Thermoelemente gehören zu den am häufigsten eingesetzten Temperatursensoren. Trotz ihrer hohen Zuverlässigkeit können aus verschiedenen Gründen Messfehler auftreten.
In diesem Beitrag stellen wir die häufigsten Fehler vor und zeigen, wie sie vermieden und behoben werden können. Erfahren Sie im vollständigen Leitfaden, wie Sie die Messgenauigkeit Ihrer Thermoelemente verbessern.
Thermoelemente (thermoelektrische Sensoren) sind Temperatursensoren, die aus zwei Drähten unterschiedlicher Metalle bestehen, die an einem Ende zur Messschweißstelle verbunden sind.
An den freien Enden des Thermoelements wird eine elektrische Spannung gemessen, die entsteht, wenn die Messschweißstelle erwärmt oder abgekühlt wird. Diese Spannung ist proportional zur Temperaturdifferenz zwischen der Messschweißstelle und den freien Enden (Anschlussstellen).
Thermoelemente werden in vielen industriellen Anwendungen eingesetzt, da sie robust und relativ kostengünstig sind, für die meisten Anwendungen eine ausreichende Genauigkeit bieten und keine externe Stromversorgung benötigen. Zudem zeichnen sie sich durch einen großen Messbereich aus – je nach verwendetem Material können Temperaturen von −200 °C bis +1250 °C erfasst werden.
Dennoch können aus verschiedenen Gründen Messfehler bei Thermoelementen auftreten.
Die einfachste Methode zur Überprüfung eines Thermoelements ist die Simulation einer Messung mit einem Millivoltgenerator. Dazu wird der Generator direkt an das Anzeigegerät angeschlossen. Anschließend stellt man die entsprechenden Spannungswerte ein und vergleicht diese mit den zugehörigen Temperaturwerten. So lässt sich schnell erkennen, ob die Linearisierung und der Messbereich korrekt eingestellt sind.
Für einen einfachen Funktionstest kann man auch ein kurzes Stück Ausgleichsleitung verwenden. Dazu wird die Leitung isoliert und die beiden Drähte an einem Ende miteinander verdrillt. Diese Verbindung bildet ein einfaches Thermoelement. Durch Erhitzen der Verbindungsstelle kann die grundlegende Funktion des Messsystems überprüft werden.
Funktioniert das Thermoelement nicht wie erwartet, sollte man mögliche Ursachen für den Ausfall überprüfen.
Häufig ist am Messumformer ein falscher Thermoelementtyp eingestellt. Dieser Fehler tritt auf, da es viele verschiedene Thermoelemente gibt, z. B. die Typen K, J oder S, die jeweils für unterschiedliche Temperaturbereiche ausgelegt sind.
Jeder Thermoelementtyp weist eigene Eigenschaften auf, hinsichtlich Messbereich, Genauigkeit und elektrischer Leistung. Wird der falsche Typ am Messumformer eingestellt, kann das zu fehlerhaften Messergebnissen führen.
Verschiedene Thermoelementtypen sind in der Regel farblich gekennzeichnet. Überprüfen Sie immer den Farbcode auf der Thermoelementhülle, bevor Sie den Messumformer einrichten.
Ein häufiger Fehler beim Anschließen eines Thermoelements ist eine vertauschte Polarität der Anschlussdrähte. In diesem Fall wird die Temperatur falsch gemessen, da das Thermoelement eine fehlerhafte Thermospannung liefert.
Dieser Fehler tritt oft auf, weil intuitiv davon ausgegangen wird, dass der rote Draht positiv ist. Bei Thermoelementleitungen ist der rote Draht jedoch in der Regel negativ.
Überprüfen Sie den Anschluss des Thermoelements sorgfältig und achten Sie auf die korrekte Polung. Tauschen Sie bei Bedarf die Anschlussdrähte, um die richtige Verbindung herzustellen.
Mögliche Ursache: Beschädigtes Thermoelement oder Anschlusskabel
Mögliche Ursache: Vertauschte Polarität im Anzeigegerät.
Mögliche Ursachen:
a) Vertauschte Polarität der Ausgleichsleitung am Anschlusskopf (dadurch entstehen zusätzliche Thermoelemente)
b) Falsche Ausgleichsleitung
Mögliche Ursachen:
a) Falsche Linearisierung im Anzeigegerät
b) Falsche Ausgleichsleitung
Mögliche Ursache: falsche Vergleichsstellen‑Temperatur.
Mögliche Ursache: Die Temperatur der Vergleichsstelle ist instabil oder wird nicht korrekt erfasst.
Mögliche Ursache: Falsche Linearisierung, z. B. L‑Typ als J‑Typ oder umgekehrt.
Mögliche Ursachen:
a) Elektromagnetische Störungen beeinflussen das Eingangssignal.
b) Fehlende galvanische Trennung oder unzureichende Isolierung, z. B. durch Ofenisolierung.
Mögliche Ursachen:
a) Elektromagnetische Störungen im Eingangskabel
b) Galvanische Spannungen, z. B. durch feuchte Isolierung
Thermoelemente messen nicht die absolute Temperatur, sondern die Temperaturdifferenz zwischen Messstelle und Referenzstelle (Kaltstelle).
Wärme‑ oder Kältequellen wie z. B. Ventilatoren in der Nähe eines Thermoelements können Temperaturschwankungen an der Referenzstelle verursachen und so zu fehlerhaften Messwerten führen.
Stellen Sie sicher, dass keine Ventilatoren oder anderen Kühl‑ oder Wärmequellen sich in der Nähe der Referenzstelle befinden.
Überprüfen Sie außerdem, dass der Anschlussbereich des Thermoelements ausreichend isoliert ist. Das hilft, äußere Temperatureinflüsse zu minimieren.
Die Erdung eines Thermoelements an mehreren Stellen kann zur Bildung sogenannter Erdschleifen führen. Dabei fließt ein Ausgleichsstrom zwischen den Erdungspunkten. Dieser Strom erzeugt elektromagnetische Störungen, die das Messsignal beeinflussen und zu ungenauen Temperaturwerten führen können.
Erden Sie entweder den Messumformer (Anschlusskopf) oder das Auswertegerät bzw. den Regler – jedoch nicht beide gleichzeitig.
Die Zusammensetzung der Metalllegierungen, aus denen Thermoelementdrähte bestehen, kann von Charge zu Charge leicht variieren. Dadurch entstehen Fertigungstoleranzen, die sich auf die Messgenauigkeit auswirken können.
Eine typische Messgenauigkeit von Thermoelementen liegt bei etwa 1 °C bis 2 °C und ist für die meisten industriellen Anwendungen ausreichend.
Wenn für Ihre Anwendung eine besonders hohe Genauigkeit erforderlich ist, sollten Thermoelemente mit engeren Toleranzen verwendet werden. Diese werden unter kontrollierten Bedingungen gefertigt, um Abweichungen in der Legierungszusammensetzung möglichst gering zu halten.
Wählen Sie Thermoelemente von zuverlässigen Herstellern. JUMO legt dabei großen Wert auf die Qualität der verwendeten Materialien und eine kontrollierte Fertigung, um Abweichungen in der Legierungszusammensetzung zu minimieren.
Wie jedes technische System unterliegt auch ein Thermoelement im Laufe der Zeit einem Alterungsprozess. Durch den dauerhaften Einsatz unter hohen Temperaturen, Druckbelastungen und weiteren Einflüssen verändern sich die Materialeigenschaften.
Diese Alterung kann die Messgenauigkeit beeinträchtigen und zu Abweichungen führen.
Ersetzen Sie verschlissene Thermoelemente rechtzeitig durch neue. Eine regelmäßige Wartung trägt zudem dazu bei, den Alterungsprozess zu verlangsamen und eine zuverlässige Messung sicherzustellen.