Thermoelement-Kaltstellenkompensation: Anschlussfehler an Klemmen vermeiden

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Ein Thermoelement Typ K misst im Prozess beispielsweise:

500 °C

und wird mehrere Meter entfernt an eine SPS oder einen Temperaturtransmitter angeschlossen. Die beiden Thermoelementleitungen werden unterwegs auf normale Kupferadern umgesetzt. Elektrisch besteht Durchgang, die Polarität stimmt und trotzdem zeigt die Temperaturmessung einen systematischen Fehler.

Die Ursache liegt häufig nicht am Thermoelement selbst, sondern an der Vergleichsstelle beziehungsweise Kaltstelle der Messkette.

Ein Thermoelement liefert keine Spannung, die ausschließlich von der Temperatur seiner Messspitze abhängt. Entscheidend ist die Temperaturdifferenz zwischen Messstelle und Referenzstelle. Deshalb muss die Temperatur an der Stelle bekannt sein, an der die Thermoelementwerkstoffe auf die Kupferleitungen der Messelektronik übergehen.

Der Übergang auf Kupfer ist nicht grundsätzlich verboten. Entscheidend ist, dass beide Übergangsstellen thermisch definiert sind und ihre Temperatur von der Kaltstellenkompensation korrekt berücksichtigt wird. Erfolgt der Übergang an einer anderen Stelle als der tatsächlich kompensierten Vergleichsstelle, entstehen systematische Messfehler.

In der Praxis bedeutet das meistens: Das Thermoelement wird mit einer zum Thermoelementtyp passenden Thermo-, Verlängerungs- oder Ausgleichsleitung bis zum Thermoelementeingang des Messumformers, Reglers oder SPS-Moduls geführt. Erst dort liegt die definierte Vergleichsstelle. Ein Temperaturtransmitter übernimmt anschließend Linearisierung und Kaltstellenkompensation und kann das Signal beispielsweise als robustes 4 … 20-mA-Signal über normale Kupferleitung weiterleiten.

ICS Schneider bietet hierfür unter anderem Thermoelemente sowie Temperatur-Messumformer und Zubehör. Ein geeignetes Beispiel für den direkten Anschluss von Standard-Thermoelementen ist der WIKA Typ T16 Temperaturtransmitter. Weitere Lösungen finden Sie unter Temperaturmesstechnik bei ICS Schneider.

Warum ein Thermoelement eine Vergleichsstelle benötigt

Ein Thermoelement besteht aus zwei Leitern unterschiedlicher metallischer Werkstoffe.

Bei einem Thermoelement Typ K sind dies beispielsweise die dafür definierten Thermoelementlegierungen.

Die beiden Leiter sind an der Messstelle elektrisch miteinander verbunden.

Das Thermoelement misst keine absolute Temperatur

Sein elektrisches Signal entsteht aufgrund der Temperaturverhältnisse entlang der beiden unterschiedlichen Leiter.

Für die praktische Temperaturmessung ist deshalb entscheidend:

Temperatur der Messstelle

im Verhältnis zur:

Temperatur der Vergleichsstelle

.

Kennt das Messgerät nur die Thermospannung, aber nicht die Temperatur der Vergleichsstelle, lässt sich daraus keine eindeutige Temperatur der Messstelle bestimmen.

Seebeck-Effekt und Thermospannung verstehen

Die Funktionsweise eines Thermoelements basiert auf dem Seebeck-Effekt.

Besteht ein Stromkreis aus unterschiedlichen metallischen Leitern und liegen unterschiedliche Temperaturen vor, entsteht eine Thermospannung.

Vereinfacht kann man schreiben

UTC = f(TMess, TRef)

Dabei ist:

• UTC = gemessene Thermospannung,
• TMess = Temperatur an der Messstelle,
• TRef = Temperatur der Vergleichsstelle.

Da das thermische Verhalten nicht über den gesamten Temperaturbereich perfekt linear ist, verwenden Messgeräte für die einzelnen Thermoelementtypen definierte Kennlinien beziehungsweise Tabellen.

Deshalb muss auch der richtige Thermoelementtyp eingestellt sein

Ein Typ-K-Signal darf beispielsweise nicht mit der Kennlinie eines:

• Typ J,
• Typ T,
• Typ N

ausgewertet werden.

Die Spannung kann ähnlich klein sein, die Temperaturzuordnung ist jedoch unterschiedlich.

Warum Thermoelementtabellen auf 0 °C bezogen sind

Die genormten Thermospannungskennlinien werden auf eine definierte Referenztemperatur bezogen.

Traditionell ist dies:

0 °C

Ein Messgerät befindet sich in der Praxis aber normalerweise nicht bei 0 °C

Die Anschlussklemmen können beispielsweise:

24 °C

haben.

Die Thermospannung am Eingang entspricht dann nicht unmittelbar der Spannung, die das gleiche Thermoelement gegenüber einer 0-°C-Vergleichsstelle erzeugen würde.

Das Messgerät muss deshalb rechnerisch korrigieren

Vereinfacht:

gemessene Thermospannung + Korrektur für Klemmentemperatur → auf 0 °C bezogene Thermospannung

Erst anschließend wird diese Spannung über die Thermoelementkennlinie in die tatsächliche Prozesstemperatur umgerechnet.

Was ist die Kaltstelle?

Der Begriff:

Kaltstelle

ist historisch entstanden und kann missverständlich sein.

Die Vergleichsstelle muss nicht tatsächlich kalt sein.

Sie kann beispielsweise bei

20 °C

30 °C

oder sogar deutlich höher liegen.

Entscheidend ist nicht, dass sie kalt ist, sondern dass ihre Temperatur bekannt ist.

Technisch präziser ist deshalb die Bezeichnung:

Vergleichsstelle

beziehungsweise:

reference junction

In modernen Geräten

liegt diese Vergleichsstelle meist am:

• Thermoelementeingang eines Temperaturtransmitters,
• Thermoelementeingang eines Reglers,
• Klemmenblock einer SPS-Thermoelementkarte,
• Thermoelementanschluss eines Messgeräts.

Wie die Kaltstellenkompensation funktioniert

Ein modernes Thermoelement-Messgerät besitzt normalerweise einen zusätzlichen Temperatursensor in der Nähe seiner Eingangsklemmen.

Dabei kann beispielsweise ein:

• Widerstandssensor,
• Thermistor,
• integrierter Halbleiter-Temperatursensor

verwendet werden.

Das Messgerät erfasst damit die Temperatur seiner Vergleichsstelle

und berechnet daraus die entsprechende Korrekturspannung.

Die Messkette arbeitet vereinfacht nach:

Thermospannung messen → Klemmentemperatur erfassen → Vergleichsstelle kompensieren → Kennlinie linearisieren → Temperatur anzeigen

Damit diese Berechnung funktioniert

muss der Temperatursensor möglichst genau die Temperatur der tatsächlichen Übergangsstellen erfassen.

Hier liegt eine der wichtigsten praktischen Fehlerquellen.

Was passiert beim Übergang auf Kupfer?

Spätestens innerhalb eines Messgerätes wird das Thermoelementsignal auf normale metallische Leiter beziehungsweise Kupferstrukturen überführt.

Ein Übergang auf Kupfer ist deshalb technisch unvermeidbar.

Betrachtet werden müssen aber beide Thermoelementadern

Beim Übergang entstehen beispielsweise:

Thermoelementwerkstoff A → Kupfer

und:

Thermoelementwerkstoff B → Kupfer

Diese beiden Übergänge bilden zusammen die Vergleichsstelle.

Die entscheidende Bedingung lautet

Beide Übergänge müssen sich möglichst auf:

derselben Temperatur

befinden.

Außerdem muss diese Temperatur vom Messgerät beziehungsweise der externen Kompensation korrekt erfasst werden.

Warum Kupfer nicht automatisch einen Messfehler erzeugt

Häufig wird vereinfacht gesagt:

Thermoelement niemals an Kupfer anschließen

Diese Aussage ist für die praktische Verdrahtung hilfreich, physikalisch aber nicht vollständig.

Nach dem Gesetz der Zwischenmetalle

kann ein zusätzliches Metall in einen Thermoelementkreis eingebracht werden, ohne die resultierende Thermospannung zu verändern, sofern die neu entstehenden Übergangsstellen auf derselben Temperatur liegen.

Das bedeutet:

TC+ → Cu

und:

TC− → Cu

sind nicht automatisch problematisch.

Problematisch wird es

wenn:

• die beiden Übergänge unterschiedliche Temperaturen besitzen,
• die interne Kaltstellenkompensation an einer anderen Stelle misst,
• zwischen Übergang und Messgerät ein Temperaturgradient besteht.

Die entscheidende Frage ist deshalb nicht „Gibt es Kupfer?“, sondern „Wo befindet sich der Übergang auf Kupfer und welche Temperatur verwendet die Kaltstellenkompensation?“

Wann der Übergang auf Kupfer tatsächlich problematisch wird

Ein typisches Fehlerbild entsteht bei folgendem Aufbau:

Thermoelement → Ausgleichsleitung → normale Reihenklemme → Kupferleitung → SPS-Thermoelementeingang

Angenommen, die Reihenklemme besitzt:

35 °C

und der Thermoelementeingang der SPS:

25 °C

.

Die tatsächliche Vergleichsstelle liegt dann bereits an der Kupfer-Reihenklemme

Die SPS misst ihre Klemmentemperatur jedoch bei:

25 °C

und geht davon aus, dass genau dort der Thermoelementwerkstoff endet.

Diese Annahme ist falsch.

Dadurch entsteht ein systematischer Messfehler

Der genaue Betrag hängt vom Thermoelementtyp und von der Temperaturdifferenz zwischen tatsächlicher und angenommener Vergleichsstelle ab.

Thermo-, Verlängerungs- und Ausgleichsleitung unterscheiden

Ein Thermoelement sollte nicht beliebig mit normaler Kupferleitung verlängert werden.

Für längere Messstrecken stehen unterschiedliche Leitungsarten zur Verfügung.

Leitungsart	Prinzip	Typische Verwendung
Thermoelementleitung	Leiter aus den eigentlichen Thermoelementwerkstoffen	direkte Messstrecke
Verlängerungsleitung	thermoelektrische Eigenschaften entsprechend dem jeweiligen Thermoelementtyp	Verlängerung der Messstelle bis zur Vergleichsstelle
Ausgleichsleitung	Ersatzlegierungen mit definiert ähnlichem thermoelektrischem Verhalten	wirtschaftliche Verlängerung innerhalb des spezifizierten Temperaturbereichs
Kupferleitung	keine zum Thermoelementtyp passende Kennlinie	erst nach definierter Vergleichsstelle beziehungsweise Signalumformung

Wichtig ist

Verlängerungs- und Ausgleichsleitungen sind thermoelementtypspezifisch.

Eine Leitung für:

Typ K

darf deshalb nicht automatisch für:

Typ J

verwendet werden.

Auch der zulässige Temperaturbereich der Leitung beziehungsweise ihrer Isolierung muss berücksichtigt werden.

Warum beide Anschlussklemmen dieselbe Temperatur haben sollten

Die Kaltstellenkompensation geht idealerweise davon aus, dass beide Thermoelementanschlüsse an einem isothermen Bereich liegen.

Das bedeutet:

TKlemme+ ≈ TKlemme−

Warum ist das wichtig?

Wenn eine Klemme beispielsweise:

25 °C

und die andere:

30 °C

aufweist, existiert keine einzige eindeutige Vergleichsstellentemperatur mehr.

Die interne Kompensation kann diesen räumlichen Temperaturunterschied nicht vollständig korrigieren.

Gute Geräte versuchen deshalb

die Thermoelementklemmen:

• räumlich nah zusammenzubringen,
• thermisch miteinander zu koppeln,
• gegen schnelle Umgebungseinflüsse abzuschirmen.

Temperaturgradienten im Schaltschrank vermeiden

Eine SPS-Thermoelementkarte kann messtechnisch einwandfrei sein und trotzdem falsche Werte liefern, wenn an ihrem Klemmenbereich starke Temperaturgradienten entstehen.

Typische Ursachen sind

• Leistungsschütze direkt neben dem TC-Modul,
• Netzteile mit hoher Verlustleistung,
• Frequenzumrichter,
• direkte Sonneneinstrahlung auf einen Schaltschrank,
• kalte Zuluft eines Lüfters,
• Warmluftströmung aus einem darunter montierten Gerät,
• häufiges Öffnen der Schaltschranktür.

Besonders ungünstig

ist ein Luftstrom, der nur eine Seite des Anschlussblocks erwärmt oder abkühlt.

Dann können:

TC+

und:

TC−

unterschiedliche Temperaturen annehmen.

Für eine gute Kaltstellenkompensation ist daher nicht nur die Genauigkeit des internen Temperatursensors wichtig, sondern auch ein thermisch möglichst homogener Klemmenbereich.

Temperaturtransmitter nahe am Sensor einsetzen

Bei langen Leitungswegen kann es vorteilhaft sein, das Thermoelementsignal bereits nahe am Sensor in ein Standardsignal umzuwandeln.

Die Messkette lautet dann beispielsweise:

Thermoelement → kurze TC-Leitung → Temperaturtransmitter → 4 … 20 mA → SPS

Der Temperaturtransmitter übernimmt dabei

• Erfassung der Thermospannung,
• Kaltstellenkompensation,
• Linearisierung des Thermoelementtyps,
• Umwandlung in ein robustes Ausgangssignal.

Ab dem Transmitter kann normale Kupferleitung für das 4 … 20-mA-Signal verwendet werden.

Das reduziert mehrere typische Fehlerquellen

Es werden keine thermoelementtypischen Millivoltsignale über lange Strecken geführt.

Außerdem befindet sich die definierte Vergleichsstelle direkt am Messumformer.

Thermoelement direkt an eine SPS anschließen

Viele SPS-Systeme besitzen spezielle Thermoelement-Eingangskarten.

Diese können eine interne Kaltstellenkompensation enthalten.

Bei interner Kompensation

sollte die zum Thermoelement passende Leitung grundsätzlich bis zu den dafür vorgesehenen Eingangsklemmen geführt werden.

Die Vergleichsstelle liegt dann dort, wo:

Thermoelement-/Ausgleichswerkstoff → Eingangsklemme

übergeht.

Die Temperatur des Klemmenbereichs wird durch den internen Referenzsensor der Baugruppe erfasst.

Ein früher Übergang auf Kupfer verschiebt die reale Vergleichsstelle

und kann deshalb die interne Kompensation unbrauchbar machen.

Bei manchen Systemen ist auch externe Kompensation möglich

Dann wird die Temperatur einer externen Vergleichsstelle beispielsweise mit einem Pt100 erfasst und der SPS als Referenzwert bereitgestellt.

Die konkrete Verdrahtung muss der Dokumentation des jeweiligen Eingangmoduls entsprechen.

Thermostecker und Zwischenklemmen richtig einsetzen

Auch Steckverbinder und Reihenklemmen können zusätzliche Übergänge in die Messkette einbringen.

Für Thermoelemente gibt es deshalb spezielle Thermostecker

deren Kontaktmaterialien auf den jeweiligen Thermoelementtyp abgestimmt sind.

Auch thermoelementgeeignete Reihenklemmen beziehungsweise Anschlusskomponenten können verwendet werden.

Eine normale Kupfer-Reihenklemme ist dagegen kritisch

wenn sie die Thermoelementleitung unterbricht und anschließend noch ein relevanter Leitungsweg bis zur eigentlichen Kaltstellenkompensation folgt.

Eine Zwischenklemme ist damit nicht nur ein mechanisches Verdrahtungsdetail, sondern kann die thermische Definition der Messkette verändern.

Polarität nicht vertauschen

Neben der Kaltstellenkompensation gehört die Polarität zu den häufigsten Fehlerquellen bei Thermoelementen.

Werden Plus und Minus vertauscht

wird die Thermospannung mit falschem Vorzeichen ausgewertet.

Das führt abhängig von:

• Prozesstemperatur,
• Klemmentemperatur,
• Thermoelementtyp

zu offensichtlich oder teilweise überraschend falschen Anzeigen.

Besonders tückisch

ist ein doppelter Polaritätsfehler.

Wird die Leitung an zwei Stellen vertauscht, kann die Messung in einem bestimmten Betriebszustand scheinbar plausibel wirken.

Eine systematische Prüfung der kompletten Aderzuordnung ist deshalb besser als eine Bewertung ausschließlich nach dem angezeigten Temperaturwert.

Praxisbeispiel: falscher Kupferübergang

Eine Maschine besitzt ein Thermoelement Typ K.

Die Messstelle befindet sich bei:

400 °C

.

Die Ausgleichsleitung endet in einem Zwischenklemmenkasten an einer normalen Kupfer-Reihenklemme.

Vom Klemmenkasten führen Kupferleitungen weitere:

15 m

bis zur Thermoelementkarte der SPS.

Temperatur im Zwischenklemmenkasten

45 °C

Temperatur am SPS-Eingang

25 °C

Das Problem

Die eigentliche Umstellung der Thermoelementwerkstoffe auf Kupfer findet bereits bei:

45 °C

statt.

Die SPS führt ihre interne Kaltstellenkompensation jedoch auf Basis ihres eigenen Klemmenbereichs bei ungefähr:

25 °C

durch.

Die reale und die angenommene Vergleichsstelle unterscheiden sich damit um:

20 K

Die technisch saubere Lösung

besteht beispielsweise darin, die passende Typ-K-Ausgleichs- beziehungsweise Verlängerungsleitung bis zum Thermoelementeingang der SPS zu führen.

Alternativ kann bereits am Zwischenklemmenkasten ein geeigneter Temperaturtransmitter montiert werden:

Typ K → Temperaturtransmitter → 4 … 20 mA → Kupferleitung → SPS

Damit befindet sich der Übergang auf Kupfer entweder direkt an der korrekt kompensierten SPS-Vergleichsstelle oder hinter einer bereits abgeschlossenen Thermoelementauswertung.

Messkette systematisch prüfen

Wenn ein Thermoelement einen verdächtigen Temperaturwert liefert, sollte nicht sofort der Fühler ersetzt werden.

Die gesamte Messkette muss betrachtet werden.

1. Thermoelementtyp feststellen: Typ K, J, T, N, E, R, S oder B eindeutig identifizieren.
2. Parametrierung prüfen: Ist am Transmitter, Regler oder SPS-Eingang derselbe Thermoelementtyp eingestellt?
3. Polarität prüfen: Plus- und Minusleiter über die gesamte Strecke verfolgen.
4. Leitungstyp prüfen: Ist eine passende Thermo-, Verlängerungs- oder Ausgleichsleitung verwendet?
5. Zwischenklemmen suchen: Prüfen, ob irgendwo vor dem TC-Eingang auf Kupfer gewechselt wird.
6. Vergleichsstelle bestimmen: Wo enden die Thermoelementwerkstoffe tatsächlich?
7. Kaltstellenkompensation bestimmen: Wo misst das Gerät seine Referenztemperatur?
8. Temperaturgradienten prüfen: Heizquellen, Lüfter oder Warmluftströmungen im Klemmenbereich untersuchen.
9. Steckverbinder prüfen: Sind Thermostecker und Buchsen für den richtigen Thermoelementtyp ausgeführt?
10. Signal simulieren: Thermoelementeingang mit geeignetem Kalibrator prüfen.
11. Fühler separat prüfen: Erst danach den eigentlichen Sensor als Fehlerquelle bewerten.

Thermoelementeingang mit einem Kalibrator simulieren

Ein Thermoelementkalibrator kann die zu einem definierten Thermoelementtyp gehörende Thermospannung erzeugen.

Damit lässt sich prüfen, ob:

• SPS-Eingang,
• Temperaturtransmitter,
• Regler,
• Anzeige

korrekt arbeiten.

Bei der Simulation muss jedoch auch die Vergleichsstelle beachtet werden

Es gibt grundsätzlich zwei unterschiedliche Prüfgedanken:

Thermoelementtemperatur inklusive CJC simulieren

oder:

reines mV-Signal einspeisen und CJC separat bewerten

Ein moderner Kalibrator kann die Kaltstellenkompensation selbst übernehmen

oder abhängig vom Prüfaufbau mit einer manuellen Referenztemperatur arbeiten.

Wird die CJC auf Kalibrator- und Geräteseite falsch kombiniert, können beide Geräte einzeln korrekt sein und trotzdem einen falschen Vergleichswert ergeben.

Weitere Hinweise finden Sie auch im ICS-Fachbeitrag Thermoelement simulieren: Typ K, J und N in Messketten richtig prüfen.

Typische Fehlerbilder

Beobachtung	Mögliche Ursache	Sinnvolle Prüfung
Konstanter Temperaturversatz	falsch definierte Vergleichsstelle	Kupferübergang und CJC-Position prüfen
Fehler verändert sich mit Schaltschranktemperatur	Kaltstellenkompensation beziehungsweise Temperaturgradient	Klemmentemperatur beobachten
Messwert ändert sich beim Einschalten eines Netzteils	lokale Erwärmung der TC-Klemmen	thermische Anordnung im Schaltschrank prüfen
Messwert verändert sich bei geöffnetem Schaltschrank	Luftzug beeinflusst Vergleichsstelle	Klemmenbereich thermisch stabilisieren
Messwert stimmt nur bei einer bestimmten Raumtemperatur	früher Übergang auf Kupfer	Leitungsweg bis zum TC-Eingang verfolgen
Temperatur läuft bei Erwärmung in falsche Richtung	Polarität vertauscht	Plus-/Minusleiter prüfen
Messung funktioniert nach Kabeltausch nicht mehr korrekt	falsche Ausgleichsleitung	Leitungstyp mit Thermoelementtyp vergleichen
Mehrere Kanäle zeigen ähnlichen Versatz	gemeinsame CJC beziehungsweise Modulproblem	Klemmentemperatur und Moduldiagnose prüfen
Nur ein Kanal driftet	Klemme, Kontakt oder Leitung dieses Kanals	Verdrahtung und Kontaktstellen kontrollieren
Messwert springt bei Bewegung des Steckers	Kontaktproblem oder ungeeigneter Steckverbinder	Thermostecker und Kontakte prüfen
Kalibrator stimmt, realer Fühler nicht	Sensor, Ausgleichsleitung oder Zwischenverbindung	Messkette abschnittsweise prüfen
Fühler und SPS sind einzeln in Ordnung, Gesamtmessung falsch	Fehler in Übergangsstellen oder Kaltstellenkonzept	vollständigen Leitungsweg dokumentieren

Thermoelement-Messkette richtig auslegen

1. Temperaturbereich bestimmen: Minimal-, Normal- und Maximaltemperatur festlegen.
2. Thermoelementtyp auswählen: Typ K, J, T, N oder andere Bauart passend zu Temperatur und Atmosphäre bestimmen.
3. Messstelle festlegen: Einbauposition, Eintauchtiefe und mechanische Ausführung definieren.
4. Leitungsweg planen: Länge zwischen Sensor und Auswertung bestimmen.
5. Passende Verlängerung wählen: Thermo-, Verlängerungs- oder Ausgleichsleitung passend zum Thermoelementtyp einsetzen.
6. Zwischenklemmen minimieren: Unnötige Materialübergänge vermeiden.
7. Thermoelementgeeignete Steckverbinder einsetzen: Kontaktmaterialien zum Sensortyp passend auswählen.
8. Vergleichsstelle definieren: Festlegen, wo der Übergang auf die Kupferseite der Elektronik erfolgt.
9. CJC festlegen: Interne oder externe Kaltstellenkompensation entsprechend der Messkette auswählen.
10. Klemmen thermisch stabilisieren: Heizquellen und Luftströmungen vom TC-Anschluss fernhalten.
11. Temperaturtransmitter prüfen: Bei langen oder störbehafteten Leitungen eine Umwandlung nahe am Sensor erwägen.
12. Polarität dokumentieren: Plus und Minus eindeutig über die gesamte Strecke kennzeichnen.
13. Messgerät parametrieren: Thermoelementtyp und Messbereich korrekt einstellen.
14. Messkette simulieren: Eingang und Kaltstellenkompensation bei der Inbetriebnahme prüfen.
15. Messstelle dokumentieren: Sensor, Leitungstyp, Klemmen, CJC und Auswertegerät festhalten.

Passende Produkte bei ICS Schneider

ICS Thermoelemente

ICS Schneider bietet Thermoelemente in unterschiedlichen industriellen Bauformen an.

Dazu gehören unter anderem:

• Thermoelemente mit Anschlusskopf,
• Mantelthermoelemente,
• Messeinsätze,
• Sonderbauformen,
• Präzisionsthermoelemente.

WIKA Typ T16 Temperaturtransmitter

Der WIKA Typ T16 ist speziell für Thermoelementanwendungen ausgelegt.

ICS beziehungsweise WIKA nennen unter anderem:

• Anschluss aller Standard-Thermoelemente,
• Kopf- und Schienenversion,
• parametrierbaren Sensortyp und Messbereich,
• 4 … 20-mA-Ausgang,
• Sensorbruch- und Messbereichsüberwachung,
• hohe Störfestigkeit gegenüber elektromagnetischen Einflüssen.

Warum ein Transmitter für diese Anwendung interessant ist

Die Thermoelementleitung kann unmittelbar bis zum Transmitter geführt werden.

Dort werden:

Thermospannung + Vergleichsstellentemperatur

ausgewertet.

Anschließend wird ein standardisiertes:

4 … 20 mA

Signal übertragen.

Damit kann die weitere Strecke mit normaler industrieller Kupferleitung ausgeführt werden.

Temperaturkalibratoren

Zur systematischen Prüfung von Thermoelement-Messketten bietet ICS Schneider außerdem Temperaturkalibratoren.

Damit können abhängig vom Gerät Thermoelemente beziehungsweise entsprechende elektrische Sensorsignale simuliert und Messketten überprüft werden.

Weitere Produkte finden Sie unter Temperaturmesstechnik bei ICS Schneider.

Fazit

Die Kaltstellenkompensation gehört zu den wichtigsten Grundlagen einer korrekten Thermoelementmessung.

Ein Thermoelement misst keine absolute Temperatur

Seine Thermospannung hängt von Messstelle und Vergleichsstelle ab.

Die Vergleichsstellentemperatur muss deshalb bekannt sein

Moderne Messgeräte erfassen hierzu die Temperatur im Bereich ihrer Thermoelementanschlüsse und korrigieren die gemessene Thermospannung.

Der Übergang auf Kupfer ist nicht grundsätzlich falsch

Er muss jedoch an einer thermisch definierten Stelle erfolgen, deren Temperatur tatsächlich für die Kaltstellenkompensation verwendet wird.

Ein früher Kupferübergang kann die interne CJC wirkungslos machen

Wird bereits in einem entfernten Klemmenkasten auf Kupfer umgesetzt, während die SPS ihre eigene Anschlussklemme kompensiert, liegen reale und angenommene Vergleichsstelle auseinander.

Ausgleichs- und Verlängerungsleitungen führen die thermische Referenz weiter

Sie ermöglichen, den definierten Übergang bis zum eigentlichen Thermoelementeingang zu verlagern.

Auch die Klemmentemperatur selbst muss beherrscht werden

Warme Netzteile, Leistungselektronik, Lüfter und andere lokale Temperaturquellen können die Genauigkeit einer ansonsten korrekten Messkette beeinträchtigen.

Ein Temperaturtransmitter nahe am Sensor vereinfacht lange Messstrecken

Nach Thermoelementauswertung, Kaltstellenkompensation und Linearisierung kann beispielsweise ein robustes 4 … 20-mA-Signal über normale Kupferleitung übertragen werden.

Für die Praxis gilt

Thermoelementtyp bestimmen → passende Thermo-, Verlängerungs- oder Ausgleichsleitung verwenden → Polarität durchgängig einhalten → unnötige Zwischenklemmen vermeiden → tatsächlichen Übergang auf Kupfer identifizieren → Vergleichsstelle und CJC-Sensor zusammenbringen → Klemmenbereich thermisch homogen halten → bei langen Leitungen Transmitter nahe am Sensor prüfen → Thermoelementtyp im Messgerät korrekt parametrieren → Messkette mit geeignetem Kalibrator simulieren → erst danach Sensor, Leitung und Auswertung getrennt bewerten.

FAQ: Kaltstellenkompensation bei Thermoelementen

Was ist die Kaltstellenkompensation eines Thermoelements?

Die Kaltstellenkompensation berücksichtigt die Temperatur der Vergleichsstelle, damit aus der gemessenen Thermospannung die tatsächliche Temperatur an der Messstelle bestimmt werden kann.

Warum benötigt ein Thermoelement eine Kaltstellenkompensation?

Weil ein Thermoelement keine absolute Temperatur misst, sondern ein thermoelektrisches Signal erzeugt, das von der Temperaturdifferenz zwischen Mess- und Vergleichsstelle abhängt.

Muss die Kaltstelle bei 0 °C liegen?

Nein. Moderne Messgeräte messen die tatsächliche Vergleichsstellentemperatur und rechnen das Signal auf die genormte Referenz von 0 °C um.

Warum heißt sie Kaltstelle?

Der Begriff ist historisch bedingt. Technisch treffender ist Vergleichsstelle oder Reference Junction. Sie muss nicht tatsächlich kalt sein.

Wo befindet sich die Kaltstelle bei einem Temperaturtransmitter?

Sie befindet sich typischerweise im Bereich der Thermoelementanschlussklemmen, deren Temperatur vom Gerät erfasst beziehungsweise kompensiert wird.

Kann ein Thermoelement auf Kupferleitung angeschlossen werden?

Ja, jedoch muss der Übergang auf Kupfer an der definierten Vergleichsstelle erfolgen oder anderweitig korrekt kompensiert werden.

Warum wird trotzdem empfohlen, Thermoelemente nicht mit Kupferleitung zu verlängern?

Weil ein beliebiger Kupferübergang die tatsächliche Vergleichsstelle an eine nicht kontrollierte Position verlagert und dadurch einen systematischen Messfehler verursachen kann.

Was besagt das Gesetz der Zwischenmetalle?

Ein zusätzliches Metall verändert die resultierende Thermospannung grundsätzlich nicht, wenn die dadurch neu entstehenden Übergänge auf derselben Temperatur liegen.

Warum müssen beide Thermoelementklemmen möglichst dieselbe Temperatur haben?

Nur dann kann eine gemeinsame Vergleichsstellentemperatur sinnvoll zur Kaltstellenkompensation verwendet werden.

Kann ein Lüfter die Thermoelementmessung beeinflussen?

Ja. Ein Luftstrom kann Temperaturgradienten am Anschlussblock erzeugen und dadurch die Kaltstellenkompensation beeinträchtigen.

Kann ein Netzteil neben einer Thermoelementkarte einen Messfehler verursachen?

Ja. Seine Verlustwärme kann den Klemmenbereich ungleichmäßig erwärmen und dadurch einen zusätzlichen CJC-Fehler verursachen.

Was ist eine Ausgleichsleitung?

Eine Ausgleichsleitung verwendet definierte Ersatzwerkstoffe mit thermoelektrischen Eigenschaften, die innerhalb eines spezifizierten Temperaturbereichs zur jeweiligen Thermoelementkennlinie passen.

Was ist eine Verlängerungsleitung?

Eine Verlängerungsleitung besitzt für den vorgesehenen Bereich thermisch ähnliche beziehungsweise entsprechende Eigenschaften wie das jeweilige Thermoelement und verlängert die Thermoelementstrecke bis zur Vergleichsstelle.

Kann eine Typ-K-Ausgleichsleitung für Typ J verwendet werden?

Nein. Die Leitung muss zum verwendeten Thermoelementtyp passen.

Kann ich normale Reihenklemmen verwenden?

Normale Kupferklemmen können problematisch sein, wenn dort die Thermoelementwerkstoffe enden und die eigentliche Kaltstellenkompensation erst an einem entfernten Messgerät erfolgt.

Was sind Thermostecker?

Thermostecker sind Steckverbinder für Thermoelemente, deren Kontaktmaterialien für den jeweiligen Thermoelementtyp ausgelegt sind.

Was passiert bei vertauschter Thermoelementpolarität?

Die Thermospannung wird mit falscher Polarität ausgewertet, wodurch deutlich falsche oder sogar in die falsche Richtung verlaufende Temperaturanzeigen entstehen können.

Kann eine SPS ein Thermoelement direkt messen?

Ja, wenn sie über ein dafür vorgesehenes Thermoelement-Eingangsmodul mit passender Linearisierung und Kaltstellenkompensation verfügt.

Wie sollte ein Thermoelement an eine SPS mit interner CJC angeschlossen werden?

Die passende Thermoelement-, Verlängerungs- oder Ausgleichsleitung sollte grundsätzlich bis zu den dafür vorgesehenen Thermoelementklemmen des Moduls geführt werden.

Was ist externe Kaltstellenkompensation?

Dabei befindet sich die definierte Vergleichsstelle außerhalb des Messgeräts und ihre Temperatur wird separat, beispielsweise mit einem Pt100, erfasst.

Warum ist ein Temperaturtransmitter nahe am Thermoelement sinnvoll?

Er führt Kaltstellenkompensation und Linearisierung bereits nahe am Sensor durch und überträgt anschließend ein robusteres Standardsignal wie 4 … 20 mA.

Kann nach einem Temperaturtransmitter normale Kupferleitung verwendet werden?

Ja. Nach der Umwandlung in beispielsweise 4 … 20 mA handelt es sich nicht mehr um die ursprüngliche Thermoelement-Millivoltmessung.

Wie prüft man eine Kaltstellenkompensation?

Mit einem geeigneten Thermoelementkalibrator und einem kontrollierten Prüfaufbau kann geprüft werden, ob Eingang, Vergleichsstellentemperatur und Linearisierung korrekt zusammenarbeiten.

Warum kann eine Thermoelementsimulation falsch sein, obwohl beide Geräte funktionieren?

Wenn Kalibrator und Prüfling ihre Kaltstellenkompensation unterschiedlich oder doppelt anwenden, entspricht der Prüfaufbau nicht der vorgesehenen Messkette.

Welche Thermoelementtypen unterstützt der WIKA T16?

Der WIKA T16 ist für den Anschluss aller Standard-Thermoelemente ausgelegt und kann entsprechend parametriert werden.

Wo finde ich den WIKA T16 bei ICS Schneider?

Weitere Informationen finden Sie unter WIKA Typ T16 Temperaturtransmitter bei ICS Schneider.

Wo finde ich Thermoelemente bei ICS Schneider?

Eine Übersicht finden Sie unter Thermoelemente bei ICS Schneider.

Wo finde ich weitere Temperaturmesstechnik?

Weitere Lösungen finden Sie unter Temperaturmesstechnik bei ICS Schneider.