Grundlagen der Thermoelement-Technologie

Thermoelemente sind Temperatursensoren. Die Anwendungsbereiche von Thermoelementen sind aufgrund der geringen Kosten, der schnellen Erfassung von Temperaturunterschieden, weiten Temperaturbereichen, hohen Temperaturgrenzen und ihrer Verfügbarkeit in vielen unterschiedlichen Typen und Größen weit verbreitet.

Messprinzip und Aufbau

Die Temperaturmessung mit einem Thermoelement basiert auf dem Seebeck-Effekt, der in den 1820er Jahren von dem deutschen Physiker Thomas Johann Seebeck entdeckt wurde. Dieser Seebeck-Effekt, auch bezeichnet als thermoelektrischer Effekt, beschreibt eine Ladungsverschiebung in einem leitenden Material durch ein Temperaturgefälle entlang des Leiters. Die Größe der Ladungsverschiebung ist dabei abhängig von der Größe des Temperaturunterschieds und dem betrachteten Leitermaterial.

Bei Thermoelementen wird diese Ladungsverschiebung zur Erzeugung einer Spannung genutzt. Zwei unterschiedliche Leitermaterialien werden an einem Ende miteinander verbunden. Das ist die Messstelle, an der die Temperatur T_m ermittelt werden soll. An dem anderen Ende sind die Leiter nicht verbunden. Dieses offene Ende, an dem sich der Übergang auf die Messelektronik befindet, ist die Vergleichsstelle mit Vergleichstemperatur oder auch Kaltstelle mit Kaltstellentemperatur T_CJ. Zwischen der Vergleichsstelle und der Messstelle liegt eine Temperaturdifferenz ΔT (T_thermo) vor, die über die Spannung zwischen den Leitern am offenen Ende gemessen werden kann (Thermospannung U_th). Die Spannung ist abhängig von den verwendeten Leitermaterialien und der Temperaturdifferenz, sie liegt im Bereich einiger mV.

Würde für ein Thermoelement nur ein Material genutzt werden, wäre die Ladungsverschiebung in beiden Leitern identisch, sodass keine Potentialdifferenz zwischen den beiden Leitern am offenen Ende messbar wäre.

Bei der Temperaturmessung mit Thermoelementen handelt es sich also eigentlich um eine Spannungsmessung, mit der dann aus der bekannten Kennlinie eine Temperatur ermittelt werden kann. Außerdem ist das Messverfahren nicht absolut, sondern differentiell, da keine absolute Temperatur mit dem Bezugspunkt 0 °C ermittelt wird, sondern die Temperaturdifferenz zwischen der Mess- und der Vergleichsstelle.

Zur Auswertung von Thermoelementen wird eine Messelektronik benötigt, die kleine Spannungen im mV-Bereich mit einer ausreichend hohen Auflösung und Genauigkeit auswerten kann. Thermoelemente sind aktive Sensoren, was bedeutet, dass zur Messung der Temperatur keine Versorgung der Sensorik nötig ist, da die Spannung vom Thermoelement selber erzeugt wird.

Arten von Thermoelementen

Es gibt verschiedene Arten von Thermoelementen, die aus unterschiedlichen Kombinationen von Leitermaterialien bestehen. Jede Material-Kombination hat spezielle Eigenschaften und eignet sich für bestimmte Anwendungsbereiche. Die verschiedenen Arten bzw. Thermoelement-Typen werden mit Buchstaben benannt.

Aufgrund der unterschiedlichen Materialpaarung haben die verschiedenen Thermoelement-Typen unterschiedliche Kennwerte. Sie unterscheiden sich in der Temperaturgrenzen und der Spannungs-Temperatur-Kennlinie. Um die Thermoelement-Typen unterscheiden zu können, sind die Farbcodierungen für den Mantel, den Pluspol und den Minuspol in verschiedenen Normen festgelegt.

Die folgende Tabelle zeigt gängige Thermoelement-Typen mit Angaben zu den verwendeten Materialien, den definierten Temperaturbereichen und der Farbcodierung.

¹) Der angegebene Messbereich bezieht sich auf den maximal möglichen Messbereich des angegebenen Thermoelement-Typs. Der technisch sinnvoll nutzbare Messbereich mit den Thermoelement-Messgeräten kann eingeschränkt sein. Die Angabe zum möglichen Messbereich der Thermoelement-Messgeräte sind den technischen Daten in der Dokumentation zu entnehmen.

²) nicht genormt nach EN60584-1

³) nach DIN 43710

Ausgewählt werden muss das Thermoelement nach den Einsatzbedingungen. Dabei muss also nicht nur auf die Unsicherheit geachtet werden, sondern auch auf die anderen Eigenschaften der verschiedenen Thermoelement-Typen. Bei einer Anwendung mit geringen Temperaturschwankungen ist es von Vorteil, einen Thermoelement-Typ mit einer hohen Thermospannung pro Temperaturänderung zu wählen. In einem Anwendungsfall, wo die zu messende Temperatur sehr hoch ist, ist es wichtig, die maximale Einsatztemperatur zu beachten.

Kennlinien von Thermoelementen

Zur Ermittlung der Temperaturdifferenz ΔT zu einer gemessenen Thermospannung gibt es typenspezifische Referenztabellen. Eine einfache Umrechnung der Spannung in eine Temperatur mit einem Temperaturkoeffizienten, wie bei Widerstandsthermometern oft näherungsweise üblich, ist nicht möglich, da das Verhältnis von Spannung und Temperatur deutlich nichtlinear über den gesamten Messbereich ist. Durch den sich ändernden Temperaturkoeffizienten ergibt sich eine nichtlineare Spannungs-Temperatur-Kennlinie. Diese Kennlinie ist wiederum abhängig vom Thermoelement-Typ, sodass sich für jeden Typ eine eigene, nichtlineare Spannungs-Temperatur-Kennlinie ergibt. Beispielhaft sind die Kennlinien für typische Thermoelement-Typen in der folgenden Abbildung „Spannungs-Temperatur-Kennlinien..“ dargestellt. Die beschriebene Nichtlinearität ist vor allem im Temperaturbereich unter 0 °C deutlich zu erkennen.

Thermoelemente unterliegen im Anwendungsbetrieb unumgänglichen und irreversiblen Veränderungen, wodurch es mit der Zeit zu immer größer werdenden Messunsicherheiten kommt. Oder ganz deutlich: Die Messung wird mit der Zeit immer falscher. Diese Änderungen werden auch als Alterung bezeichnet und sind abhängig von verschiedenen Einflussfaktoren. Beispiele für diese Einflüsse sind mechanische und chemische Beanspruchungen der Thermoelemente. Bei mechanischen Beanspruchungen handelt es sich um Verformungen der Leiter, wodurch die Kristallstruktur der Metalle verändert wird. Dies führt zu fehlerhaften Thermospannungen. Bei chemischen Beanspruchungen handelt es sich ebenfalls um Veränderungen in der Kristallstruktur der Metalle oder Oxidation, wodurch sich die thermischen Eigenschaften der Leiter verändern, sodass es zu einer Kennlinienveränderung kommt. Dieser Einfluss kann durch den Einbau in gasdichten Schutzrohren gemindert werden.

Steckbare Verbindungen

Zum Anschluss von Thermoelementen an Messgeräte und Auswertelektronik oder zur Verbindung eines Thermoelements mit Thermo- oder Ausgleichsleitungen kann mit offenen Drahtenden oder geeigneten Thermoelement-Steckverbindern gearbeitet werden.

Idealerweise sind die Kontakte eines solchen Thermoelement-Steckverbinders aus dem Material des jeweiligen Thermoelements ausgeführt. Dadurch ergibt sich ein nahezu thermospannungsfreier Übergang an den Verbindungsstellen. Die Stecker haben i.d.R. festgelegte (und nach IEC oder ANSI genormte) Gehäusefarben je nach Typ, z.B. Typ K grün. Durch eine Kennzeichnung auf dem Gehäuse und die unterschiedliche Form der Kontakte ist eine Verwechselung der Polarität schwer möglich.

Eine Besonderheit ist der weiße Steckverbinder, der mit normalen Kupferkontakten ausgeführt ist, quasi wie ein einfacher Nicht-Thermoelement-Stecker. Dadurch ist er für alle Thermoelement-Typen universell einsetzbar, wenn auch mit dem Nachteil, dass er dann genau keinen thermospannungsfreien Übergang schafft. Weitaus häufiger als der weiße Stecker ist die weiße Buchse „universal“ am Messgerät. Dadurch können alle Thermoelement-Stecker in das Gerät gesteckt werden. Im Messgerät muss dann die Kaltstellentemperatur (siehe Abschnitt „Messprinzip und Aufbau“) an diesem Steckerübergang ermittelt werden.

Verlängerungen und Anschluss von Thermoelementen

In einigen Fällen ist es sinnvoll, das Thermoelement zu verlängern und die Vergleichsstelle so an einen ausgewählten Ort zu verlegen, da dort beispielsweise die Temperatur konstant gehalten oder mit einfachen Mitteln gemessen werden kann. Dazu muss das Thermoelement verlängert werden. Dies kann mit einer Thermo- oder Ausgleichsleitung geschehen. Thermoleitungen sind aus demselben Material gefertigt wie das Thermoelement selbst. Ausgleichsleitungen hingegen sind meistens aus günstigeren Werkstoffen mit den Gleichen thermoelektrischen Eigenschaften hergestellt. Beide Arten sind somit für die Verlängerung eines Thermoelements zu einer entfernten Kaltstelle geeignet. Die Drähte für Thermo- und Ausgleichsleitungen sind in der DIN 43713 genormt.

Bei Ausgleichsleitungen muss darauf geachtet werden, dass das verwendete Material nur ähnliche thermoelektrischen Eigenschaften besitzt und nicht zwangsläufig die Gleichen. Die thermischen Eigenschaften gelten nur in einem eng eingeschränkten Temperaturbereich. Am Übergang vom Thermoelement auf die Ausgleichsleitung ergibt sich dann ein weiteres Thermoelement. Daher ergeben sich kleine fehlerhafte Thermospannungen, die das Messergebnis beeinflussen. Werden die Ausgleichsleitungen außerhalb des spezifizierten Temperaturbereichs verwendet, wird die Genauigkeit der Temperaturmessung weiter beeinflusst und so das Messergebnis verschlechtert.

Sensorstrecke Eine Veränderung des Sensorkreises durch zusätzliche Elemente wie z. B. Umschalter oder Multiplexer kann die Messgenauigkeit beeinträchtigen. In solchen Schaltern können lokal kleine Thermospannungen entstehen, die die Messung (z.T. stark nichtlinear) verfälschen. Falls dennoch applikativ nötig, sollte der Einfluss solcher Komponenten genau beleuchtet werden.

Kaltstellenkompensation / Cold Junction Compensation / CJC

Bestimmung der absoluten Temperatur

Bei der Temperaturmessung mit einem Thermoelement handelt es sich um eine differentielle Temperaturmessung, bei der der Temperaturunterschied zwischen der Messstelle und der Vergleichsstelle, bzw. der Kaltstelle („Cold Junction“), ermittelt wird. Um die absolute Temperatur an der Messstelle zu ermitteln, muss die gemessene Thermospannung daher um die Thermospannung an der Kaltstelle korrigiert werden. Mit der korrigierten Thermospannung kann dann die Absoluttemperatur an der Messstelle aus geeigneten Tabellen oder Kennlinien ermittelt werden. Aufgrund der Nichtlinearität der Kennlinie ist es zwingend notwendig, dass diese Verrechnung mit den Spannungen und nicht mit der Temperatur durchgeführt wird. Andernfalls würde sich ein wesentlicher Fehler in der Messung ergeben.

Herausforderungen bei der Messung der Temperatur mit Thermoelementen - Linearisierung - Kaltstellenkompensation

Allgemein wird die absolute Temperatur über folgende Beziehung berechnet:

U_{measuring point} = U_thermo + U_{cold junction}

T_{measuring point} = f(U_{measuring point})

Nachfolgend wird die Bestimmung der absoluten Temperatur beispielhaft mit der Korrektur der Thermospannungen und mit der Korrektur der Temperatur durchgeführt. Anhand der Beispielrechnung kann der bei falscher Berechnung entstehende Fehler gezeigt werden.

Gesucht: T_{measuring point}

Bekannt: Thermoelement-Typ K, U_thermo = 24,255 mV, T_{cold junction} = 22 °C

1. Möglichkeit: Berechnung der Thermospannungen – RICHTIG

Die Thermospannung an der Kaltstelle U_{cold junction} muss aus anhand der bekannten Temperatur T_{cold junction} aus der Spannungs-Temperatur-Kennlinie oder –Tabelle für den Thermoelement-Typ K bestimmt werden:

U_{cold junction} = U(22 °C) = 0,879 mV.

Anschließend kann die Thermospannung der Messstelle bezogen auf 0 °C ermittelt werden:

U_{measuring point} = U_thermo + U_{cold junction} = 24,255 mV + 0,879 mV = 25,134 mV.

Aus der ermittelten Thermospannung kann dann aus der Spannungs-Temperatur-Kennlinie oder ̶Tabelle für den Thermoelement-Typ K der zugehörige Temperaturwert ermittelt werden:

T_{measuring point} = T(25,134 mV) ≈ 605,5 °C.

2. Möglichkeit: Berechnung der Temperatur – FALSCH

Die Temperaturdifferenz zwischen der Kaltstelle und der Messstelle T_thermo könnte anhand der bekannten Thermospannung U_thermo aus der Spannungs-Temperatur-Kennlinie oder ‑Tabelle für den Thermoelement-Typ K bestimmt werden:

T_thermo = T(24,255 mV) = 585 °C.

Anschließend könnte die Temperatur der Messstelle bezogen auf 0 °C ermittelt werden:

T_{measuring point} = T_thermo + T_{cold junction} = 585 °C + 22 °C = 607 °C.

Es ist zu erkennen, dass zwischen dem Wert mit der richtigen Berechnung (Spannungsumrechnung, 1. Möglichkeit) und dem Wert mit der falschen Berechnung (Temperaturumrechnung, 2. Möglichkeit) eine Temperaturdifferenz von 1,5 °C liegt, eine Messabweichung von über 2400 ppm!

Auswertung von Thermoelementen mit Thermoelement-Messgeräten

Beckhoff Thermoelement-Messgeräte können Thermoelemente der verschiedenen Typen auswerten. Die Linearisierung der Kennlinien und die Ermittlung der Vergleichstemperatur erfolgt direkt im Messgerät. Über den Buskoppler bzw. die Steuerung ist das Messgerät vollständig konfigurierbar. Dabei kann zwischen verschiedenen Ausgabeformaten gewählt und auch eigene Skalierungen aktiviert werden. Zusätzlich sind die Linearisierung der Kennlinie und die Ermittlung und Verrechnung der Vergleichstemperatur (Temperatur an den Anschlusskontakten des Messgeräts) abschaltbar, das Messgerät kann so als mV-Messgerät oder auch mit externer Vergleichsstelle verwendet werden. Damit kann neben der internen Auswertung der gemessenen Spannung zur Umrechnung in eine Temperatur auch der reine Spannungswert von dem Messgerät an die Steuerung übergeben und dort weiterverarbeitet werden.

Die Temperaturmessung mit Thermoelementen umfasst generell drei Schritte:

• Messung der elektrischen Spannung,
• optional: Temperaturmessung der Kaltstelle bzw. Vergleichsstelle,
• optional: Konvertierung (Umrechnung) der Spannung per Software in einen Temperaturwert nach eingestelltem Thermoelement -Typ (K, J, …).

Alle drei Schritte können lokal im Beckhoff Messgerät stattfinden. Die Transformation im Messgerät kann auch deaktiviert werden, wenn sie übergeordnet in der Steuerung gerechnet werden soll. Je nach Messgeräte-Typ können mehrere Thermoelement -Konvertierungen implementiert sein, die sich dann nur in Software unterscheiden.

Unsicherheiten bei der Auswertung von Thermoelementen mit Thermoelement-Messgeräten

Die Thermoelement -Messung umfasst eine Verkettung von Mess- und Rechenelementen, die auf die erzielbare Messabweichung einwirken:

Bei der Messung einer Temperatur gibt es verschiedene Einflussfaktoren auf die Genauigkeit, aus denen sich dann die Gesamtungenauigkeit (Gesamtunsicherheit) ergibt.

Unsicherheit der Spannungsmessung

In erster Linie ist die Messung einer Temperatur mit Thermoelementen keine wirkliche Temperaturmessung, sondern eine Spannungsmessung mit anschließender Umrechnung in eine Temperatur. Die Genauigkeit der Spannungsmessung ist also Grundlage für die Genauigkeit der Temperaturbestimmung. Da eine Änderung von 1 °C am Sensor je nach Thermoelement-Typ eine Änderung im einstelligen µV Bereich bewirkt, hat schon eine geringe Unsicherheit der Spannungsmessung einen großen Einfluss auf das Endergebnis.

Unsicherheit der Temperaturumrechnung

Die Umrechnung der gemessenen Spannung in eine Temperatur erfolgt bei der Auswertung entweder über Wertetabellen aus der Spannungs-Temperatur-Kennlinie eines Thermoelement-Typs oder über die Näherung durch ein Polynom. Aufgrund der Nichtlinearität der Spannungs-Temperatur-Kennlinie sind beide Möglichkeiten nur Näherungen an den realen Verlauf, sodass sich durch die Umrechnung eine weitere (kleine) Unsicherheitskomponente aus der Transformation ergibt.

Unsicherheit der Kaltstellenerfassung

Die Kaltstellenkompensation in Thermoelement-Messgeräten muss am Übergang vom Thermoelement auf die Kupferkontakte der Elektronik erfolgen. Dabei ist häufig das Problem, dass die Temperatur an diesem Punkt aus mechanischen Gründen nicht direkt erfassbar ist. Die Temperatur der Kaltstelle muss häufig mit einigen Millimetern Abstand oder durch einen Mittelwert der Temperaturen im Gehäuse angenähert werden. Da der genaue Wert aber häufig nicht bestimmt werden kann, ergibt sich auch daraus eine Unsicherheit.

Unsicherheit des Sensors

Die drei beschriebenen Einflussfaktoren auf die Unsicherheit beschreiben nur die Unsicherheiten in der Auswertung der Thermoelemente. Die Genauigkeit des Thermoelements selbst kommt noch dazu und muss einzeln betrachtet werden.

Da es sich bei der Temperaturmessung mit Thermoelementen eigentlich um eine Spannungsmessung handelt und die Thermoelemente eine nichtlineare Spannungs-Temperatur-Kennlinie haben ist es nicht möglich, die einzelnen Temperaturunsicherheiten einfach zu addieren, um die Gesamtunsicherheit zu erhalten. Zur Berechnung der Gesamtunsicherheit müssen alle Temperaturwerte in den zugehörigen Spannungswert des Thermoelement-Typs umgerechnet werden. Bei einer Addition der Temperaturen ergibt sich ein Fehler, wie in dem Beispiel im Kapitel „Bestimmung der absoluten Temperatur“ beschrieben.

Eine Beispielhafte Auswertung der Unsicherheiten der Auswertung eines Thermoelements für eine Thermoelementklemme EL331x mit interner Kaltstellenkompensation und Umrechnung der Spannung in eine Temperatur über ein Polynom zweiten Grades ist in der folgenden Abbildung dargestellt. In der Abbildung wird nicht die Unsicherheit des Thermoelements selber betrachtet, diese kommt noch dazu!

Es ist anhand der Abbildung deutlich zu erkennen, dass die Unsicherheit der gemessenen Temperatur abhängig von der zu messenden Temperatur sind. Vor allem im unteren Temperaturbereich, dort wo eine starke Nichtlinearität von Spannung und Temperatur besteht, steigt die Unsicherheit der Temperaturmessung deutlich an.

Beckhoff bietet einige Produkte zur Auswertung von Thermoelementen an, u.a.

• EL331x-0000: EtherCAT-Klemme, 1/2/4/8-Kanal-Analog-Eingang, Temperatur, Thermoelement, 16 Bit
• EL3314-0002: EtherCAT-Klemme, 4-Kanal-Analog-Eingang, Temperatur, Thermoelement, 24 Bit, galvanisch getrennt
• EL3314-0010: EtherCAT-Klemme, 4-Kanal-Analog-Eingang, Temperatur, Thermoelement, 24 Bit, hochpräzise
• EL3314-0030: EtherCAT-Klemme, 4-Kanal-Analog-Eingang, Temperatur, Thermoelement, 24 Bit, hochpräzise, extern kalibriert
• EL3314-0090: EtherCAT-Klemme, 4-Kanal-Analog-Eingang, Temperatur, Thermoelement, 16 Bit, TwinSAFE SC
• ELM370x-xxxx: EtherCAT-Klemme, 2/4-Kanal-Analog-Eingang, Multifunktion, 24 Bit, 10 kSps
• ELM334x-xxxx: EtherCAT Messtechnikserie, Thermoelementeingang, Mini-Thermoelement-Stecker
• EP3314-0002: EtherCAT Box, 4-Kanal-Analog-Eingang, Temperatur, Thermoelement, 16 Bit, M12
• EPP3314-0002: EtherCAT P-Box, 4-Kanal-Analog-Eingang, Temperatur, Thermoelement, 16 Bit, M12
• KL331x: Busklemme, 1/2/4-Kanal-Analog-Eingang, Temperatur, Thermoelement, 16 Bit
• EJ3318: EtherCAT-Steckmodul, 8-Kanal-Analog-Eingang, Temperatur, Thermoelement, 16 Bit

Die aktuelle Übersicht ist zu finden auf www.beckhoff.de