Thermoelemente: Temperaturmessung mit Typ J, K, T und N

Wie funktioniert ein Thermoelement, und warum liefert es nicht direkt eine Temperatur?

Die beiden unterschiedlichen Leiter eines Thermoelements werden an der Messstelle verbunden; ihre anderen Enden werden an das Messgerät angeschlossen. Die entstehende Spannung hängt von der Kennlinie des Leiterpaars und den Temperaturbedingungen zwischen den Enden ab. Deshalb genügt das Auslesen dieser Spannung allein nicht, um die absolute Temperatur an der Messstelle zu bestimmen. Auch die Temperatur des Referenzanschlusses auf der Elektronikseite muss bekannt sein.

Jeder Thermoelementtyp besitzt eine eigene, nichtlineare Spannungs-Temperatur-Kennlinie. Die Firmware muss eine zum gewählten Typ passende Referenzfunktion oder eine verifizierte Tabelle verwenden. Auf die Frage „Wie vielen Grad entspricht ein Millivolt?“ gibt es für den gesamten Bereich keine einzige konstante Antwort. Ein falsch konfigurierter Typ kann bei Raumtemperatur plausibel erscheinen und bei hohen Temperaturen erheblich abweichen. Die Erstinbetriebnahmeprüfung erfolgt deshalb an mehreren Punkten.

Wie wählt man Thermoelemente der Typen J, K, T und N?

Typ J wird durch ein Leiterpaar aus Eisen und Kupfer-Nickel, Typ K durch Nickel-Chrom und eine nickelbasierte Gegenlegierung, Typ T durch Kupfer und Kupfer-Nickel sowie Typ N durch Nickel-Chrom-Silizium und Nickel-Silizium definiert. Neben der Zieltemperatur werden oxidierende oder reduzierende Umgebung, Mantelmaterial, Drahtdurchmesser und gewünschte Lebensdauer betrachtet. Die weite Verbreitung von Typ K macht ihn nicht automatisch zur besten Wahl für jeden Prozess.

Die NIST-ITS-90-Tabellen enthalten Referenzfunktionsbereiche von −210…1200 °C für J, −270…1372 °C für K, −270…400 °C für T und −270…1300 °C für N. Diese Angaben sind hier keine Garantie für den Sondenbetrieb. Kabelisolierung oder Anschlussklemme können beispielsweise auf deutlich niedrigere Temperaturen als die Messstelle begrenzt sein. Edelmetalltypen wie R, S und B werden für hohe Temperaturen in einer gesonderten Machbarkeitsprüfung bewertet.

Wie wird die Vergleichsstellenkompensation richtig umgesetzt?

Die Vergleichsstelle muss nicht tatsächlich kalt sein. Sie ist der Referenzbereich, in dem der Thermoelementleiter zum Anschlussmaterial im Gerät übergeht. Ihre Temperatur wird mit einem geeigneten Sensor gemessen und in die Thermoelementberechnung einbezogen. Liegt dieser Referenztemperatursensor weit von der tatsächlichen Klemme entfernt oder neben einem warmen Regler, kann das Ergebnis trotz mathematisch korrekter Berechnung falsch sein.

Beim Platinenlayout werden eine möglichst einheitliche Temperatur der Thermoelementanschlüsse sowie die Einflüsse von Luftströmung und warmen Bauteilen untersucht. Bei Mehrkanalgeräten muss die Annahme gleicher Temperaturen an allen Klemmen am Prototyp überprüft werden. Für VOMRO ist dies neben der Schaltungsauswahl auch eine Entscheidung über PCB-Layout und Gehäuseanordnung. Bei der Abnahme können Umgebungsänderungen und Eigenerwärmung des Geräts bei geschlossenem Gehäuse geprüft werden.

Verlängerungsleitung, Ausgleichsleitung und Polarität

Für die Verlängerung bis zur Messelektronik wird eine zum Typ passende Thermo- oder Ausgleichsleitung gewählt. Das gleichwertige thermoelektrische Verhalten einer Ausgleichsleitung gilt nur in einem begrenzten Temperaturbereich; die Herstellergrenzen dürfen nicht überschritten werden. Beliebige Verlängerungen mit Kupferkabeln schaffen neue Fehlerquellen, wenn die Temperaturen der Übergänge nicht kontrolliert werden. Richtige Polarität, Steckverbinder und Verbindungsstellen werden dokumentiert.

Die Kabelfarbe allein ist keine universelle Kennzeichnung; die Farben verschiedener Normen können abweichen. Die Prüfung im Feld richtet sich nach der verwendeten Norm und Herstellerkennzeichnung. Auch lange parallele Strecken zu Leistungskabeln, lose oder verschmutzte Verbindungen und feuchte Klemmen werden untersucht. Schirmanbindung und Erdungskonzept richten sich nach der Systemarchitektur. Können Sensorverbindungen bei Wartung verändert werden, muss eine Montageanleitung Bestandteil der technischen Übergabe sein.

Was wird bei einer mehrkanaligen Thermoelement-Ausleseplatine entwickelt?

Bei kleinen Spannungen sind Eingangsoffset, Drift, Filterung und das tatsächliche Wandlerrauschen entscheidend. Die Abtastrate wird nicht allein nach der gewünschten Anzeigeaktualisierung gewählt, sondern zusammen mit erforderlicher Temperaturdynamik, Netzstörunterdrückung und Kanalzahl bewertet. Bei Multiplexerarchitekturen wird die Einschwingzeit nach dem Kanalwechsel in den Messplan aufgenommen.

Geerdete und isolierte Messstellen schaffen unterschiedliche elektrische Bedingungen. Bei Sonden an mehreren Maschinenoberflächen können Spannungsdifferenzen zwischen den Kanälen entstehen; bei Bedarf wird eine Kanal- oder Gruppenisolation vorgesehen. Offene Sonden, Kurzschlussdiagnosen, Bereichsüberschreitungen und Fehler des Referenzsensors müssen dem Nutzer getrennt gemeldet werden. Neben der letzten Temperatur können Kanalzustand, Zeitstempel und gewählter Typ im Aufzeichnungsformat enthalten sein.

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Warum werden Sonde und Elektronikplatine bei der Kalibrierung gemeinsam geprüft?

Ein Thermoelementsimulator am Elektronikeingang prüft die Ausleseschaltung, zeigt aber allein weder Montagefehler noch Alterung der physischen Sonde. Für die gesamte Messkette wird die Sonde in einer geeigneten Temperaturumgebung mit einem Referenzthermometer verglichen. Ohne Prüfung von Eintauchtiefe, thermischem Gleichgewicht und Temperaturverteilung darf der Unterschied zwischen zwei Anzeigen nicht direkt als Sensorfehler interpretiert werden.

Im Abnahmeplan werden Zielpunkte, Referenzunsicherheit, Wartezeit, Umgebungstemperatur und verwendetes Kabel festgehalten. Eine dicke Sonde mit geringer Eintauchtiefe im Ofen kann durch Wärmeleitung entlang des Kabels von der tatsächlichen Temperatur der Messzone abweichen. Der Fehler eines alternden Thermoelements muss nicht als konstanter Offset bestehen bleiben. Das Wartungsintervall wird zunächst abgeschätzt und anhand von Feld- und Vergleichsaufzeichnungen angepasst; es wird kein unveränderliches Kalibrierintervall für sämtliche Anwendungen behauptet.

Angaben, die ein Thermoelementprojekt angebotsfähig machen

Bei einer mehrzonigen Werkzeugüberwachung werden beispielsweise Einbauraum, Oberflächentemperatur und erwartete Ansprechzeit verglichen, statt an jeder Stelle dieselbe Sonde einzusetzen. Es wird festgelegt, ob Kanäle gleichzeitig oder in bestimmten Abständen gelesen werden, wie lang die Kabel sind und welche SPS-Anbindung vorhanden ist. Dies beschreibt einen beispielhaften Projektansatz, keine zugesagte Eigenschaft eines fertigen Geräts und kein bereits realisiertes Referenzprojekt.

Das Gespräch mit VOMRO kann mit Kanalzahl, Typ, Mindest- und Höchsttemperatur, zulässigem Fehler, Kabellänge und Datenausgang beginnen. Kundenspezifische Platine, Firmware, Aufzeichnungsschnittstelle, Gehäuse und Produktionsprüfaufbau können als eigene Lieferpositionen definiert werden. Sensorbeschaffung und Herstellung einer kundenspezifischen Sonde sind nicht derselbe Leistungsumfang; bei Bedarf wird die geeignete Lösung eines spezialisierten Sondenherstellers integriert. Übergabe der technischen Quellen und Abnahmeprotokolle werden im Projektvertrag konkretisiert.

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