FAQ : Häufige Fragen rund um die Temperaturmessung – und die Antworten dazu

Ein Thermoelement ist ein Temperatursensor, welcher eine Thermospannung in Abhängigkeit von einer zu messenden Temperatur erzeugt. Bei der Signalbildung wirkt der sogenannte thermoelektrische Effekt, auch Seebeck-Effekt genannt.

Um den Seebeck-Effekt technisch nutzen zu können, müssen unterschiedliche Metalle miteinander verbunden werden. Deren Kombination für industrieübliche Anwendungen ist in der DIN EN 60584-1 genormt. Die Thermopaare können aus unedlen Metallen und Legierungen wie beispielsweise Nickel / Nickel-Chrom (Typ K) oder Eisen / Kupfer-Nickel (Typ J) bestehen oder aus Edelmetallen wie zum Beispiel Platin / Platin – 13% Rhodium (Typ R). Diese sind einzig an der Messspitze, der Hotjunction, miteinander verbunden und bilden einen geschlossenen Stromkreis.

Unsere Thermoelemente zeichnen sich durch eine hohe Signalausprägung aus, während edle Thermoelemente deutlich genauer und temperaturbeständiger sind.

Für ein korrektes Messsignal des Thermoelements muss am Übergang des Thermoelements zum Messgerät die Temperatur als Vergleichsstelle bestimmt werden. Alle Messgeräte für Thermoelemente berücksichtigen diese Kaltstellenkompensation (CJC) in der Werkskonfiguration bereits.

Maßgeblich für die Funktion des Thermoelements ist der sogenannte Seebeck-Effekt.

In einem metallischen Leiter mit einer Temperaturdifferenz zwischen beiden Enden werden die frei beweglichen Elektronen aufgrund eines Energieüberschusses vom heißen Ende in Richtung des kalten Endes verschoben. Die entstandene Ladungsverschiebung führt zu einem elektrischen Potential zwischen den beiden Enden. Dieser materialspezifische Effekt findet in allen Metallen und Halbleitern statt.

Um den Seebeck-Effekt technisch zu nutzen, werden nun verschiedene Metalle miteinander verbunden. Die Verbindungsstelle der beiden Metalle wird durch eine geeignete thermische Ankopplung auf die Messtemperatur gebracht. Aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen der Messstelle – der Hotjunction – und dem Anschluss ans Messgerät – der Coldjunction - findet in beiden Metallen die Ladungsverschiebung statt. Aufgrund der unterschiedlichen thermoelektrischen Eigenschaften der Metalle ist der Spannungsaufbau verschieden stark ausgeprägt. Die Potentialdifferenz der beiden Thermomaterialien kann als Thermospannung gemessen werden.

Um die Thermospannung zu standardisieren wurden zum einen die Materialpaarungen als auch die Vergleichsstelle – das „kalte“ Ende an dem das Signal gemessen wird – auf 0 °C genormt. Die Vergleichsstellen der meisten Messgeräte in der industriellen Anwendung befinden sich bei Umgebungstemperatur. Dadurch wird weniger Thermospannung durch das Thermoelement ausgebildet als für die Berechnung der genauen Temperatur nach Norm notwendig ist. Daher messen die Messgeräte die Anschlussklemmentemperaturen und kompensieren die fehlende Thermospannung zu 0 °C rechnerisch – die sogenannte Kaltstellenkompensation (CJC).

Thermoelemente sind elektrische Berührungsthermometer und können prinzipiell in allen industriellen und forschungsrelevanten Messsystemen eingesetzt werden.

Als Thermospannung versteht man den elektrischen Potentialunterschied zwischen dem positiven und negativen Leiter eines Thermoelements, der sich aufgrund einer Temperaturdifferenz zwischen der Messspitze und den Anschlusskontakten aufbaut. Diese Spannung entsteht durch den thermoelektrischen Effekt, auch Seebeck-Effekt genannt. Die Spannungsreihen sind für die einzelnen Thermoelementtypen in der DIN EN 60584-1 mit 0 °C als Vergleichsstelle normiert. Befindet sich die Vergleichsstelle auf einem anderen Temperaturniveau, muss die fehlende/zu viel gebildete Thermospannung rechnerisch kompensiert werden.

Das Thermoelement Typ K ist eines von 10 standardisierten Thermoelementtypen der Norm DIN EN 60584-1. Der Typ beschreibt die Thermomaterialkombination. Bei einem Thermoelement Typ K wird als positiver Leiter eine Nickel-Chrom-Legierung und als negativer Leiter Nickel verwendet.

Im europäischen Raum wird dieser Typ nach der DIN EN 60584-3 grün gekennzeichnet. Er ist einer der am häufigsten verwendeten Typen in der industriellen Anwendung.

Folgende Thermoelementtypen sind genormt:

Ein Thermoelement ist ein Temperatursensor, welcher eine Thermospannung in Abhängigkeit von einer zu messenden Temperatur erzeugt. Bei der Signalbildung wirkt der sogenannte thermoelektrische Effekt, auch Seebeck-Effekt genannt.

Um den Seebeck-Effekt technisch nutzen zu können, müssen unterschiedliche Metalle miteinander verbunden werden. Deren Kombination für industrieübliche Anwendungen ist in der DIN EN 60584-1 genormt. Die Thermopaare können aus unedlen Metallen und Legierungen wie beispielsweise Nickel / Nickel-Chrom (Typ K) oder Eisen / Kupfer-Nickel (Typ J) bestehen oder aus Edelmetallen wie zum Beispiel Platin / Platin – 13% Rhodium (Typ R). Diese sind einzig an der Messspitze, der Hotjunction, miteinander verbunden und bilden einen geschlossenen Stromkreis.

Unsere Thermoelemente zeichnen sich durch eine hohe Signalausprägung aus, während edle Thermoelemente deutlich genauer und temperaturbeständiger sind.

Für ein korrektes Messsignal des Thermoelements muss am Übergang des Thermoelements zum Messgerät die Temperatur als Vergleichsstelle bestimmt werden. Alle Messgeräte für Thermoelemente berücksichtigen diese Kaltstellenkompensation (CJC) in der Werkskonfiguration bereits.

Der Pt100/0-Messwiderstand ist ein elektrischer Widerstand, der in der technischen Temperaturmessung standardmäßig als Sensorelement in Widerstandsthermometern eingesetzt wird. Dieser Widerstand besteht aus Reinstplatin und weist 100 Ohm bei 0 °C auf.

Mit steigender Temperatur erhöht sich auch der Eigenwiderstand des Pt100, sodass bei 100 °C ein Widerstand von 138,5 Ohm erreicht wird.

Den PT100-Messwiderstand gibt es klassischerweise in 2 Bauformen: als Widerstand mit Drahtwicklung und als Flachschichtmesswiderstand.

Der Widerstand mit Drahtwicklung wird um einen Keramik- oder Glasdorn gewickelt und mit einem Keramik- bzw. Glasgehäuse vor äußeren Einflüssen geschützt.

Beim Flachschichtmesswiderstand wird ein Keramikträgerkörper mit Platin beschichtet. Diese Platinschicht weißt Leiterbahnen in Mäanderform auf und wird mittels Keramik- oder Glaskleber versiegelt.

Beide Widerstandstypen sind mit Anschlussbeinen versehen.

Das Widerstandsthermometer ist ein elektrisches Berührungsthermometer. Es nutzt die Temperaturabhängigkeit der elektrischen Widerstände von metallischen oder Halbleiterwiderständen.

Der in der Industrie am häufigsten verwendete Typ ist das Pt100/0-Widerstandsthermometer, dessen Grundwiderstand 100 Ohm bei 0 °C beträgt.

Anwendungen mit Pt1000-, Pt500- oder Ni100-Messwiderständen, NTC- oder PTC-Messwiderständen sind ebenfalls in der Industrie zu finden.

Ändert sich die Temperatur von Metallen, ändert sich auch deren elektrischer Widerstand. Dabei gilt, dass der elektrische Widerstand bei einer Temperaturerhöhung steigt und sinkt, wenn das Metall abkühlt. Die Ausprägung der Veränderung des elektrischen Widerstands in Abhängigkeit von der Temperatur ist bei jedem Stoff verschieden.

Diesen Effekt nutzt man bei Widerstandsthermometern. Für genaue Messungen auf Grundlage des Effekts sind diverse Voraussetzungen notwendig: Zunächst benötigt man ein Metall, dessen Temperaturverhalten bekannt und berechenbar ist. Anschließend muss der Grundwiderstand dieses Metall bei einer definierten Temperatur durch Kalibrierung und Justierung genau eingestellt werden. Und schließlich muss die Temperatur des metallischen Widerstands sehr nah an der wahren Temperatur des zu messenden Mediums liegen.

Für Platinmesswiderstände des Typs PT100/0 wurden die ersten beiden Voraussetzungen in der DIN EN 60751 genormt und mit einer Berechnungsfunktion, Temperatur-Widerstand-Reihen und Klassengenauigkeiten unterfüttert. Die letzte Voraussetzung der Wärmeankopplung ist eine Kombination aus der Anwendungssituation und der darauf abgestimmten Bauweise des Sensors.

Abhängig von der Fertigungsgüte der Messwiderstände können Widerstandsthermometer in verschiedene Genauigkeitsklassen eingeteilt werden. Laut der Norm DIN EN 60751 haben Widerstandsthermometer folgende zulässige Abweichungen:

Ändert sich die Temperatur von Metallen, ändert sich auch deren elektrischer Widerstand. Dabei gilt, dass der elektrische Widerstand bei einer Temperaturerhöhung steigt und sinkt, wenn das Metall abkühlt. Die Ausprägung der Veränderung des elektrischen Widerstands in Abhängigkeit von der Temperatur ist bei jedem Stoff verschieden.

Diesen Effekt nutzt man bei Widerstandsthermometern. Für genaue Messungen auf Grundlage des Effekts sind diverse Voraussetzungen notwendig: Zunächst benötigt man ein Metall, dessen Temperaturverhalten bekannt und berechenbar ist. Anschließend muss der Grundwiderstand dieses Metall bei einer definierten Temperatur durch Kalibrierung und Justierung genau eingestellt werden. Und schließlich muss die Temperatur des metallischen Widerstands sehr nah an der wahren Temperatur des zu messenden Mediums liegen.

Für Platinmesswiderstände des Typs PT100/0 wurden die ersten beiden Voraussetzungen in der DIN EN 60751 genormt und mit einer Berechnungsfunktion, Temperatur-Widerstand-Reihen und Klassengenauigkeiten unterfüttert. Die letzte Voraussetzung der Wärmeankopplung ist eine Kombination aus der Anwendungssituation und der darauf abgestimmten Bauweise des Sensors.

Abhängig von der Fertigungsgüte der Messwiderstände können Widerstandsthermometer in verschiedene Genauigkeitsklassen eingeteilt werden. Laut der Norm DIN EN 60751 haben Widerstandsthermometer folgende zulässige Abweichungen:

Ein klassisches Widerstandsthermometer ist aus einem oder mehreren Messwiderständen, elektrischen Leitern, einem Schutzrohr, Isolationsmaterial und geeigneten Anschlüssen aufgebaut.

Der Aufbau kann grundsätzlich in Leitungssensoren und Messeinsätze unterschieden werden. Während Messeinsätze in Armaturen mit Schutzrohr, Anschlusssockel und Anschlusskopf verbaut werden und jederzeit getauscht werden können, bestehen Leitungsfühler aus einer flexiblen Leitung und einem Sensorelement.

Ausschlaggebend für die letztliche Genauigkeit des Widerstandsthermometers ist neben dem Messwiderstand die Wahl der Schaltungsart.

Die Zweileiterschaltung ist die kostengünstigste aber unpräziseste Messmethode. Die zwei Anschlussbeine des Messwiderstands werden durch jeweils einen Leiter verlängert und an das Messgerät angeschlossen. Dafür wird wenig Material benötigt, aber die Eigenwiderstände der Leiter gehen komplett in das Messsignal ein. Daher müssen die Leiter möglichst kurz oder mit einem großen Querschnitt ausgeführt werden oder der Fehler muss rechnerisch kompensiert werden.

Die Vierleiterschaltung ist die material- und auswertungsintensivste aber genaueste Messmethode. Durch eine geschickte Kombination aus einem konstanten Strom über den Widerstand durch ein rot-weißes Leiterpaar und die Messung des Spannungsabfalls über dem Messwiderstand durch das zweite Leiterpaar werden die Eigenwiderstände der Leiter komplett kompensiert. Das Messsignal wird unverfälscht gemessen.

Der Kompromiss aus diesen beiden Schaltungen ist die Dreileiterschaltung.

Durch eine Brückenschaltung wie der Wheatstone-Brücke werden die Eigenwiderstände schaltungstechnisch kompensiert. Die Herausforderung liegt hierbei jedoch darin, dass die drei Leiter im Aufbau, in den Materialeigenschaften und in den äußeren Bedingungen komplett identisch sein müssen, damit die Messung unverfälscht durchgeführt werden kann. Die Unterschiede durch den realen Aufbau der Leiter und der realen Einsatzbedingungen sind jedoch deutlich kleiner als bei der Zweileiterschaltung.

Digitale Sensoren sind eine Kombination aus einem analogen Sensor wie einem Widerstandsthermometer und einem Signalwandler wie eine Messeinheit oder ein Messumformer. Der Messumformer moduliert das analoge Signal des Widerstandsthermometers in ein diskretes Signal beispielsweise über ein HART-Signal. Auch Digitalanzeigen in Anschlussköpfen sind möglich. Digitale Sensoren benötigen eine externe oder interne Spannungsquelle sowie einen kompatible Kommunikationsschnittstelle.

NTC und PTC sind Sensoren, deren elektrischer Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur ändert. Dabei sind zwei Verhaltensweisen möglich:

Der Widerstand steigt bei ansteigender Temperatur. Die Leitfähigkeit ist somit bei kälteren Temperaturen am besten. Dieses Verhalten zeigen die sogenannten Kaltleiter mit einem positiven Temperaturkoeffizienten (Positive Temperature Coefficient – kurz: PTC). Beispiele für Kaltleiter sind Metalle wie bspw. Platin in einem Pt100/0.

Die Heißleiter verhalten sich genau entgegengesetzt. Bei Anstieg der Temperatur sinkt der Widerstand des Heißleiters – sie weisen einen negativen Temperaturkoeffizienten auf (Negative Temperature Coefficient – kurz: NTC). Somit ist die Leitfähigkeit bei heißen Temperaturen am besten. Beispiele für Heißleiter sind Metalloxide/ Keramiken oder Halbleiter wie Silizium.

In der praktischen Anwendung können beide Thermistorvarianten für die Temperaturmessung verwendet werden. Dabei sind jedoch die teils stark nichtlinearen Signalverläufe bei NTC-Sensoren zu beachten.

Die Frage, ob ein Sensor aktiv oder passiv ist, entscheidet sich bei der Art und Weise, ob der Sensor eigenständig/aktiv ein Signal ausbildet oder ob er mittels Hilfsenergie betrieben werden muss.

Ein Beispiel für einen aktiven Sensor sind Thermoelemente, da sie aufgrund der Umgebungsbedingungen eine Thermospannung bilden, welche auch mit einem reinen analogen Anzeigemessgerät angezeigt werden kann.

Passive Sensoren sind Klassischerweise alle widerstandsbasierten, kapazitiven oder induktiven Sensoren und somit auch die Widerstandsthermometer. Sie benötigen einen Messstrom, welcher über die Messeinrichtung eingespeist wird. Diese Hilfsenergie wird dann aufgrund der Umgebungseinflüsse moduliert und kann als Signal ausgewertet werden. Bei passiven Sensoren ist die Eigenerwärmung zu beachten, welche die Messergebnisse beeinflussen kann. Daher wird der Messstrom bei Widerstandsthermometern typischerweise auf ≤ 1 mA beschränkt.