Thermoelement-Kaltstellenkompensation (Vergleichsstelle)

In diesem Blogbeitrag werfen wir einen kurzen Blick auf Thermoelemente, besonders jedoch auf die Kaltstelle und die verschiedenen Kompensationsmethoden.

Während der langjährigen Kalibrierungen von Prozessgeräten ist es oft überraschend festzustellen, dass sogar Personen, die überwiegend mit Thermoelementen arbeiten, nicht immer nachvollziehen können, wie Thermoelemente - vor allem die Kaltstellenkompensation (Vergleichsstelle) - funktionieren und daher Fehler bei der Messung und Kalibrierungen auftreten.

Bevor wir über Kaltstellen sprechen können, müssen wir uns zunächst einen kurzen Überblick über die Thermoelement-Theorie verschaffen und wie so ein Thermoelement funktioniert.

Wir werden nicht allzu sehr in die theoretische Wissenschaft vordringen, sondern möchten uns mehr mit praktischen Anwendungen befassen, mit den Dingen, die Sie wissen sollten, wenn Sie in einer üblichen Prozessanlage mit Thermoelement-Messungen und Kalibrierungen arbeiten.

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Terminologie: Kalstelle oder Vergleichsstelle

Die Thermoelement - „Kaltstelle” wird oft als „Vergleichsstelle” bezeichnet, jedoch habe ich den Eindruck, dass „Kaltstelle” öfter verwendet wird, daher werden wir diesen Begriff im vorliegenden Text gebrauchen.

Thermoelemente

Thermoelemente sind allgemein übliche Temperatursensoren in Prozessanlagen. Sie haben einige Vorteile, weshalb sie weitgehend verwendet werden. Thermoelemente können für die Messung von äußerst hohen Temperaturen eingesetzt werden, weit über die Messungen mit Widerstandstemperaturfühler (RTD) hinaus. Thermoelemente sind zudem besonders robuste Sensoren und bleiben daher lange erhalten. Obwohl Thermoelemente nicht so genau sind wie RTD-Sensoren, sind sie für viele Anwendungen präzise genug. Es handelt sich zudem um relativ preiswerte Sensoren; weiterhin verlangt der Thermoelement-Messkreis keinen Erregerstrom wie es bei einem RTD-Messkreis der Fall ist, wodurch sich der Messkreis unter diesem Aspekt einfacher verhält. Es gibt viele verschiedene und für unterschiedliche Anwendungen optimierte Arten von Thermoelementen.

Ein Thermoelement-Sensor ist auf den ersten Blick einfach im Gebrauch – lediglich zwei Kabel – was sollte da
schiefgehen? Berücksichtigt man jedoch die Kaltstelle und alle Verbindungsstellen innerhalb des Messkreises, ist es jedoch nicht so einfach, wie es scheint.

Beginnen wir damit, uns an das Thema Kaltstelle heranzuarbeiten; vorher jedoch ein paar Worte zur Thermoelement-Theorie, um das Thema Kaltstelle besser verstehen zu können.

Wie funktionert ein Thermoelement?

Betrachten wir einmal, wie so ein Thermoelement funktioniert. Ein Thermoelement besteht aus zwei Kabeln mit unterschiedlichen elektrischen Leitern, die an einem Ende miteinander verbunden sind (das sogenannte „heiße“ Ende), mit dem die Temperaturmessung erfolgt.

Thomas Johann Seebeck entdeckte 1821, dass im Fall einer unterschiedlichen Temperatur der Kontaktstellen dieser Kabel ein thermoelektrisches Feld entsteht, wodurch am offenen Ende eine kleine Spannung zwischen den Kabeln erzeugt wird. Die Spannung hängt von der Temperatur und von den verwendeten Materialien für die Leiterkabel ab. Dieser Effekt wurde als Seebeck-Effekt bezeichnet.

Vereinfachte Darstellung eines Thermoelements:

Abbildung oben: „Material des Thermoelements 1 und 2” stellt die beiden Materialien dar, aus denen die Thermoelemente bestehen. „T1” ist das heiße Ende des Thermoelements, d.h. die Stelle für die Temperaturmessung. Die beiden „Tcj” sind die Temperaturen der Kaltstelle.

Die obenstehende Erläuterung wurde etwas vereinfacht, da die Generierung der Thermospannung durch die Temperaturunterschiede im Thermoelementkabel die Punkte zwischen den „heißen“ und „kalten“ Lötstellen erreicht. Das heißt, es sind nicht die Lötstellenpunkte, die die Spannung generieren, sondern der Temperaturunterschied am Kabel. Dies ist einfacher zu verstehen, wenn man bedenkt, dass die Thermospannung an den Lötstellen entsteht, den heißen und kalten. Bleiben wir hier bei den praktischen Fakten. Wir werden eventuell in einem späteren Beitrag eine umfangreichere Thermoelement-Theorie thematisieren.

Arten und Materialien von Thermoelementen

Es gibt viele verschiedene Arten von Thermoelementen aus unterschiedlichen Materialien und Metalllegierungen.
Unterschiedlichen Materialien bewirken unterschiedliche Empfindlichkeit, unterschiedliche Thermospannungswerte, die bei gleicher Temperatur entstehen und andere Eigenschaften beeinflussen, wie zum Beispiel die Höchsttemperatur.

Die verschiedenen Arten von Thermoelementen wurden standardisiert und den verwendeten Materialien wurden Bezeichnungen gegeben. Diese sind normalerweise stark abgekürzt und bestehen oft nur aus einem Buchstaben, wie z.B. K, R, S, J, K, usw. Ein paar der bekanntesten Thermoelemente und entsprechende Materialien sind in der untenstehenden Tabelle aufgelistet:

Kabelfarben

Von Vorteil ist die farbliche Kennzeichnung der Thermoelementkabel zur einfacheren Erkennung. Von Nachteil ist, dass es sehr viele unterschiedliche Standards für die Farbcodes gibt und diese sich daher voneinander unterscheiden können.

Die Hauptstandards sind IEC60584-3 (International) und ANSI (USA), es gibt jedoch noch mehrere andere wie japanische, französische, britische, niederländische, deutsche Standards, usw. Es gestaltet sich von daher etwas schwierig, den Typ an der Farbe zu erkennen.

Thermospannung der Thermoelemente

Da die verschiedenen Thermoelemente aus unterschiedlichen Materialien hergestellt werden, ist die Thermospannung ebenfalls unterschiedlich, wie in der untenstehenden Abbildung dargestellt. Es besteht ein großer Unterschied zwischen den verschiedenen Typen in Bezug auf die bei gleicher Temperatur erzeugte Spannung.

Soll eine niedrigere Temperatur gemessen werden, ist es selbstverständlich besser, empfindlichere Typen einzusetzen, da sie eine höhere Spannung freisetzen, die einfacher zu messen ist. Sollen hingegen hohe Temperaturen ermittelt werden, sollte einer der weniger empfindlichen Typen gewählt werden, die sich für solch hohe Temperaturen eignen.

Der Seebeck-Koeffizient sagt aus, wie stark sich die Spannung des Thermoelements in Bezug zu einer Temperaturdifferenz verändert. Mehr dazu später.

Die oben genannte Abbildung mit den unterschiedlichen Empfindlichkeiten zwischen den verschiedenen Thermoelementen erklärt ebenfalls, warum ein Thermoelement-Kalibrator für unterschiedliche Thermoelement-Typen unterschiedliche Genauigkeitsangaben hat. Bei einer Messvorrichtung oder einem Kalibrator wird die Genauigkeit der Spannungsmessung normalerweise in Spannung ausgedrückt. Es kann zum Beispiel eine Genauigkeit von 4 Mikrovolt gegeben sein. Diese 4-Mikrovolt-Genauigkeit gleicht aufgrund der unterschiedlichen Thermoelement-Empfindlichkeiten je nach Thermoelement-Typ eine unterschiedliche Temperaturgenauigkeit an.

Beispiel für ein Messgerät (Kalibrator)

Kalibriergenauigkeit

Standards

Es gibt ebenfalls einige Standards (zum Beispiel AMS2750E), die die gleiche Genauigkeit für alle Thermoelement-Typen verlangen, was in der Praxis aufgrund dieser enormen Empfindlichkeitsdifferenz bei den einzelnen Typen nicht sehr sinnvoll ist.

Seebeck-Koeffizient

Wir haben bereits vorher den Seebeck-Koeffizienten erwähnt. Das ist die Empfindlichkeit des Thermoelements,
d.h. sie erklärt, wieviel Spannung bei jeweiligen Temperaturänderungen erzeugt wird. Die untenstehende Abbildung zeigt Seebeck-Koeffizienten für verschiedene Thermoelemente:

Kaltstelle

Wir haben bereits vorhergehend die Abbildung eines vereinfachten Thermoelement-Prinzips gezeigt, in der wir die Entstehung der Thermospannung am „heißen“ Anschlussende visualisiert haben, wo also die beiden verschiedenen Leiter miteinander verbunden werden. Die Frage, die Sie sich nun hierbei sicherlich stellen, ist:

Aber was ist mit dem anderen Ende der Kabel?

Eine wirklich gute Frage! Gut, dass Sie dies ansprechen... ;-)

Wenn Sie die Spannung des Thermoelements messen möchten, könnten Sie die Thermoelementkabel an ein Universalmessgerät anschließen; ist doch ganz einfach, oder? Nicht wirklich!

Das Material des Anschlusses bei Universalmessgeräten besteht in der Regel aus Kupfer oder ist vergoldet, also ein anderes Material als das des Thermoelements. Dies bedeutet, Sie kreieren beim Anschließen an das Universalmessgerät zwei neue Thermoelemente!

Verdeutlichen wir dies anhand einer Abbildung: 

In der Abbildung oben sind Material 1 und Material 2 zwei Thermoelementmaterialien, aus denen das Thermoelement besteht. Das „heiße Ende” ist die Stelle, an welcher die Materialien miteinander verschweißt sind und die Stelle, die die Prozesstemperatur misst, wo die Spannung U1 erzeugt wird. Wir wollen nun U1 messen. An den „Kaltstellen“ ist das Thermoelement mit dem Spannungsmesser verbunden, der Anschlüsse aus anderem Material beinhaltet; Material 3. In diesen Anschlüssen werden die Thermospannungen U2 und U3 erzeugt. Es sind diese Spannungen, U2 und U3, die wir nicht messen, sondern beseitigen oder kompensieren wollen.

Wie wir der obenstehenden Abbildung entnehmen können, wird an dieser Stelle die Spannung von drei (3) in Reihe geschalteten Thermoelementen gemessen. Sie möchten natürlich nur die Spannung/Temperatur der „heißen“ Stelle und nicht die der beiden anderen Stellen messen.

Also, was können Sie tun?

Sie müssen irgendwie die an den Kaltstellen geschaffenen Thermoelemente eliminieren oder kompensieren. Es gibt verschiedene Wege, dies zu tun. Sehen wir uns diese nun an.

Methoden für die Kaltstellenkompensation

1. Kaltstelle im Eisbad

Aufgrund ihrer Beschaffenheit erzeugt eine Thermoelement-Lötstelle keinerlei Thermospannung bei einer Temperatur von 0 °C (32 °F).

Also kann die Kaltstelle bei dieser Temperatur erstellt werden, zum Beispiel in einem Eisbad oder durch einen sorgfältigen Temperaturblock. Sie können die Thermoelementkabel an Kupferkabel im Eisbad anschließen. Bei diesem Anschluss wird keine Thermospannung erzeugt, weshalb Sie sich in diesem Fall nicht weiter um die Kaltstelle sorgen müssen.

Die Anschlüsse müssen im Eisbad elektrisch vom Wasser isoliert werden, um jeglichen fehlergenerierenden Leckstrom oder mögliche Korrosionsbildung zu vermeiden. Dies ist eine sehr akkurate und praxisübliche Vorgehensweise in Kalibrierlabors. Es ist jedoch nicht sehr gebräuchlich auf Prozessanlagenebene; weshalb normalerweise davon in Prozessanlagen kein Gebrauch gemacht wird.

Beispiel:

Das Thermoelement vom Typ N wird angeschlossen, wie in der Abbildung gezeigt wird. Der Spannungsmesser zeigt 20.808 μV an. Welche Temperatur wird gemessen?

E = EN(tU1) – EN(tr)

Wobei:

• E = gemessene Spannung = 20.808 µV
• EN(tU1) = erzeugte Spannung an der Heißstelle
• EN(tr) = erzeugte Spannung an der Kaltstelle (Vergleichsstelle)
  = 0 µV (IEC 60584 typ N, 0 °C)
• EN(tU1) = E + EN(tr) = 20.808 µV + 0 µV = 20.808 µV
  = 605 °C (IEC 60584 typ N, 20808 µV)
  
  Die Temperatur beträgt folglich 605 °C.

2. Kaltstelle mit bekannter, konstanter Temperature

Da das Eisbad als weniger praktisch erachtet wird, können Sie den Kaltstellenanschluss auch mit einer anderen bekannten, konstanten Temperatur herstellen. Mit einem kleinen Anschlusskasten, der über eine Temperaturkontrolle verfügt, können Sie den Kasten immer auf einer bestimmten Temperatur halten. Normalerweise ist die Temperatur höher als die Umgebungstemperatur, daher benötigt der Kasten eine Aufheizung und keine Kühlung.

Wenn Ihnen die Temperatur Ihrer Kaltstelle bekannt ist und Sie ebenfalls den Thermoelement-Typen kennen, können Sie die Thermospannung der Kaltstelle berechnen und kompensieren. Zahlreiche Messgeräte oder Temperaturkalibratoren verfügen über eine Funktion für die Eingabe der Kaltstellentemperatur, erstellen die Berechnungen für Sie und nehmen die Kompensation vor.

Beispiel:

Das Thermoelement vom Typ N wird angeschlossen, wie in der Abbildung gezeigt wird. Der Spannungsmesser zeigt 19.880 µV an. Die Temperatur der Kaltstelle (Vergleichsstelle) beträgt 35 °C. Welche Temperatur wird gemessen?

E = EN(tU1) – EN(tr)

Wobei:

• E = gemessene Spannung = 19.880 μV
• EN(tU1) = erzeugte Spannung durch das heiße Ende
• EN(tr) = erzeugte Spannung an der Vergleichsstelle
  (oder Kaltstelle)
  = 928 µV (IEC 60584 typ N, 35 °C)
• EN(tU1) = E + EN(tr) = 19880 µV + 928 µV = 20.808 µV
  = 605 °C (IEC 60584 typ N, 20808 µV)
  
  Die gemessene Temperatur beträgt folglich 605 °C.

Bitte beachten Sie, dass die Berechnungen von Thermoelementen immer unter Spannung erfolgen müssen. Ein allgemein üblicher Fehler ist die Suche nach einem Tabellenwert für die gemessene Spannung und Hinzufügung der Kaltstellentemperatur. In diesem Fall beträgt die entsprechende Temperatur für die gemessenen 19.880 μV in Übereinstimmung mit dem Standard IEC 60584 581,2 °C. Die Berechnung unter Verwendung von Temperaturwerten würde 581,2 °C + 35 °C = 616,2 °C ergeben. Der Fehler beläuft sich auf + 11,2 °C.

3. Messen der Kaltstellentemperatur

Falls Sie die Kaltstellentemperatur nicht dem vorhergehenden Beispiel entsprechend anpassen, können Sie die Temperatur der Kaltstelle auch mit einer Temperatursonde messen. Sie können den Kaltstelleneffekt dann kompensieren; allerdings ist sich die Vorgehensweise der Kompensierung etwas schwieriger, da Sie die Kaltstellentemperatur durchgehend messen und Berechnungen vornehmen müssen - gesetzt den Fall, Sie kennen den Thermoelement-Typen - um die Auswirkung der Kaltstelle in Erfahrung zu bringen.

Erfreulicherweise sehen viele Temperaturkalibratoren eine Funktion für den Gebrauch einer Temperatursonde für die Messung der Kaltstellentemperatur vor; diese Geräte führen dann automatisch die Kompensierungen und Berechnungen aus.

4. Automatische Online-Kompensation im Messgerät

Wir erwähnten die Schwierigkeit beim vorhergehenden Beispiel, da eine durchgehende Berechnung der Kompensation erforderlich ist, und dass Sie dies wiederum dem Messgerät und seiner automatischen Ausführungsfunktion überlassen können. Das Messgerät (sei es ein Transmitter, DC-Eingangskarte oder ein Temperaturkalibrator) kann die Temperatur der Kaltstelle durchgehend messen und automatisch eine Online-Kompensation des Kaltstellenfehlers durchführen.

Da das Messgerät ebenfalls den Thermoelement- Typen kennt (den Sie über das Menü wählen), kann es die Kompensation automatisch und kontinuierlich durchführen. Das ist selbstverständlich der einfachste und praktischste Weg, die Kaltstelle bei normalen Messungen und Kalibrierungen zu kompensieren, da Sie sich nicht um die Kaltstelle kümmern müssen und dies der Ausrüstung überlassen können. Sie stecken das Thermoelementkabel einfach in das Gerät.

Die Temperaturkalibratoren von Beamex unterstützen ebenfalls diese Art von automatischer Kompensation.

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Zugehörige Beamex-Produkte

Einige Temperaturkalibratoren unterstützen alle oben genannten Methoden für die Kaltstellenkompensation. Schauen sie sich dazu zum Beispiel den Temperaturkalibrator MC6-T von Beamex an. MC6 verfügt über eine automatische Kompensation der internen Vergleichsstelle. Er bietet außerdem einen vielseitigen Steckanschluss für den Anschluss unterschiedlicher Thermoelementstecker oder blanker Thermoelementkabel.

Klicken Sie auf das Bild unten, um mehr über den Beamex MC6-T zu erfahren:

Schauen Sie sich alternativ auch den Beamex MC6 Kalibrator an.