Einleitung

Ein Thermoelement besteht aus zwei unterschiedlichen Metallen oder Legierungen. Werden diese zu einem thermoelektrischen Messkreis verbunden und befinden sich die relevanten Verbindungsstellen auf unterschiedlichen Temperaturen, entsteht eine temperaturabhängige Thermospannung.

Zwei zentrale Begriffe sind dabei die Heißstelle und die Kaltstelle.

Die Bezeichnungen können missverständlich sein. Die Heißstelle muss nicht grundsätzlich eine hohe Temperatur aufweisen, und die Kaltstelle muss nicht tatsächlich kalt sein. Fachlich präziser spricht man von Messstelle und Vergleichsstelle.

Das Verständnis dieser beiden Stellen ist eine wesentliche Voraussetzung, um das Funktionsprinzip von Thermoelementen, die Kaltstellenkompensation und die Messgenauigkeit eines Thermoelement-Thermometers richtig einzuordnen.

Das Wichtigste im Überblick

● Die Heißstelle ist die Stelle, an der das Thermoelement die Temperatur des Messobjekts erfasst, und wird daher auch als Messstelle bezeichnet.
● Die Kaltstelle ist die für die Temperaturreferenz maßgebliche Anschlussstelle und wird fachlich als Vergleichsstelle bezeichnet.
● Ein Thermoelement reagiert auf die Temperaturbedingungen zwischen Messstelle und Vergleichsstelle und liefert nicht einfach ein ausschließlich von der absoluten Temperatur der Messstelle bestimmtes Signal.
● Die Kaltstelle muss weder besonders kalt sein noch dauerhaft auf 0 °C gehalten werden.
● Moderne Thermoelement-Thermometer erfassen die Temperatur der Vergleichsstelle und führen eine elektronische Kaltstellenkompensation durch.
● Fehler bei der Erfassung oder Kompensation der Vergleichsstellentemperatur können das Messergebnis beeinflussen, auch wenn der Thermoelementfühler selbst einwandfrei arbeitet.

Was ist die Heißstelle eines Thermoelements?

Die Heißstelle ist üblicherweise die Verbindungsstelle, an der die beiden unterschiedlichen Thermoelementleiter miteinander verbunden sind. Sie befindet sich am Messpunkt und wird in Kontakt mit dem Messobjekt gebracht oder der zu messenden Luft, Flüssigkeit beziehungsweise Anlage ausgesetzt.

Ein Thermoelement Typ K besteht beispielsweise aus zwei unterschiedlichen Legierungen mit den für Typ K festgelegten thermoelektrischen Eigenschaften. An der Fühlerspitze werden die beiden Leiter durch Schweißen, Verschmelzen oder ein anderes geeignetes Verfahren zur Messstelle verbunden.

Diese Messstelle erfasst die Temperaturänderung am Messort. Ändert sich ihre Temperatur bei bekannten Bedingungen an der Vergleichsstelle, ändert sich auch die vom Thermoelement erzeugte Thermospannung. Das Messgerät wertet diesen Zusammenhang aus und berechnet daraus die Temperatur.

Die Bezeichnung Messstelle ist deshalb fachlich häufig treffender als Heißstelle.

Warum wird die Heißstelle auch Messstelle genannt?

Der Begriff Heißstelle stammt aus klassischen Industrieanwendungen, bei denen Thermoelemente häufig an Öfen, Kesseln, Motoren, beheizten Rohrleitungen, Werkzeugen oder anderen heißen Komponenten eingesetzt werden.

Thermoelemente sind jedoch keineswegs auf hohe Temperaturen beschränkt.

Bei Messungen in Kühlräumen, Kälteanlagen, Niedertemperaturleitungen oder Laboranwendungen kann die Messstelle sogar deutlich kälter sein als das Messgerät und dessen Vergleichsstelle.

Die Bezeichnung Messstelle beschreibt daher die Funktion genauer. Sie bezeichnet den Punkt, dessen Temperatur bestimmt werden soll, ohne vorauszusetzen, dass dieser Punkt der wärmste Bereich des Messsystems ist.

Was ist die Kaltstelle eines Thermoelements?

Die Kaltstelle ist der Bereich des Messsystems, der die erforderliche Temperaturreferenz bereitstellt. Fachlich spricht man deshalb von der Vergleichsstelle.

In einem praktischen Thermoelement-Thermometer werden die Thermoelementleiter schließlich mit Kupferleitern, Anschlussklemmen oder der Eingangselektronik des Messgeräts verbunden. Der Bereich dieses Materialübergangs gehört zum System der Vergleichsstelle.

Die gemessene Thermospannung allein reicht nicht aus, um die Temperatur der Messstelle eindeutig zu bestimmen. Das Messgerät muss zusätzlich die Temperatur der Vergleichsstelle kennen.

Die Vergleichsstelle stellt somit die bekannte Temperaturreferenz bereit, die zur Berechnung der Messstellentemperatur erforderlich ist.

Warum wird sie Kaltstelle genannt?

Die Bezeichnung geht auf frühere Messverfahren mit Thermoelementen zurück.

Um eine stabile und bekannte Referenztemperatur zu erhalten, wurde die Vergleichsstelle traditionell häufig in ein Eis-Wasser-Gemisch eingebracht und dadurch nahe 0 °C gehalten. Da dieser Bereich im Vergleich zur meist heißen Messstelle deutlich kühler war, etablierte sich die Bezeichnung Kaltstelle.

Bei modernen digitalen Thermoelement-Thermometern ist ein Eisbad normalerweise nicht erforderlich.

Ein interner Temperatursensor erfasst stattdessen die Temperatur in der Nähe der Thermoelement-Eingangsklemmen. Das Gerät führt anschließend elektronisch eine Kaltstellenkompensation durch.

Bei modernen Geräten ist die Kaltstelle daher als Vergleichsstelle und nicht als zwingend kalter Punkt zu verstehen.

Wie hängen Heißstelle und Kaltstelle zusammen?

Das Funktionsprinzip eines Thermoelements beruht auf dem Seebeck-Effekt. Befinden sich in einem aus unterschiedlichen Leitermaterialien aufgebauten thermoelektrischen Messkreis die maßgeblichen Stellen auf unterschiedlichen Temperaturen, entsteht eine Thermospannung.

Der Messvorgang lässt sich vereinfacht folgendermaßen darstellen:

● Die Messstelle erfasst die Temperatur des Messobjekts.
● Die Vergleichsstelle liefert die erforderliche Temperaturreferenz.
● Das Thermoelement erzeugt eine kleine elektrische Spannung, die von den Temperaturbedingungen beider Stellen abhängt.
● Das Thermometer misst diese Spannung und ermittelt die Temperatur der Vergleichsstelle.
● Das Gerät verwendet die Kennlinie des ausgewählten Thermoelementtyps und führt die erforderliche Kompensation durch.
● Als Ergebnis wird die Temperatur an der Messstelle ausgegeben.

Ein Thermoelement arbeitet damit anders als Sensoren, deren elektrisches Ausgangssignal ausschließlich von der absoluten Temperatur eines einzigen Sensorelements abhängt. Die Vergleichsstelle ist ein wesentlicher Bestandteil der Temperaturbestimmung.

Warum darf die Temperatur der Vergleichsstelle nicht ignoriert werden?

Angenommen, die Messstelle bleibt auf derselben Temperatur, während sich die Temperatur im Bereich der Eingangsklemmen des Messgeräts deutlich verändert.

Würde die Temperatur der Vergleichsstelle nicht berücksichtigt, änderte sich die Zuordnung zwischen Thermospannung und Messstellentemperatur. Das berechnete Ergebnis könnte dadurch fehlerhaft werden.

Aus diesem Grund benötigen Thermoelement-Thermometer eine Kaltstellenkompensation.

Moderne Geräte verfügen in der Regel über einen Temperatursensor in der Nähe des Thermoelementeingangs. Die dort ermittelte Temperatur wird in die Berechnung für den eingestellten Thermoelementtyp einbezogen.

Ein vollständiges Thermoelement-Messsystem muss daher zwei Größen korrekt erfassen beziehungsweise verarbeiten:

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

Nur wenn beide Größen korrekt berücksichtigt werden, lässt sich die Messstellentemperatur zuverlässig bestimmen.

Muss die Kaltstelle auf 0 °C gehalten werden?

Nein.

0 °C ist eine gebräuchliche Referenztemperatur für Thermoelement-Kennwerte und Kalibrierkonzepte. Daraus folgt jedoch nicht, dass die Vergleichsstelle eines praktisch eingesetzten Thermometers physisch auf 0 °C gehalten werden muss.

Moderne Handthermometer, Datenlogger und industrielle Temperaturmodule verwenden üblicherweise eine elektronische Kaltstellenkompensation. Die Eingangsklemmen können sich daher beispielsweise bei 20 °C, 25 °C oder einer anderen Temperatur innerhalb des zulässigen Betriebsbereichs befinden, sofern diese Temperatur korrekt erfasst und kompensiert wird.

Im normalen Betrieb muss der Anwender deshalb keine physische 0-°C-Vergleichsstelle herstellen.

Allerdings besitzt auch die Kaltstellenkompensation eine eigene Messunsicherheit. Wird ein Gerät schnell aus einer sehr warmen oder kalten Umgebung in eine Umgebung mit deutlich anderer Temperatur gebracht, muss sich die interne Temperaturverteilung unter Umständen zunächst stabilisieren. Während dieser Übergangsphase kann der Vergleichsstellentemperatursensor die tatsächliche Temperatur an den Anschlussklemmen noch nicht exakt repräsentieren, wodurch zusätzliche Messabweichungen entstehen können.

Muss die Heißstelle immer wärmer als die Kaltstelle sein?

Nein.

Bei Messungen an Öfen, Abgasleitungen, heißen Prozessrohren oder anderen warmen Objekten ist die Messstelle üblicherweise deutlich wärmer als die Vergleichsstelle. In solchen Anwendungen erscheint die traditionelle Bezeichnung logisch.

Bei einer Niedertemperaturmessung kann die Situation jedoch umgekehrt sein:

● Temperatur der Messstelle: -30 °C
● Temperatur der Vergleichsstelle: 20 °C

In diesem Fall ist die sogenannte Heißstelle tatsächlich 50 °C kälter als die Kaltstelle.

Zur Beschreibung des Funktionsprinzips sind daher die Begriffe Messstelle und Vergleichsstelle eindeutiger.

Wo befindet sich die Kaltstelle?

Bei einem typischen Handthermometer mit Thermoelement befindet sich der Bereich der Vergleichsstelle im Umfeld des Thermoelementsteckers und der Eingangsklemmen des Messgeräts.

Wird beispielsweise ein Typ-K-Fühler mit einem standardisierten Thermoelementstecker angeschlossen, erfasst das Messgerät üblicherweise die Temperatur nahe dem Eingang und verwendet diesen Wert für die Kaltstellenkompensation.

Die Vergleichsstelle darf jedoch nicht als einzelner, isolierter Punkt am Ende des Thermoelementdrahtes verstanden werden. In einem realen Messkreis bilden Thermoelementleiter, Steckverbinder, Anschlussklemmen und Kupferleiter ein zusammenhängendes Anschlusssystem.

Ein hochwertiges Messgerät ist deshalb so ausgelegt, dass im relevanten Eingangsbereich geeignete thermische Bedingungen herrschen und eine repräsentative Vergleichsstellentemperatur präzise erfasst werden kann.

Die Gestaltung des Thermoelementeingangs und die interne Temperaturkompensation sind daher wichtige Faktoren für die Gesamtleistung des Thermometers.

Beeinflusst der Aufbau der Messstelle das Messverhalten?

Ja.

Obwohl jede Thermoelement-Messstelle dieselbe grundlegende Funktion erfüllt, beeinflusst ihre Konstruktion unter anderem Ansprechzeit, mechanische Belastbarkeit, elektrische Isolation und Eignung für bestimmte Umgebungen.

Eine freiliegende Messstelle besitzt beispielsweise eine geringe thermische Masse und reagiert normalerweise schnell, ist jedoch mechanisch und gegenüber Umwelteinflüssen weniger geschützt.

Bei Thermoelementen mit Metallmantel kann die Messstelle geerdet, ungeerdet oder freiliegend ausgeführt sein. Diese Bauformen unterscheiden sich unter anderem hinsichtlich Ansprechzeit, galvanischer beziehungsweise elektrischer Isolation, Störanfälligkeit und Anwendungseignung.

Bei der Auswahl eines Thermoelements sollte daher nicht nur auf den Thermoelementtyp wie K, J oder T geachtet werden, sondern auch auf den Aufbau der Messstelle.

Beeinflusst die Kaltstellenkompensation die Genauigkeit eines Thermoelement-Thermometers?

Ja. Sie ist ein wesentlicher Bestandteil der Gesamtmessunsicherheit und spielt eine wichtige Rolle bei der Unterscheidung zwischen Gerätegenauigkeit und Fühlergenauigkeit.

Die Gesamtabweichung eines praktischen Thermoelement-Messsystems kann sich aus mehreren Komponenten zusammensetzen:

● Zulässige Abweichung des Thermoelementmaterials.
● Wärmeübergangsfehler zwischen Messstelle und Messobjekt.
● Fehler durch ungeeignete Verlängerungsleitungen, Ausgleichsleitungen oder Steckverbinder.
● Messfehler der Thermospannung im Gerät.
● Messfehler des Temperatursensors für die Vergleichsstelle.
● Fehler durch Temperaturgradienten im Bereich der Vergleichsstelle.
● Fehler durch Linearisierung und interne Berechnung.
● Vorübergehende Fehler infolge schneller Änderungen der Umgebungstemperatur.

Die Leistungsfähigkeit einer Thermoelementmessung sollte deshalb immer über die gesamte Messkette beurteilt werden und nicht ausschließlich anhand der Genauigkeit des Fühlers oder des Messgeräts.

Wie lassen sich Fehler an Messstelle und Vergleichsstelle reduzieren?

● Sorgen Sie für einen guten thermischen Kontakt zwischen Messstelle und Messobjekt. Bei Oberflächenmessungen können schlechter Kontakt, Luftspalte oder der Einfluss der Umgebungsluft dazu führen, dass die Messstelle nicht die tatsächliche Oberflächentemperatur annimmt.
● Wählen Sie eine zur Anwendung passende Fühlerbauform. Messungen in Luft, Flüssigkeiten, an Rohroberflächen, in Öfen oder an schnell wechselnden Temperaturquellen stellen unterschiedliche Anforderungen.
● Verwenden Sie für den jeweiligen Thermoelementtyp geeignete Steckverbinder, Verlängerungsleitungen oder Ausgleichsleitungen. Ungeeignete Materialien können zusätzliche Thermospannungen erzeugen.
● Vermeiden Sie starke Temperaturgradienten im Bereich der Eingangsklemmen. Wird beispielsweise eine Seite des Eingangs stark erwärmt, während die andere von kalter Luft angeströmt wird, kann sich der Fehler der Kaltstellenkompensation erhöhen.
● Lassen Sie das Messgerät nach einer deutlichen Änderung der Umgebungstemperatur gemäß den Herstellerangaben thermisch stabilisieren.
● Stellen Sie sicher, dass der am Gerät eingestellte Thermoelementtyp dem tatsächlich angeschlossenen Fühler entspricht. Ein Typ-K-Fühler muss mit der Einstellung Typ K gemessen werden.
● Berücksichtigen Sie bei Präzisionsmessungen Fühlerfehler, Gerätefehler und Fehler der Kaltstellenkompensation gemeinsam.

FAQ

Befindet sich die Heißstelle immer direkt an der Fühlerspitze?

Bei vielen üblichen Thermoelementfühlern liegt die Messstelle an oder nahe der Spitze. Die genaue Position hängt jedoch von der Konstruktion ab. Bei Mantelthermoelementen kann sich die eigentliche Messstelle beispielsweise innerhalb des Metallmantels befinden.

Ist die Kaltstelle einfach der Thermoelementstecker?

Nicht vollständig. Bei Handmessgeräten gehören Thermoelementstecker und Eingangsklemmen typischerweise zum Bereich der Vergleichsstelle. Die Kaltstellenkompensation umfasst jedoch zusätzlich die internen Anschlüsse und den Temperatursensor für die Vergleichsstelle.

Warum benötigt ein Thermoelement zwei Temperaturpunkte?

Weil die Thermospannung von den Temperaturbedingungen an Messstelle und Vergleichsstelle abhängt. Um die Temperatur der Messstelle zu bestimmen, muss die Temperatur der Vergleichsstelle bekannt sein oder kompensiert werden.

Muss die Kaltstelle kälter als die Heißstelle sein?

Nein. Bei Niedertemperaturmessungen kann die Messstelle kälter sein als die Vergleichsstelle. Die Begriffe Heißstelle und Kaltstelle sind traditionelle Bezeichnungen.

Benötigen moderne Thermoelement-Thermometer ein Eisbad als Referenz?

Normalerweise nicht. Moderne digitale Thermometer verfügen üblicherweise über eine elektronische Kaltstellenkompensation und erfassen automatisch die Temperatur im Bereich der Eingangsklemmen.

Wie stark kann eine fehlerhafte Kaltstellenkompensation das Ergebnis beeinflussen?

Das hängt unter anderem vom Thermoelementtyp, Temperaturbereich, Gerätedesign und Fehler der Vergleichsstellentemperatur ab. Grundsätzlich trägt ein Fehler der Vergleichsstellentemperatur unmittelbar zur Gesamtmessunsicherheit bei und muss insbesondere bei Präzisionsmessungen berücksichtigt werden.

Zusammenfassung

Heißstelle und Kaltstelle eines Thermoelements lassen sich fachlich präziser als Messstelle und Vergleichsstelle bezeichnen.

Die Messstelle erfasst die Temperatur des Messobjekts. Die Vergleichsstelle stellt die für die Umrechnung erforderliche Temperaturreferenz bereit. Da die Thermospannung von den Temperaturbedingungen an beiden Bereichen des thermoelektrischen Messkreises abhängt, muss das Messgerät neben der Thermospannung auch die Temperatur der Vergleichsstelle berücksichtigen.

Moderne Thermoelement-Thermometer übernehmen dies in der Regel automatisch mittels elektronischer Kaltstellenkompensation. Die Vergleichsstelle muss daher weder auf 0 °C gehalten werden noch zwangsläufig kälter als die Messstelle sein.

Das Verständnis von Messstelle, Vergleichsstelle und Kaltstellenkompensation ist entscheidend, um das Messprinzip von Thermoelementen richtig zu verstehen und mögliche Fehler durch Fühlerkonstruktion, Anschlussart, Umgebungsbedingungen und Gerätekompensation beurteilen zu können.