So funktioniert der Thermoelement-Rechner
Ein Thermoelement erzeugt eine Spannung, die vom Temperaturunterschied zwischen seiner Messstelle (heiße Lötstelle) und dem Punkt abhängt, an dem seine Drähte auf Kupfer treffen: der Vergleichsstelle (kalte Lötstelle). Der Zusammenhang zwischen Spannung und Temperatur ist für jeden genormten Typ durch die Referenzfunktionen nach NIST ITS-90 festgelegt, veröffentlicht in NIST Monograph 175 und übernommen in IEC 60584-1. Es sind Polynome der Temperatur, beim Typ K oberhalb von 0 °C mit einem zusätzlichen Exponentialterm.
Der Rechner wertet diese Referenzfunktionen direkt aus. Für die Gegenrichtung, Spannung zu Temperatur, invertiert er dieselben Funktionen numerisch. NIST veröffentlicht zwar auch eigene inverse Polynome, sie nähern die Vorwärtsfunktionen aber nur auf einige Hundertstelgrad an. Die Inversion der Vorwärtsfunktion vermeidet diesen kleinen Zusatzfehler: Wer eine Temperatur in Millivolt und zurück rechnet, erhält für jeden Typ im ganzen Bereich dieselbe Temperatur auf besser als 0,001 °C.
Vergleichsstellenkompensation Schritt für Schritt
Alle Thermoelement-Tabellen beziehen sich auf 0 °C. Ihr Messgerät sieht aber die Spannung zwischen der Messstelle und seinen eigenen Klemmen, die meist ungefähr Raumtemperatur haben. Die richtige Kompensation rechnet mit Spannungen, nicht mit Temperaturen:
- Die Thermospannung der Vergleichsstellentemperatur aus der Tabelle ablesen: E(TVS).
- Sie zur gemessenen Spannung addieren: E(TMS) = EMessgerät + E(TVS).
- Die Summe in eine Temperatur zurückrechnen.
Beispiel, Typ K. Die Messstelle hat 500 °C, die Klemmen haben 25 °C. Die auf 0 °C bezogene Thermospannung beträgt bei 500 °C 20,644 mV und bei 25 °C 1,000 mV; das Messgerät zeigt also 19,644 mV. Geben Sie 19,644 mV mit 25 °C Vergleichsstelle in den Rechner ein, liefert er 500 °C.
Schlägt man 19,644 mV direkt in einer Typ-K-Tabelle nach, erhält man 476,5 °C: fast 24 °C Fehler. Addiert man 25 °C zu diesem Ergebnis, kommt man auf 501,5 °C, nah dran, aber immer noch falsch, weil die Empfindlichkeit des Thermoelements bei 25 °C (40,5 µV/°C) eine andere ist als bei 500 °C (42,6 µV/°C). Bei anderen Typen ist der Unterschied größer: Beim Typ J liegt diese Rechnung bei 300 °C um etwa 2 °C daneben.
Den Thermoelement-Typ wählen
| Typ | Bereich der Tabellen | Typischer Einsatz |
|---|---|---|
| K | −270 bis 1372 °C | Allzweck, in der Industrie am weitesten verbreitet |
| J | −210 bis 1200 °C | Ältere Anlagen, reduzierende Atmosphären; der Eisenschenkel oxidiert an Luft bei hoher Temperatur |
| T | −270 bis 400 °C | Tiefe Temperaturen, Lebensmittel und Labor, gute Genauigkeit nahe Raumtemperatur |
| E | −270 bis 1000 °C | Höchste Ausgangsspannung pro Grad unter den unedlen Typen |
| N | −270 bis 1300 °C | Bei hohen Temperaturen stabiler als K |
| R, S | −50 bis 1768 °C | Platintypen für hohe Temperaturen und Referenzmessungen; geringe Spannung |
Die Bereiche in der Tabelle sind die Bereiche der Referenzfunktionen. Der nutzbare Bereich eines realen Thermoelements ist enger und hängt von Drahtdurchmesser, Mantel und Atmosphäre ab; prüfen Sie das Datenblatt des Fühlers.
Toleranzklassen
IEC 60584-1 definiert Toleranzklassen für Thermoelementdraht. Für Typ K beträgt Klasse 1 von −40 bis 1000 °C ±1,5 °C oder ±0,4 % der Temperatur, je nachdem, welcher Wert größer ist; Klasse 2 beträgt ±2,5 °C oder ±0,75 %. Bei 500 °C sind das ±2,0 °C und ±3,75 °C. Der Rechner zeigt beide Klassen für den gewählten Typ und die Temperatur an, oder „außerhalb des Bereichs“, wo die Klasse nicht definiert ist.
Die Thermospannungstabelle
Die Tabelle unter dem Umrechner listet Thermospannung und Empfindlichkeit (Seebeck-Koeffizient) für jeden Bereich und jede Schrittweite, in °C oder °F. Vollständige Referenztabellen mit CSV-Download gibt es für Typ K, J, T, E, N, R und S.
Häufige Fehler
Temperaturen statt Spannungen addieren bei der Vergleichsstellenkompensation, wie oben gezeigt.
Ein Thermoelement mit Kupferdraht verlängern. Jede Verbindung ungleicher Metalle ist ein Thermoelement. Verlängerungen brauchen passende Thermo- oder Ausgleichsleitung, sonst wird die Verbindungsstelle zur neuen Vergleichsstelle mit unbekannter Temperatur.
Vertauschte Polarität. Ein vertauschtes Paar oder eine vertauschte Ausgleichsleitung subtrahiert, statt zu addieren; der Fehler beträgt etwa das Doppelte der Temperaturdifferenz über dem vertauschten Abschnitt.
Typen verwechseln. Viele Geräte stehen ab Werk auf Typ K. Ein Typ-J-Fühler, der als Typ K ausgewertet wird, liefert ein falsches Ergebnis ohne erkennbare Warnung.
Häufige Fragen
Warum zeigt mein Messgerät eine kleine Spannung, wenn der Fühler Raumtemperatur hat?
Das sollte es nicht, wenn Mess- und Vergleichsstelle dieselbe Temperatur haben; die Spannung hängt von der Temperaturdifferenz ab. Einige Mikrovolt können von Offsets und Temperaturgradienten an den Klemmen stammen.
Kann ich den Rechner für ein Thermoelement mit Eispunkt-Referenz bei 0 °C verwenden?
Ja. Setzen Sie die Vergleichsstelle auf 0; dann entspricht der Messwert der Tabellen-Thermospannung.
Wie genau sind die Referenzfunktionen?
Die Funktionen selbst sind die Norm; sie definieren die Tabellenwerte. Die Unsicherheit einer realen Messung kommt aus der Toleranzklasse des Thermoelements, seiner Drift, der Ausgleichsleitung und dem Messgerät.
Unterstützt der Rechner °F?
Ja. Schalten Sie oben auf der Seite zwischen °C und °F um; Temperaturfelder, Tabellen und Empfindlichkeiten werden automatisch umgerechnet.