Thermoelemente haben sich mittlerweile als Standard-Temperatursensoren etabliert, die in einer Vielzahl von Branchen aufgrund ihrer Fähigkeit, über einen großen Messbereich zu arbeiten und eine angemessene Genauigkeit zu erreichen, beliebt sind. In diesem Blog-Beitrag erfahren Sie, wie Thermoelemente funktionieren, die Prinzipien ihres Aufbaus und den richtigen Anschluss von Thermoelementen, um genaue Temperaturmessungen zu erzielen. Wir werden auch auf Kompensationskabel, interne Temperaturkompensation und die Vermeidung von Kurzschlüssen in Systemen mit Thermoelementen eingehen. Schließlich werden wir uns mit der Normung dieser Thermoelemente und ihrem Langzeitverhalten befassen. Lesen Sie mehr!
Wie funktionieren Thermoelemente? Thermoelemente funktionieren, indem sie die thermoelektrischen Eigenschaften verschiedener Metalle verändern, so dass die Temperatur anhand von Spannungsänderungen gemessen werden kann. Diese Messgeräte bestehen aus zwei Metalldrähten, die an einem Ende verbunden sind und jeweils unterschiedliche thermoelektrische Eigenschaften haben. Wenn die Temperatur der Verbindungsstelle steigt, beschleunigen die Ladungsträger und bewegen sich zum kühleren Ende hin. Diese Bewegung erzeugt eine Spannung, die mit der Temperatur und der Leitfähigkeit der verwendeten Metalle zunimmt. Dieses thermoelektrische Phänomen, das als Seebeck-Effekt bekannt ist, führt zu unterschiedlichen Leitfähigkeiten der einzelnen Metalle und damit zu unterschiedlichen Spannungen an den beiden "Beinen". Aus der Differenz dieser Spannungen (bezeichnet als UT1) lässt sich die Temperatur an der Verbindungsstelle oder direkt am Messpunkt messen.
Am anderen Ende, wo das Thermoelement mit dem Messgerät verbunden ist, entstehen zwei Teilspannungen (UT2a und UT2b). Ihre Summe, die auch auftreten würde, wenn das Thermoelement bei einer bestimmten Temperatur kurzgeschlossen wäre, spiegelt die Temperatur an der Verbindungsstelle, der sogenannten Vergleichsstelle, wider. Aus dieser gemessenen Spannung lässt sich die Temperaturdifferenz ermitteln - die Differenz zwischen der heißeren Messstelle und der kälteren Vergleichsstelle.
Schema des Thermoelementbetriebs mit der Temperaturmessung am Übergangspunkt (T1), der Spannungsdifferenz zwischen der Vergleichsstelle (T2) und dem Feldgerät, das das Messergebnis anzeigt.
Zweite Spannung (UT2) an der Vergleichsstelle:
Bei Thermoelementen entsteht eine Spannung, wenn zwei verschiedene Metalle miteinander verbunden werden und unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt sind. Eine dieser Spannungen, UT2 genannt, wird an dem Punkt erzeugt, an dem das Thermoelement mit den Drähten verbunden ist (dieser Punkt wird als Vergleichsstelle bezeichnet).
Kompensationsdrähte:
Thermoelemente werden oft mit Ausgleichsdrähten verwendet. Diese Drähte bestehen aus Materialien, die ähnliche thermoelektrische Eigenschaften haben wie die Thermoelemente. Dadurch können sie bis zum Messgerät verlängert werden, ohne die Temperaturmessungen zu verfälschen.
Steckverbinder ohne Thermospannung:
Steckverbinder, die keine zusätzliche Thermospannung erzeugen, sind sehr wichtig. Warum? Wenn die Steckverbinder eine zusätzliche Spannung erzeugen, könnte dies die Genauigkeit der Temperaturmessungen beeinträchtigen. Die Verwendung solcher Spezialstecker hilft, genauere und zuverlässigere Messergebnisse zu erhalten.
Thermoelement mit Ausgleichsleitung
Das Feldgerät errechnet die Temperaturdifferenz anhand der Spannungsdifferenz zwischen UT1 und UT2. Wie wird die Vergleichsstellentemperatur (T2) gemessen? Die Vergleichsstellentemperatur, bezeichnet als T2, wird mit einem zusätzlichen Temperaturfühler gemessen, der für die Genauigkeit der Messung entscheidend ist. Warum ist das so wichtig? Diese Temperatur (T2) wird dann zur berechneten Temperaturdifferenz (T1 - T2 + T2) addiert und ergibt den endgültigen Temperaturwert an der Messstelle, bezeichnet mit T1.
Was ist die interne Temperaturkompensation? Sie ist ein Verfahren, das sicherstellt, dass die Temperatur an der Messstelle genau und zuverlässig bestimmt wird. Ein Schlüsselelement dieser Methode ist die Referenztemperatur, die genaue Berechnungen und die Kompensation von Differenzen ermöglicht.
Was passiert, wenn ein Kurzschluss in der Ausgleichsleitung auftritt? Ein Kurzschluss in der Ausgleichsleitung führt dazu, dass ein zusätzliches Thermoelement entsteht, das parallel zum ursprünglichen Thermoelement arbeitet. Mit anderen Worten, es entsteht ein neues, unerwünschtes Thermoelement an der Stelle des Kurzschlusses. Dadurch wird die gemessene Temperatur zum Mittelwert aus der Temperatur am eigentlichen Messpunkt und der Temperatur am Kurzschlusspunkt.
Bei einer tatsächlichen Temperatur am Messpunkt von 200°C und einer Temperatur am Kurzschlusspunkt von 100°C kann das Gerät beispielsweise eine Temperatur von etwa 150°C anzeigen. Das bedeutet, dass das Messergebnis verfälscht ist und nicht den tatsächlichen Bedingungen entspricht.
Das Feldgerät (d.h. das Gerät, das das Thermoelement-Signal verarbeitet) ist leider nicht in der Lage, diese Art von Kurzschluss zu erkennen. Warum ist dies der Fall? Diese Geräte sind darauf ausgelegt, die von Thermoelementen erzeugten Spannungssignale zu lesen und verfügen nicht über Diagnosefunktionen, die anzeigen können, dass sich durch einen Kurzschluss ein zusätzliches Thermoelement gebildet hat.
Daher können Temperaturmessungen in Anlagen mit Thermoelementen unzuverlässig sein, wenn Kurzschlüsse in den Ausgleichsleitungen vorliegen. Daher ist es wichtig, den Zustand der Ausgleichsleitungen regelmäßig zu überprüfen und sicherzustellen, dass sie frei von Kurzschlüssen sind, um genaue und zuverlässige Temperaturmessungen zu erhalten.
In Anlagen mit Thermoelementen kann es zu Kurzschlüssen, d.h. ungewollten elektrischen Verbindungen, zwischen den Thermodrähten und der Anlagenmasse kommen. Was ist die Betriebserde? Es handelt sich um einen Bezugspunkt in elektrischen Systemen, der mit der Erde verbunden ist, um die Sicherheit und den ordnungsgemäßen Betrieb der Geräte zu gewährleisten. Ein solcher Kurzschluss kann in mehreren Fällen auftreten. Zum Beispiel kann ein Kurzschluss zwischen dem Anschluss des Steckers und dem Schutzrohr auftreten. Diese Art der Verbindung wird manchmal absichtlich verwendet, um eine schnellere Reaktion auf Temperaturänderungen zu erreichen. Ein weiterer Fall ist eine Verringerung des Widerstands von Keramikrohren, die bei hohen Messtemperaturen auftreten kann. Der verringerte Widerstand bedeutet, dass der elektrische Strom leichter durch diese Rohre fließt, was die Gefahr eines Kurzschlusses erhöht.
Um solche Kurzschlüsse und die damit verbundenen Probleme zu vermeiden, muss eine galvanische Isolierung verwendet werden. Die galvanische Isolierung trennt den Thermoelement-Messkreis vom restlichen elektrischen System und verhindert so unerwünschte Stromflüsse, die die Messungen stören können.
Wie kann eine galvanische Isolierung erreicht werden? Es gibt mehrere Methoden:
Die Verwendung einer galvanischen Isolierung ist der Schlüssel zur Gewährleistung genauer und zuverlässiger Temperaturmessungen, insbesondere in rauen Industrieumgebungen, in denen die Gefahr von Kurzschlüssen groß ist. Dank der galvanischen Isolierung ist der Messkreis vor unerwünschten Störungen geschützt, so dass präzise Ergebnisse erzielt werden können.
Die Thermoelemente sind nach der internationalen Norm DIN EN 60584-1 genormt, was ihre Kompatibilität hinsichtlich des elektrischen Verhaltens sicherstellt. Je nach den verwendeten Materialien kann ein Thermoelement Temperaturen von -200°C bis zu 2.500°C messen. Die gebräuchlichsten Typen von Thermoelementen sind J, K und N, die keine Edelmetalle enthalten. Im Gegensatz dazu bestehen die Typen S und B aus teuren Edelmetallen und sind für sehr hohe Temperaturen ausgelegt. Mit dem Thermoelement vom Typ B können die höchsten Temperaturen gemessen werden, wobei die Norm einen Höchstwert von 1.700 Grad Celsius vorgibt. Nach der Auswahl des passenden Thermoelementtyps rechnen die Feldgeräte den Messwert automatisch in die entsprechende Temperaturskala um.
Thermoelement Typ B für Hochtemperaturanwendungen
Die empfohlenen maximalen Betriebstemperaturen für Thermoelemente, wie sie in den Normen angegeben sind, gelten für typische Anwendungen in sauberer Luft. Das bedeutet, dass Thermoelemente unter kontrollierten Bedingungen, bei denen die Luft frei von Verunreinigungen und Feuchtigkeit ist, am effektivsten und genauesten arbeiten. Werden Thermoelemente jedoch bei höheren Temperaturen als empfohlen betrieben, kann dies zu einer erhöhten Signaldrift führen. Als Signaldrift bezeichnet man die allmähliche Abweichung der angezeigten Temperatur vom tatsächlichen Wert, die die Genauigkeit der Messungen beeinträchtigt.
Außerdem kann sich das Ausgangssignal von Thermoelementen verändern, wenn Fremdkörper in ihre Struktur eindringen. Dies kann zum Beispiel der Fall sein, wenn Thermoelemente in Industrieöfen eingesetzt werden, wo sie verschiedenen Gasen und Verunreinigungen ausgesetzt sind, oder in Schutzrohren, durch die mit der Zeit Fremdstoffe eindringen können. Diese Fremdstoffe können mit den Metallen des Thermoelementes reagieren, die Eigenschaften des Thermoelementes verändern und zu falschen Temperaturmessungen führen.
Aus diesem Grund ist es wichtig, dass Thermoelemente regelmäßig kalibriert und die Feldgeräte, die Thermoelement-Signale verarbeiten, entsprechend eingestellt werden. Bei der Kalibrierung werden die Messwerte des Thermoelementes überprüft und korrigiert, um sicherzustellen, dass es die Temperatur weiterhin genau misst. Die Häufigkeit der Kalibrierung und Wartung sollte vom Anwender in Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung und den Betriebsbedingungen festgelegt werden.
Der Anwender muss letztlich selbst entscheiden, wie lange ein bestimmtes Messgerät in einer bestimmten Anlage effektiv eingesetzt werden kann. Regelmäßige Überwachung, Kalibrierung und Wartung der Thermoelemente sind unerlässlich, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Temperaturmessungen über die gesamte Lebensdauer des Geräts zu gewährleisten. Auf diese Weise können kostspielige Fehler vermieden und die Qualität der industriellen Prozesse aufrechterhalten werden.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Thermoelemente wichtige Werkzeuge für die Temperaturmessung sind, die aufgrund ihres großen Messbereichs und ihrer hohen Genauigkeit in vielen Branchen eingesetzt werden. Sie funktionieren nach dem Prinzip des Seebeck-Effekts und erzeugen eine Spannung als Reaktion auf Temperaturunterschiede zwischen zwei verschiedenen Metallen. Entscheidend für die Genauigkeit der Messungen sind der richtige Anschluss des Thermoelements und die Verwendung von Ausgleichsdrähten, um Störungen zu minimieren. Eine interne Kaltstellenkompensation ist für genaue Messwerte unerlässlich, und eine galvanische Isolierung hilft, Kurzschlussprobleme zu vermeiden. Die Normung nach DIN EN 60584-1 gewährleistet die Konsistenz der Messungen, und eine regelmäßige Kalibrierung ist notwendig, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit von Thermoelementen langfristig zu erhalten.
Sehen Sie sich unsere anderen Blogbeiträge über Thermoelementtypen an, unter anderem über das Thermoelement Typ K und das Thermoelement Typ J.
Mein Name ist Ewelina Szmit und ich bin seit mehreren Jahren im Bereich Content Marketing tätig und verbinde meine beruflichen Fähigkeiten mit meiner Leidenschaft für das Schreiben. Ich bin davon überzeugt, dass selbst die technischsten Themen interessant und für jedermann zugänglich präsentiert werden können. Außerhalb der Arbeit entfalte ich meine Kreativität beim Erstellen von Zeitungscollagen. Meine Freizeit verbringe ich am liebsten aktiv, indem ich mit meinem Hund spazieren gehe oder laufe.
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