Einleitung

Die Temperaturmessung mit einem Thermoelement basiert weder auf einer Widerstandsmessung noch auf Infrarotstrahlung. Gemessen wird vielmehr eine sehr kleine elektrische Spannung, die bei zwei unterschiedlichen Leitermaterialien infolge einer Temperaturdifferenz entsteht.

Befinden sich Messstelle und Referenzstelle auf unterschiedlichen Temperaturen, erzeugt das Thermoelement eine Thermospannung, die typischerweise im Mikrovolt- oder Millivoltbereich liegt. Das Thermoelement-Thermometer misst diese Spannung und berechnet daraus anhand der für den jeweiligen Thermoelementtyp festgelegten Spannungs-Temperatur-Kennlinie die Temperatur.

Grundsätzlich gilt:

● Ein Thermoelement liefert ein elektrisches Spannungssignal;
● Die Spannung wird wesentlich durch die Temperaturen von Messstelle und Referenzstelle bestimmt;
● Verschiedene Thermoelementtypen besitzen unterschiedliche Spannungs-Temperatur-Kennlinien;
● Spannung und Temperatur stehen im Allgemeinen nicht in einem einfachen, konstant linearen Verhältnis.

Das Wichtigste im Überblick

● Thermoelemente nutzen den Seebeck-Effekt, um eine Temperaturdifferenz in Thermospannung umzuwandeln;
● Die Ausgangsspannung liegt typischerweise im Mikrovolt- bis Millivoltbereich;
● Grundlage der Messung ist die Temperaturdifferenz zwischen Messstelle und Referenzstelle;
● Unterschiedliche Werkstoffkombinationen besitzen unterschiedliche Seebeck-Eigenschaften, weshalb die Typen K, J, T, E und andere Thermoelemente nicht dieselbe Spannungs-Temperatur-Kennlinie verwenden;
● Die Kennlinie ist üblicherweise nichtlinear und wird mithilfe standardisierter Thermospannungstabellen oder mathematischer Modelle ausgewertet;
● Praktische Thermoelement-Thermometer benötigen eine Kaltstellenkompensation, um die tatsächliche Temperatur an der Messstelle zu bestimmen.

Warum erzeugt ein Thermoelement eine Spannung?

Ein Thermoelement besteht üblicherweise aus zwei unterschiedlichen Metallen oder Legierungen. Werden diese miteinander verbunden und besteht entlang des Systems eine Temperaturdifferenz, entsteht eine Thermospannung. Dieses physikalische Phänomen wird als Seebeck-Effekt bezeichnet.

Die Ladungsträger unterschiedlicher Leitermaterialien reagieren unterschiedlich auf einen Temperaturgradienten. Dadurch unterscheiden sich ihre thermoelektrischen Eigenschaften. Werden zwei geeignete Werkstoffe zu einem Thermoelement kombiniert, entsteht daraus eine messbare elektrische Spannung.

Aus messtechnischer Sicht lässt sich der Vorgang vereinfacht so darstellen:

● Die Temperatur ändert sich;
● Die thermoelektrischen Eigenschaften der Werkstoffe führen zu einer entsprechenden Änderung der Thermospannung;
● Das Messgerät erfasst die entstehende Spannungsdifferenz;
● Die Spannung wird in einen Temperaturwert umgerechnet.

Ein Thermoelement ist somit ein Temperatursensor, der temperaturabhängige Informationen in ein elektrisches Signal umsetzt.

Wie hängt die Thermoelementspannung von der Temperaturdifferenz ab?

Die von einem Thermoelement erzeugte Thermospannung wird im Wesentlichen durch die Temperatur der Messstelle und der Referenzstelle bestimmt.

In vereinfachter Form gilt:

E ≈ S × ΔT

Dabei ist:

● E die erzeugte Thermospannung;
● S der Seebeck-Koeffizient;
● ΔT die Temperaturdifferenz zwischen Messstelle und Referenzstelle.

Mit zunehmender Temperaturdifferenz nimmt im Allgemeinen auch die erzeugte Thermospannung zu.

Diese Formel dient jedoch nur als vereinfachtes Modell. Bei realen Thermoelementen ist der Seebeck-Koeffizient nicht über den gesamten Temperaturbereich konstant. Deshalb kann nicht davon ausgegangen werden, dass eine Temperaturänderung von jeweils 1°C immer exakt dieselbe Spannungsänderung erzeugt.

Genauer lässt sich die Thermospannung über einen temperaturabhängigen Seebeck-Koeffizienten beschreiben:

E = ∫ S(T)dT

Aus diesem Grund verläuft die Spannungs-Temperatur-Kennlinie eines Thermoelements als Kurve und nicht als perfekte Gerade.

Ist die Spannungs-Temperatur-Kennlinie eines Thermoelements linear?

Nicht vollständig.

Innerhalb eines kleinen Temperaturbereichs kann die Ausgangsspannung bestimmter Thermoelemente näherungsweise linear behandelt werden. Deshalb wird die Empfindlichkeit in technischen Betrachtungen häufig in Mikrovolt pro Grad Celsius angegeben.

Über größere Temperaturbereiche verändert sich jedoch der Seebeck-Koeffizient mit der Temperatur, wodurch die Nichtlinearität stärker ins Gewicht fällt.

Bei einem Thermoelement Typ K liegt die Empfindlichkeit in vielen üblichen Temperaturbereichen beispielsweise in der Größenordnung einiger zehn Mikrovolt pro Grad Celsius. Dieser Wert bleibt jedoch über den gesamten Messbereich nicht konstant.

Daraus folgt:

● Für kleine Temperaturbereiche kann ein mittlerer Seebeck-Koeffizient als Näherung verwendet werden;
● Für präzise Messungen oder große Temperaturbereiche müssen standardisierte Kennlinien oder entsprechende Umrechnungsalgorithmen verwendet werden.

Digitale Thermoelement-Thermometer führen deshalb intern eine Linearisierung durch.

Warum besitzen verschiedene Thermoelementtypen unterschiedliche Spannungs-Temperatur-Kennlinien?

Die Thermospannung eines Thermoelements wird durch die verwendete Werkstoffkombination bestimmt.

Typische Beispiele sind:

● Typ K verwendet üblicherweise eine Nickel-Chrom- und eine Nickellegierung;
● Typ J verwendet üblicherweise Eisen und eine Kupfer-Nickel-Legierung;
● Typ T verwendet üblicherweise Kupfer und eine Kupfer-Nickel-Legierung;
● Typ E verwendet üblicherweise eine Nickel-Chrom- und eine Kupfer-Nickel-Legierung.

Da diese Werkstoffe unterschiedliche thermoelektrische Eigenschaften besitzen, entstehen bei gleichen Temperaturbedingungen unterschiedliche Thermospannungen.

Bei derselben Temperaturdifferenz gilt daher:

● Typ K liefert einen bestimmten Spannungswert;
● Typ J liefert einen anderen Spannungswert;
● Typ T und Typ E besitzen wiederum eigene charakteristische Ausgangswerte.

Das Messgerät muss deshalb wissen, welcher Thermoelementtyp angeschlossen ist, um die richtige Kennlinie für die Temperaturberechnung zu verwenden.

Ist das Messgerät beispielsweise auf Typ K eingestellt, während tatsächlich ein Thermoelement Typ J angeschlossen ist, kann die elektrische Spannungsmessung korrekt sein, der berechnete Temperaturwert jedoch deutlich abweichen.

Was ist eine Thermoelement-Referenztabelle?

Da der Zusammenhang zwischen Thermospannung und Temperatur nicht vollständig linear ist, kann über den gesamten Messbereich kein einzelner konstanter Spannungs-pro-Grad-Wert verwendet werden.

Für die verschiedenen Thermoelementtypen sind standardisierte Beziehungen zwischen Thermospannung und Temperatur definiert. Diese werden häufig in Thermospannungs- oder Referenztabellen dargestellt.

Eine solche Tabelle gibt beispielsweise an:

● Welche Millivoltspannung einer bestimmten Temperatur entspricht;
● Welche Temperatur einem bestimmten Millivoltwert zugeordnet ist.

Misst ein Thermoelement-Thermometer eine bestimmte Spannung, kann die Elektronik anhand des eingestellten Thermoelementtyps und standardisierter Tabellenwerte oder Polynomgleichungen die entsprechende Temperatur bestimmen.

Moderne digitale Thermoelement-Thermometer führen diese Berechnung intern durch, sodass der Anwender direkt den Temperaturwert und nicht die Rohspannung abliest.

Warum lässt sich die tatsächliche Temperatur nicht allein aus der Thermoelementspannung bestimmen?

Die Thermospannung wird nicht ausschließlich durch die absolute Temperatur an der Messstelle bestimmt. Auch die Temperatur an der Referenzstelle ist entscheidend.

Angenommen, die Messstelle befindet sich bei 100°C.

Liegt die Referenzstelle bei 0°C, entspricht die Thermospannung der Temperaturbeziehung zwischen 100°C und 0°C.

Befindet sich die Referenzstelle dagegen bei 25°C, entsteht eine andere Thermospannung.

Deshalb reicht die Kenntnis des Millivoltwertes allein nicht aus, um die tatsächliche Messstellentemperatur genau zu bestimmen, wenn die Temperatur der Referenzstelle unbekannt ist.

Hierfür wird die Kaltstellenkompensation, international häufig als CJC bezeichnet, benötigt.

Welche Rolle spielt die Kaltstellenkompensation bei der Temperaturberechnung?

Thermoelement-Referenztabellen beziehen sich üblicherweise auf eine Referenzstelle von 0°C.

In der Praxis befinden sich die Anschlussklemmen eines Thermometers jedoch meist auf Umgebungstemperatur, beispielsweise bei 20°C oder 25°C. Eine konstante Referenztemperatur von 0°C wäre im normalen Betrieb unpraktisch.

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

Das Messgerät führt anschließend folgende Schritte durch:

● Messung der kleinen Thermoelementspannung;
● Messung der Temperatur an der Referenzstelle;
● Berechnung der dieser Referenztemperatur entsprechenden äquivalenten Thermospannung;
● Verrechnung mit der gemessenen Thermoelementspannung;
● Umrechnung des kompensierten Wertes in die Messstellentemperatur anhand der entsprechenden Kennlinie.

Die praktische Temperaturmessung lässt sich daher nicht lediglich als

Spannung → Temperatur

beschreiben, sondern genauer als:

Thermoelementspannung + Referenzstellentemperatur + Thermoelementtyp + standardisierte Kennlinie → tatsächliche Temperatur

Warum ist die Ausgangsspannung eines Thermoelements so klein?

Die Empfindlichkeit eines Thermoelements liegt typischerweise nur im Bereich einiger zehn Mikrovolt pro Grad Celsius. Selbst bei Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius beträgt die Ausgangsspannung deshalb häufig nur wenige Millivolt oder einige zehn Millivolt.

Diese geringen Signalpegel haben mehrere Konsequenzen:

● Elektromagnetische Störungen können die Messung beeinflussen;
● Anschluss- und Leitermaterialien sind für die Messqualität relevant;
● Die Messelektronik benötigt eine hohe Eingangsimpedanz und ein geringes Eigenrauschen;
● Das Messgerät muss eine ausreichend hohe Auflösung für kleine Spannungen besitzen;
● Ungeeignete Verlängerungs- oder Ausgleichsleitungen können zusätzliche Thermospannungen erzeugen.

Obwohl ein Thermoelement-Thermometer lediglich einen Temperaturwert anzeigt, erfolgen intern typischerweise Signalverstärkung, Filterung, Kaltstellenkompensation, Linearisierung und Analog-Digital-Wandlung.

Bedeutet eine höhere Thermoelementspannung immer eine höhere Temperatur?

Bei demselben Thermoelementtyp, gleichen Referenzbedingungen und innerhalb des vorgesehenen Temperaturbereichs entspricht eine steigende Thermospannung im Allgemeinen einer höheren Messstellentemperatur.

Diese Aussage gilt jedoch nur unter Berücksichtigung der vollständigen Messbedingungen.

Zu beachten sind insbesondere:

● Ist derselbe Thermoelementtyp vorhanden?
● Ist die Polarität korrekt?
● Hat sich die Temperatur der Referenzstelle verändert?
● Liegt die Temperatur innerhalb des vorgesehenen Einsatzbereichs?
● Wurde die Thermospannung durch Störungen oder zusätzliche thermoelektrische Spannungen beeinflusst?

Millivoltwerte unterschiedlicher Thermoelementtypen dürfen daher nicht direkt miteinander verglichen werden, um daraus eine höhere oder niedrigere Temperatur abzuleiten.

Warum beeinflusst die Polarität die Thermoelementspannung?

Ein Thermoelement besitzt einen positiven und einen negativen Leiter.

Ist die Messstelle wärmer als die Referenzstelle und das Thermoelement korrekt gepolt angeschlossen, misst das Gerät eine Thermospannung mit der erwarteten Polarität.

Werden Plus- und Minusleiter vertauscht, kehrt sich auch die Polarität der Spannung um. Dadurch kann das Messgerät einen falschen Temperaturwert anzeigen oder eine Temperaturänderung in die entgegengesetzte Richtung darstellen.

Bei steigender tatsächlicher Temperatur gilt beispielsweise:

● Richtige Polarität: Die angezeigte Temperatur steigt;
● Vertauschte Polarität: Die Anzeige kann sinken oder deutlich unplausible Werte liefern.

Bei Thermoelementen sowie deren Verlängerungs- und Ausgleichsleitungen muss deshalb auf die korrekte Werkstoffzuordnung und Polarität geachtet werden.

Welche Faktoren können zu Abweichungen zwischen Thermospannung und tatsächlicher Temperatur führen?

Auch wenn das Thermoelement selbst eine gültige Thermospannung erzeugt, können verschiedene Einflüsse zu einer Abweichung zwischen angezeigter und tatsächlicher Temperatur führen.

Typische Ursachen sind:

● Falscher Thermoelementtyp am Messgerät eingestellt;
● Vertauschte Polarität;
● Fehler der Kaltstellenkompensation;
● Nicht geeignete Verlängerungs- oder Ausgleichsleitung;
● Starke Temperaturgradienten an Anschlussstellen;
● Alterung, Oxidation oder Verunreinigung des Thermoelements;
● Elektromagnetische Störungen des kleinen Spannungssignals;
● Unzureichender thermischer Ausgleich zwischen Messstelle und Messobjekt;
● Betrieb außerhalb des empfohlenen Temperaturbereichs.

Die Messgenauigkeit hängt daher nicht allein vom Thermoelement ab, sondern ebenso vom Messgerät, der Verdrahtung, der Installation und den Umgebungsbedingungen.

FAQ

Erzeugt ein Thermoelement bei jeder Temperaturerhöhung um 1°C dieselbe Spannungsänderung?

Nein. Der Seebeck-Koeffizient verändert sich mit der Temperatur. Deshalb ist die Spannungsänderung pro Grad Celsius über den gesamten Temperaturbereich nicht konstant. Für kleine Bereiche ist eine lineare Näherung möglich, für genaue Messungen werden jedoch standardisierte Kennlinien verwendet.

Erzeugt ein Thermoelement Gleich- oder Wechselspannung?

Ein Thermoelement erzeugt eine sehr kleine Gleichspannung in Form einer Thermospannung. Ihre Polarität hängt von der Werkstoffkombination, der Anschlussrichtung sowie von den Temperaturen an Mess- und Referenzstelle ab.

Kann die Thermoelementspannung mit einem Multimeter gemessen werden?

Ja. Ein geeignetes Multimeter kann die Millivoltspannung messen. Ein gewöhnliches Multimeter führt jedoch in der Regel keine automatische Thermoelementkennlinien-Umrechnung, Kaltstellenkompensation oder Linearisierung durch. Der gemessene Millivoltwert darf daher nicht direkt als Temperatur interpretiert werden.

Erzeugen unterschiedliche Thermoelementtypen bei derselben Temperatur dieselbe Spannung?

Nein. Typ K, J, T, E und andere Thermoelemente bestehen aus unterschiedlichen Werkstoffpaarungen und besitzen deshalb unterschiedliche Seebeck-Eigenschaften und Spannungs-Temperatur-Kennlinien.

Bedeutet 0 mV, dass die Temperatur 0°C beträgt?

Nicht unbedingt. Eine Thermospannung nahe 0 mV bedeutet meist, dass Messstelle und Referenzstelle annähernd dieselbe Temperatur besitzen. Sind beispielsweise beide Stellen etwa 25°C warm, liegt die differenzielle Thermospannung ebenfalls nahe null.

Warum muss am Thermoelement-Thermometer Typ K, J, T oder E ausgewählt werden?

Jeder Thermoelementtyp besitzt eine eigene Spannungs-Temperatur-Kennlinie. Nur wenn das Messgerät die zum angeschlossenen Thermoelement passende Kennlinie verwendet, kann es die gemessene Millivoltspannung korrekt in Temperatur umrechnen.

Zusammenfassung

Die Temperaturmessung mit Thermoelementen beruht auf dem Seebeck-Effekt. Zwei unterschiedliche Leitermaterialien wandeln dabei eine Temperaturdifferenz in eine kleine Gleichspannung um.

Zwischen Thermoelementspannung und Temperatur besteht eine definierte Beziehung, diese ist jedoch im Allgemeinen kein einfaches konstantes lineares Verhältnis. Unterschiedliche Thermoelementtypen besitzen unterschiedliche thermoelektrische Eigenschaften und benötigen deshalb jeweils die passende standardisierte Kennlinie oder einen entsprechenden Umrechnungsalgorithmus.

Die Thermospannung hängt zudem nicht allein von der absoluten Temperatur an der Messstelle ab, sondern von Messstelle und Referenzstelle gemeinsam. Moderne Thermoelement-Thermometer verwenden deshalb eine Kaltstellenkompensation, um aus Mikrovolt- oder Millivoltsignalen die tatsächliche Messstellentemperatur zu berechnen.

Das Grundprinzip lässt sich zusammenfassen als: Temperaturdifferenz → Thermospannung → Kompensation und Linearisierung → Temperatur.