Was bedeutet Vergleichsstellenkompensation bei Thermoelementen?

Thermoelemente sind äußerst nützliche und einfache Werkzeuge zur Temperaturmessung. Es gibt viele verschiedene Arten von Thermoelementen, und sie können aus unterschiedlichen Metallen bestehen. Trotz dieser Vielfalt erfüllen alle Thermoelemente letztlich dieselbe Funktion: Sie erzeugen eine Spannung, die dem Temperaturunterschied zwischen zwei Kontaktstellen entspricht. (Ein Messgerät, wie ein Multimeter, misst anschließend diesen Temperaturunterschied.) Bei präzisen Temperaturmessungen reicht dieser Mess- und Konvertierungsprozess jedoch nicht immer aus. Hier kommt die Vergleichsstellenkompensation ins Spiel.

In diesem Artikel erklären wir, was Vergleichsstellenkompensation genau ist, wie sie in Thermoelementen funktioniert, und wie sie berechnet wird.

Was ist ein Thermoelement?

Bevor wir uns mit den Details der Vergleichsstellenkompensation befassen, betrachten wir zunächst Thermoelemente. Ein Thermoelement ist ein Sensor zur Temperaturmessung, der aus zwei verschiedenen Metallen besteht. Diese unterschiedlichen Metalle sind an zwei Kontaktstellen miteinander verbunden: an der Mess- oder Heißstelle und an der Referenz- oder Vergleichsstelle. Thermoelemente funktionieren nach den Prinzipien des Seebeck-Effekts: Wenn ein Temperaturunterschied zwischen zwei unterschiedlichen leitfähigen oder halbleitenden Metallen in einem geschlossenen Stromkreis besteht, erzeugt dieser Temperaturunterschied eine elektrische Spannung. Diese Spannung verhält sich nicht linear zum Temperaturunterschied zwischen der Heißstelle und der Vergleichsstelle und wird mithilfe von standardisierten Referenztabellen oder Polynomgleichungen definiert und berechnet. 

Die Vergleichsstelle kann jedoch Messprobleme bei Thermoelementen verursachen. Wie bereits erwähnt, dient die Vergleichsstelle als Referenzpunkt für die Temperaturmessung, daher sollte sie eine standardisierte, konstante Temperatur aufweisen; traditionell lag diese Temperatur bei 0 °C (32 °F). Um die Vergleichsstelle auf 0 °C zu halten, ist jedoch ein Eisbad erforderlich, das für viele Anwendungen von Thermoelementen schlichtweg nicht praktikabel ist. Um dieses Problem zu lösen, wird eine Technik eingesetzt, die als Vergleichsstellenkompensation bezeichnet wird.

Was bedeutet Vergleichsstellenkompensation?

Die Vergleichsstellenkompensation, auch Referenzstellenkompensation genannt, ist der Prozess, bei dem die Berechnung der Thermoelementspannung so angepasst wird, dass korrekt berücksichtigt wird, welche Spannung vorliegen würde, wenn sich die Vergleichsstelle am Eispunkt bei 0 °C befände. Diese Kompensation ermöglicht eine genaue Messung, ohne dass die Vergleichsstelle ständig exakt bei 0 °C gehalten werden muss. Mit anderen Worten: Die Vergleichsstellenkompensation macht den Einsatz eines Eisbads für die Vergleichsstelle überflüssig.

Um diese Kompensation zu ermöglichen, werden die Vergleichsstellen von Thermoelementen häufig an ein Temperaturfühlgerät angeschlossen, meist an einen Thermistor oder einen Widerstandstemperatursensor (RTD). (Viele Anwender verwechseln RTDs und Thermoelemente, sie sind jedoch nicht dasselbe.) Dieses Temperaturfühlgerät misst unabhängig die aktuelle Temperatur der Vergleichsstelle. Anschließend kann das System die tatsächliche Temperatur an diesem Verknüpfungspunkt korrekt kompensieren. Durch diese Kompensation wird sichergestellt, dass die Spannung die Temperatur an der Heißstelle exakt widerspiegelt. 

Die Vergleichsstellenkompensation ist ein wichtiger Schritt bei der Temperaturmessung mit einem Thermoelement, da sie nicht nur deutlich genauere Messergebnisse liefert, sondern durch die Kompensation von Umgebungstemperaturschwankungen an der Vergleichsstelle auch die Messwerte standardisiert und mögliche Umwelteinflüsse berücksichtigt. 

Berechnung der Vergleichsstellenkompensation

Die Berechnung der Thermoelementspannung ist komplex und hängt von mehreren Faktoren ab, beispielsweise davon, aus welchen Metallen das Thermoelement besteht und ob sich der Seebeck-Koeffizient dieser Metalle mit der Temperatur verändert. Die Formel zur Berechnung der Vergleichsstellenkompensation ist jedoch relativ einfach und lautet wie folgt:

E_emf = −S∆T = (S^m1 – S^m2)(T^HOT − T^COLD)

• E_emf ist die Ausgangsspannung des Thermoelements.
• S^m1 ist der Seebeck-Koeffizient des ersten Metalltyps im Thermoelement.
• S^m2 ist der Seebeck-Koeffizient des zweiten Metalltyps im Thermoelement.
• T^COLD ist die Temperatur der Vergleichsstelle.
• T^HOT ist die Temperatur der Heißstelle.

Viele dieser Größen erfordern eigene Berechnungen. Der erste Schritt besteht darin, die tatsächliche Ausgangsspannung des Thermoelements zu messen. Anschließend wird die Temperatur der Vergleichsstelle (T^COLD) gemessen, und mithilfe der passenden Thermoelement-Referenztabelle wird die zugehörige Spannungskompensation ermittelt. Je nachdem, wie stark die Temperatur der Vergleichsstelle vom Eispunkt abweicht, kann die Spannungsänderung von relativ klein bis zu ein oder zwei Millivolt (mV) reichen.

Nachdem der korrekte Wert aus der Nachschlagetabelle ermittelt wurde, wird die äquivalente Spannung der Vergleichsstelle zur gemessenen Thermoelementspannung addiert. Anschließend wird erneut die Referenztabelle (oder Polynomgleichung) verwendet, um die Temperatur der Heißstelle zu bestimmen. Dies ergibt die korrekte Temperatur der Heißstelle unter Berücksichtigung der Vergleichsstellenkompensation.

Alternativ gibt es Online-Rechner, die diesen Prozess deutlich vereinfachen, z. B. Thermoelement-Tabellenspannungsrechner. (Ein Rechner zur Umrechnung von Thermoelementspannung in Temperatur kann ebenfalls hilfreich sein.)

Keine Vergleichsstellenkompensation ohne ordnungsgemäße Kalibrierung

Die Vergleichsstellenkompensation kann Fehler durch Abweichungen der Referenztemperatur ausgleichen, aber sie kann keine ungenauen Messwerte korrigieren, wenn ein Thermoelement gealtert ist oder über die Zeit eine Messdrift erfahren hat. Thermoelemente müssen wie alle Messgeräte regelmäßig kalibriert werden, um genaue und zuverlässige Messwerte zu gewährleisten. Ein zuverlässiges Thermoelement ermöglicht eine nahtlose Kompensation und führt zu besseren, präziseren Messungen, wann und wo immer Sie diese benötigen.