des Kompensationssensors die tatsächliche Referenzstellentemperatur ausreichend genau repräsentiert.

Besteht vorübergehend eine Differenz zwischen beiden Temperaturen, kann trotz korrektem Kompensationsalgorithmus ein kurzzeitiger Messfehler entstehen.

Bei Messungen mit höheren Genauigkeitsanforderungen sollte das Gerät nach einer deutlichen Änderung der Umgebungstemperatur deshalb zunächst einen ausreichend stabilen thermischen Zustand erreichen.

Kann die Kaltstellenkompensation alle Thermoelement-Messfehler beseitigen?

Nein.

Die Kaltstellenkompensation löst ein wesentliches, aber klar abgegrenztes Problem: Die Referenzstelle befindet sich nicht zwangsläufig bei 0°C und ihre Temperatur verändert sich mit der Umgebung.

Andere Fehlerquellen werden dadurch nicht automatisch korrigiert.

Dazu gehören beispielsweise:

● Ein gealtertes oder beschädigtes Thermoelement.
● Falsch ausgewählter Thermoelementtyp.
● Falsche Ausgleichs- oder Verlängerungsleitung.
● Unzureichender thermischer Kontakt zwischen Fühler und Messobjekt.
● Deutliche Temperaturgradienten an der Messstelle.
● Vertauschte Thermoelementpolarität.
● Betrieb außerhalb der spezifizierten Umgebungsbedingungen des Messgeräts.

Die Kaltstellenkompensation ist daher unverzichtbar, stellt aber nur einen Teil des gesamten Thermoelement-Messsystems dar.

FAQ

Warum heißt sie „Kaltstelle“? Muss sie kälter als die Messstelle sein?
Nein. Der Begriff ist historisch bedingt. „Referenzstelle“ ist technisch präziser. Die Referenzstelle kann sogar wärmer als die Messstelle sein, ohne dass sich das grundlegende Messprinzip ändert.

Benötigen moderne Thermoelement-Thermometer ein Eisbad?
In der Regel nicht. Digitale Thermoelement-Thermometer besitzen normalerweise eine elektronische Kaltstellenkompensation mit einem internen Temperatursensor in der Nähe der Eingänge.

Misst der Sensor der Kaltstellenkompensation die Umgebungstemperatur?
Nicht unmittelbar. Er soll die Temperatur an der Referenzstelle beziehungsweise eine Temperatur erfassen, die diese möglichst genau repräsentiert. Die Umgebungstemperatur ist lediglich eine Einflussgröße.

Warum sollte nach einem Wechsel von draußen nach drinnen nicht sofort eine hochgenaue Messung durchgeführt werden?
Weil vorübergehend interne Temperaturgradienten entstehen können und der Kompensationssensor die tatsächliche Referenzstellentemperatur möglicherweise noch nicht exakt repräsentiert.

Können Thermoelementstecker die Kaltstellenkompensation beeinflussen?
Ja. Material, Verdrahtung und Temperaturverteilung im Anschlussbereich können die Messung beeinflussen. Daher sollten für den jeweiligen Thermoelementtyp geeignete Steckverbinder und Verlängerungsmaterialien verwendet werden.

Kann auch ohne automatische Kaltstellenkompensation gemessen werden?
Einige Labormesssysteme erlauben das Abschalten der automatischen Kompensation. Dann muss jedoch eine bekannte Referenzstellentemperatur anderweitig bereitgestellt und bei der Auswertung berücksichtigt werden. Andernfalls lässt sich die Messstellentemperatur nicht zuverlässig bestimmen.

Bedeutet eine genauere Kaltstellenkompensation automatisch eine genauere Gesamtmessung?
Eine genauere Kaltstellenkompensation verbessert in der Regel die Gesamtmessung. Die endgültige Genauigkeit hängt jedoch zusätzlich vom Thermoelement, der Spannungsmessung, der Verdrahtung, der Einbausituation und dem thermischen Verhalten des Messobjekts ab.

Zusammenfassung

Thermoelement-Thermometer benötigen eine Kaltstellenkompensation, weil die erzeugte Thermospannung sowohl von der Temperatur der Messstelle als auch von der Temperatur der Referenzstelle abhängt und nicht allein von der Messstellentemperatur.

Moderne Thermoelement-Thermometer erfassen die Temperatur im Bereich der Referenzstelle am Geräteeingang und verwenden die Kennlinie des ausgewählten Thermoelementtyps, um die tatsächliche Referenzbedingung rechnerisch auf die Standardreferenz bei 0°C umzurechnen. Erst danach kann die tatsächliche Messstellentemperatur bestimmt werden.

Eine vollständige Thermoelementmessung umfasst deshalb zwei zentrale Messgrößen: die sehr kleine vom Thermoelement erzeugte Thermospannung und die Temperatur im Bereich der Referenzstelle.

In der Praxis sollten neben Thermoelementtyp und Fühlergenauigkeit auch lokale Wärmequellen, schnelle Änderungen der Umgebungstemperatur und größere Temperaturgradienten am Geräteeingang berücksichtigt werden. Bei anspruchsvollen Messungen sollte das Gerät nach deutlichen Umgebungsänderungen zunächst einen möglichst stabilen thermischen Zustand erreichen.

Das Verständnis der Kaltstellenkompensation ist entscheidend, um nachzuvollziehen, wie ein Thermoelement-Thermometer Thermospannungen von nur wenigen Millivolt oder weniger zuverlässig in einen Temperaturwert umwandelt.