Temperaturen messen mit Thermoelementen Kaltstellenkompensation auf Basis Hardware und Software - ein Vergleich

Thermoelemente benötigen eine Temperaturreferenz zum Ausgleich ungewollter Kaltstellen. Dazu wird die Spannung einer Referenztemperatur gemessen und diese störende Spannung vom Messergebnis abgezogen. Diesen Prozess wird Kaltstellenkompensation genannt. Damit verbunden ist jedoch eine komplexe Signalaufbereitung. Je nach Anwendung bieten sich auch verschiedene Möglichkeiten an.

Thermoelemente haben sich zum Standard für kostengünstige Temperaturmessungen mit brauchbarer Genauigkeit entwickelt. Die Vorteile liegen auf der Hand:

- Temperaturbereich: Je nach verwendeten Materialien lassen sich mit Thermoelementen Temperaturen von -200 bis +2500 °C messen. Die Spanne schließt die meisten praxisüblichen Temperaturbereiche mit ein - von der Kryotechnik bis hin zu Abgasen von Flugzeugturbinen.

- Robustheit: Thermoelemente sind mechanisch robuste Bauteile. Sie sind immun gegenüber Stoß- und Vibrationsbelastungen und eignen sich somit auch für den Einsatz in rauen und gefährlichen Umgebungen.

- Kurze Reaktionszeiten: Ein Thermoelement reagiert sehr schnell auf Temperaturen, speziell wenn die Sensor-Verbindung frei liegt. Wegen ihren kleinen Abmessungen und ihrer geringen Wärmekapazität reagieren Thermoelemente innerhalb weniger Hundert ms auf schnelle Temperatur-Änderungen.

- Keine Selbsterwärmung: Thermoelemente kommen ohne Spannungsversorgung aus und können sich daher nicht selbst erwärmen.

Thermoelemente werden in einer Vielzahl unterschiedlicher Typen angeboten. Am bekanntesten ist “Typ K” aufgrund seiner relativ hohen Ausgangsspannung, seiner Linearität über einen großen Temperaturbereich und seiner geringen Kosten.

Der Aufbau ist einfach (Bild 1): Ein Thermoelement besteht aus zwei unterschiedlichen Metallen, welche an einem Ende miteinander verbunden sind - dieses Ende bezeichnet man als „Hot Junction“. Das andere Ende, an welchem die beiden Leiter nicht miteinander verbunden sind, wird an die meist aus Kupfer hergestellten Verbindungen der Signalaufbereitungsschaltung angeschlossen.

Der Punkt zwischen Thermoelementmetallen und Kupferanschlüssen wird Kaltstelle (Cold Junction) genannt. Die an der Kaltstelle erzeugte Spannung hängt von den Temperaturen an der Heiß- und Kaltstelle ab. Da ein Thermoelement kein absolutes, sondern ein differentielles Temperaturmessbauteil ist, wird an einer der Heiß- oder Kaltstelle eine bekannte Temperaturreferenz benötigt. Aus der Differenzspannung lässt sich dann die Temperatur ableiten.

Der wesentliche Nachteil von Thermoelementen ist die komplexe Signalaufbereitung, welche zur Wandlung der Thermoelementspannung in einen nutzbaren Temperaturwert erforderlich ist. Die Entwicklung der Signalaufbereitung ist normalerweise sehr zeitaufwändig und kann viele Fehlerquellen mit sich bringen, welche sich negativ auf die Genauigkeit auswirken.

Anforderungen an die Signalaufbereitung

Zuerst gilt es, die Spannung zu verstärken. Die Ausgangsspannung eines Thermoelements ändert sich lediglich um wenige µV/°C, z.B. weist der beliebte K-Typ 41 µV/°C auf. Dieses Kleinsignal verlangt vor der A/D-Wandlung eine entsprechende Verstärkerstufe.

Das kleine Thermoelementsignal kann leicht durch Rauschen überdeckt werden; speziell dann, wenn lange Thermoelementleitungen durch raue Industrieumgebungen verlegt sind. Dieses gilt es zu entfernen. Da der Großteil des Rauschens an beiden Anschlüssen auftritt, sollte das Messsystem einen differentiellen Eingang aufweisen. Beim größten Teil des Rauschens handelt es sich um Netzrauschen, welches sich durch ein Tiefpassfilter für 50 und 60 Hz eliminieren lässt.

Die Spannung eines Thermoelements hängt von den Temperaturen an den Mess- und Referenzstellen ab. Da jedoch lediglich die Temperatur an der Messstelle interessiert, muss der Einfluss der Referenzstelle entfernt und eine so genannte Kaltstellenkompensation durchgeführt werden. Bei der Kaltstellenkompensation wird die Temperatur der Referenzstelle mit einem anderen temperaturempfindlichen Bauteil - in der Regel ein IC, ein Thermistor, eine Diode oder einen RTD-Sensor - gemessen. Es ist wichtig, dass die Referenzstelle so genau wie möglich gemessen wird. Dies geschieht hier mit einem genauen Temperatur-Sensor; dabei muss sichergestellt werden, dass der Sensor die gleiche Temperatur wie die Referenzstelle hat. Jeder Fehler bei der Ermittlung der Temperatur an der Referenzstelle wirkt sich direkt auf den vom Thermoelement ermittelten Wert aus.

Wichtig ist auch die richtige Nichtlinearität (Bild 2). Die Steigung der Kennlinie eines Thermoelements ändert sich mit der Temperatur. Bei 0 °C ändert sich z.B. die Spannung eines Thermoelements des Typs T um 39 µV/°C. Bei 100 °C ändert sich die Spannung des gleichen Thermoelements um 47 µV/°C.