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Wie Sie mit Thermoelementen Temperaturen effizient messen

| Autor / Redakteur: Robin Yang * / Kristin Rinortner

Temperaturmessung: 
Thermoelemente eignen sich für die Messung über einen weiten Temperaturbereich unter rauen Umgebungsbedingungen.
Temperaturmessung: 
Thermoelemente eignen sich für die Messung über einen weiten Temperaturbereich unter rauen Umgebungsbedingungen. (Bild: Microchip)

Eine genaue Temperaturmessung über einen weiten Bereich ist in vielen Anwendungen wichtig. Für die Messungen müssen sowohl der Sensor als auch die Signalaufbereitung sorgfältig angepasst werden.

Eine Weitbereichs-Temperaturmessung ist beispielsweise für das Wärmemanagement in industriellen Anwendungen und bei der Überwachung von Gefahrenbereichen wichtig. Für präzise Messungen über den gesamten Temperaturbereich müssen sowohl der Sensor als auch die Signalaufbereitung sorgfältig angepasst und eingestellt werden. Der folgende Beitrag beschreibt Faktoren, die die Genauigkeit der Temperaturmessung beeinflussen und stellt Lösungen vor, die eine präzise und kostengünstige Messung mithilfe eines Thermoelements ermöglichen.

Vergleich von Bauelementen für die Temperaturmessung

Um die Temperatur in ein elektrisches Signal umzuwandeln, das von einem Überwachungssystem erfasst und analysiert wird, kommen in der Regel vier Arten von Temperatursensoren zum Einsatz: Thermoelemente, Thermistoren, Widerstandsthermometer und Temperatursensor-ICs. Hinsichtlich Messbereich, Genauigkeit, Linearität und Kosten gibt es leider keine Universallösung und der Sensor muss entsprechend der Anwendung ausgewählt werden.

Ein Thermoelement ist das am häufigsten verwendete Bauelement, da es einen weiten Temperaturbereich (–200 bis 2500 °C) und Robustheit in rauen Umgebungen bietet. Im Vergleich dazu offerieren Thermistoren eine zufriedenstellende Auflösung innerhalb eines relativ begrenzten Temperaturbereichs. Sensor-ICs liefern eine höhere Genauigkeit und die beste Linearität, allerdings auf Kosten eines reduzierten Temperaturbereichs. Folglich konzentriert sich dieser Beitrag auf Temperatursensoren mit Thermoelementen.

Prinzipieller Aufbau eines Thermoelements

Ein Thermoelement besteht aus zwei Drähten unterschiedlicher Metalle oder Legierungen, die an der Messstelle (Heißstelle) miteinander verbunden sind (Bild 1). Die Heißstelle kontaktiert das Messobjekt. Aufgrund des Seebeck-Effekts wird eine thermoelektrische Spannung meist in der Größenordnung von μV zwischen den beiden Metallen an der Verbindungsstelle erzeugt. Die Spannung ist abhängig von der Temperaturdifferenz an der Verbindungsstellezwischen den beiden Metallen. Verschiedene Arten von Thermoelementen (E, J, K usw.) werden in unterschiedlichen Kombinationen von Metallen/Legierungen mit unterschiedlichen Seebeck-Koeffizienten angeboten und zeigen verschiedene Linearitäten und Empfindlichkeiten bei Temperaturänderungen.

Vor- und Nachteile eines Thermoelements

Sowohl Sensor-ICs als auch Thermistoren sind für eine Temperaturmessung unter 150 °C geeignet. Widerstandsthermometer werden hauptsächlich zur Messung von Temperaturen bis zu 500 °C eingesetzt. Daher ist ein Thermoelement die einzige brauchbare Lösung, um eine Temperatur über 500 °C zu messen. Bestimmte Arten von Thermoelementen sind für extrem raue Umgebungsbedingungen ausgelegt, bei denen Temperaturen bis 2500 °C auftreten.

Die einfache Struktur der Metallkombination ermöglicht auch den direkten Kontakt mit dem Messobjekt und ist daher ideal für raue Umgebungen geeignet. Darüber hinaus ist ein Thermoelement passiv und benötigt keine Speisung von Strom oder Spannung. Dadurch entsteht keine Wärme, die die Temperaturmessung verfälscht. Zudem ist ein Thermoelement für viele Anwendungen auch eine kostengünstige Lösung.

Es gibt jedoch einige technische Einschränkungen beim Thermoelement. Erstens ist der Seebeck-Koeffizient niemals konstant über den gesamten Temperaturbereich – unabhängig von der Art des verwendeten Thermoelements. Dies bedeutet, dass die Ausgangsspannung des Thermoelements, die ein Maß für die Temperatur ist, keine perfekt lineare Funktion ist, Daher ist ein genauer Korrekturalgorithmus notwendig, um die Nichtlinearität bei der Umwandlung von Temperatur in Thermospannung zu verringern.

Die zweite Einschränkung eines Thermoelements liegt in seiner Empfindlichkeit. Bei den verschiedenen Arten von Thermoelementen variiert der Seebeck-Koeffizient zwischen 8 und 60 μV/°C. Unter der Annahme, dass die Temperaturdifferenz zwischen der Heiß- und Kaltstelle 500 °C beträgt, sollte die Thermokraft zwischen 4 und 30 mV betragen. Aus diesem Grund ist ein rauscharmer Verstärker mit geringem Offset erforderlich, um eine verzerrungsfreie Verstärkung des Thermospannungs-Signals für die Eingangsstufe des A/D-Wandlers bereitzustellen.

Ein Differenzverstärker mindert die Auswirkungen des Gleichtaktrauschens, das durch die langen Leitungen induziert wird, die das entfernt verbaute Thermoelement verbinden. Ein unzureichender Verstärker, der Störungen einbringt, kann die Genauigkeit des Thermoelements beeinträchtigen.

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