Temperaturmessung mit Thermoelementen

Für die Qualität der Messung sind jedoch nicht nur der Fühler selbst, sondern auch die richtige Auswahl des Thermotyps, die Kaltstellenkompensation und die korrekte Auswertung des Sensorsignals entscheidend. Ein Thermoelement liefert keine absolute Temperatur direkt, sondern eine kleine Thermospannung, die aus einer Temperaturdifferenz entsteht. Deshalb ist die Auslegung des Messeingangs ein wesentlicher Bestandteil der gesamten Messkette.

Das physikalische Prinzip eines Thermoelements

Das grundlegende physikalische Prinzip eines Thermoelements ist der Seebeck-Effekt. Liegt in einem Leiter oder zwischen zwei unterschiedlichen leitenden Materialien ein Temperaturgefälle vor, verschieben sich Ladungsträger unterschiedlich stark. Dadurch entsteht eine messbare elektrische Spannung. Bei einem Thermoelement wird dieser Effekt gezielt genutzt, indem zwei verschiedene Werkstoffe an der Messstelle verbunden werden. Die resultierende Thermospannung hängt von der Temperaturdifferenz zwischen Messstelle und Referenzstelle sowie von den verwendeten Materialien ab.

Wichtig ist: Ein Thermoelement misst nicht direkt eine absolute Temperatur, sondern zunächst eine Temperaturdifferenz. Erst durch die Kenntnis oder Erfassung der Referenzstelle kann daraus die tatsächliche Temperatur an der Messstelle bestimmt werden. Genau aus diesem Grund ist die Kaltstellenkompensation ein unverzichtbarer Teil jeder präzisen Thermoelementmessung.

Wie funktioniert die Temperaturmessung mit Thermoelementen?

In der Praxis befindet sich die Messstelle des Thermoelements an dem Punkt, dessen Temperatur erfasst werden soll. Das andere Ende des Thermoelements wird mit dem Messeingang verbunden. Dort entstehen Übergänge zu anderen Leitermaterialien, typischerweise zu Kupferleitungen und zur Eingangsstruktur des Messmoduls. Diese Anschlussstelle bildet die Referenzstelle, die in der Thermoelementtechnik häufig auch als Kaltstelle bezeichnet wird.

Der Messeingang erfasst die Thermospannung des Sensors und rechnet sie anhand der zum ausgewählten Thermotyp gehörenden Kennlinie in einen Temperaturwert um. Dabei ist zu beachten: Auch die Thermospannung eines Thermoelements verläuft nicht ideal linear zur Temperatur. Der Zusammenhang zwischen Spannung und Temperatur hängt vom jeweiligen Thermotyp ab und muss in der Auswertung entsprechend berücksichtigt werden.

Für präzise Messergebnisse reicht deshalb keine einfache lineare Umrechnung aus. Stattdessen erfolgt die Berechnung des Temperaturwerts über hinterlegte Kennlinien, Polynome oder Lookup-Tabellen. Zusätzlich muss die Temperatur der Referenzstelle berücksichtigt werden. Erst das Zusammenspiel aus Spannungsmessung, Kennlinienumrechnung und Kaltstellenkompensation liefert den korrekten Temperaturwert der Messstelle.

Warum wird eine Kaltstellenkompensation benötigt?

Eine Kaltstellenkompensation wird benötigt, weil das Thermoelement keine absolute Temperatur misst, sondern nur die Temperaturdifferenz zwischen Messstelle und Referenzstelle. In Normtabellen und Standardkennlinien wird die Thermospannung meist auf eine Referenzstelle von 0 °C bezogen. In realen Geräten liegt die Anschlussstelle des Thermoelements aber nicht in einem Eisbad bei 0 °C, sondern typischerweise irgendwo auf dem Modul oder im Schaltschrank bei einer anderen Temperatur. Diese Abweichung muss kompensiert werden.

Ohne Kaltstellenkompensation würde der Messeingang nur die vorhandene Temperaturdifferenz auswerten und damit einen falschen absoluten Temperaturwert liefern. Die Kaltstellenkompensation korrigiert diesen Effekt, indem die Temperatur an der Referenzstelle zusätzlich gemessen und in die Berechnung einbezogen wird. Praktisch ersetzt sie damit das historische Verfahren, die Referenzstelle konstant auf 0 °C zu halten.

Kaltstellenkompensation auf dem Messeingang

Bei MicroControl ist die Kaltstellenkompensation auf dem Modul beziehungsweise direkt auf dem Messeingang vorgesehen.

Messtechnik Lösungen von MicroControl

FAQ: Temperaturmessung mit Thermoelementen

Was ist das grundlegende physikalische Prinzip eines Thermoelements? 

Ein Thermoelement basiert auf dem Seebeck-Effekt. Zwei unterschiedliche metallische Leiter erzeugen bei einer Temperaturdifferenz eine elektrische Spannung. Diese Thermospannung wird gemessen und über die Kennlinie des gewählten Thermotyps in einen Temperaturwert umgerechnet.

Warum benötige ich eine Kaltstellenkompensation?

Warum ist die Kaltstellenkompensation auf dem Modul sinnvoll? 

Warum reicht bei Thermoelementen keine lineare Umrechnung der Spannung? 

Wie wird die Thermospannung in einen Temperaturwert umgerechnet? 

Die Umrechnung erfolgt entweder über Kennlinien, mathematische Approximationen oder Lookup-Tabellen. In den Geräten von MicroControl wird die Korrektur der Thermospannung softwareseitig über Lookup-Tabellen durchgeführt.

Warum ist die Auswahl des richtigen Thermotyps wichtig?