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Thermoelement Spannung & Temperatur

Berechnet die Thermoelement-EMK aus der Heißstellentemperatur und Kaltstellenkompensation für Typ K, J, T und E.

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Formel

E = S × (T_hot − T_cold)

Referenz: NIST Monograph 175

S— Seebeck coefficient (K: 41 μV/°C) (μV/°C)
T— Temperature (°C)

Wie es funktioniert

Ein Thermoelement erzeugt über den Seebeck-Effekt eine thermoelektrische EMF (elektromotorische Kraft), die proportional zur Temperaturdifferenz zwischen einer heißen und einer kalten (Referenz-) Verbindungsstelle ist. Die Ausgangsspannung ist E = S × (T_hot − t_Cold), wobei S der Seebeck-Koeffizient in μV/°C ist. Jeder Thermoelementtyp hat einen charakteristischen Seebeck-Koeffizienten: Typ K (Chromel—Alumel) ≈ 41 μV/°C, Typ J (Eisen-Constantan) ≈ 51 μV/°C, Typ T (Kupfer-Constantan) ≈ 43 μV/°C und Typ E (Chromel-Constantan)) ≈ 68 μV/°C. In der Praxis liegt die Kaltstelle nicht bei 0 °C, sondern bei der Endtemperatur des Messgeräts. Die Kaltstellenkompensation (CJC) addiert oder subtrahiert die Spannungskorrektur an der Kaltstelle, um die richtige Messung zu erhalten. NIST-Polynomtabellen ermöglichen genauere (nichtlineare) Umrechnungen über den gesamten Thermoelementbereich. Die hier verwendete lineare Seebeck-Näherung ist über gemäßigte Temperaturbereiche mit einer Genauigkeit von ±1— 3% genau.

Bearbeitetes Beispiel

Problem: Ein Thermoelement vom Typ K hat seinen heißen Übergang bei 350 °C und seinen kalten Übergang bei 23 °C. Wie hoch ist die gemessene Spannung und was ist für die Kaltstellenkorrektur erforderlich? Lösung: 1. Typ K Seebeck-Koeffizient S = 41 μV/°C 2. ΔT = T_heiß − T_kalt = 350 − 23 = 327 °C 3. Gemessene EMF: E = 41 × 327 = 13.407 μV ≈ 13,4 mV 4. Kaltstellenkorrektur: e_CJC = 41 × 23 = 943 μV ≈ 0,94 mV 5. Wahre Spannung an der heißen Verbindungsstelle (bei 0 °C): 13,4 + 0,94 = 14,35 mV Ergebnis: Der Ausgang des Thermoelements beträgt 13,4 mV; die CJC-Korrektur addiert 0,94 mV zum Bezugswert von 0 °C.

Praktische Tipps

  • ✓Verwenden Sie dasselbe Verlängerungskabel wie das Thermoelement (Verlängerung Typ K mit Thermoelement Typ K), um zu vermeiden, dass zusätzliche Seebeck-Verbindungen an den Anschlüssen eingeführt werden.
  • ✓Ein INA118- oder AD8495-Instrumentenverstärker mit integrierter Kaltstellenkompensation vereinfacht die Signalkonditionierung von Thermoelementen erheblich.
  • ✓Bei Temperaturen über 1000 °C verschlechtert sich die Genauigkeit von Typ K aufgrund der bevorzugten Oxidation von Aluminium; Typ R oder S (auf Platinbasis) bieten eine bessere Genauigkeit bei hohen Temperaturen.

Häufige Fehler

  • ✗Ignorieren der Kaltstellenkompensation — wenn die Klemmenleiste eine Temperatur von 30 °C statt 0 °C hat, beträgt der Fehler bei einer Messung vom Typ K 30 × 41 = 1230 μV, was einem Temperaturfehler von 30 °C entspricht.
  • ✗Verwendung des falschen Thermoelementtyps in den Nachschlagetabellen — Kabel vom Typ K und Typ J sehen ähnlich aus; bei Verwendung der J-Kalibrierung auf K-Draht können bei hohen Temperaturen Fehler von bis zu 50 °C auftreten.
  • ✗Verlegen Sie das Thermoelement-Verlängerungskabel in der Nähe von Hochstromleitern — die Millivolt-Signale können durch induktive Kopplung leicht verfälscht werden. Verwenden Sie immer ein verdrilltes, abgeschirmtes Thermoelement-Verlängerungskabel.

Häufig gestellte Fragen

Thermoelemente messen den Temperaturunterschied zwischen den heißen und kalten Stellen, nicht die absolute Temperatur. Wenn die Kaltstelle (an der Instrumentenklemme) nicht die Referenztemperatur (normalerweise 0 °C) hat, enthält der Messwert einen Offsetfehler. CJC misst die Klemmentemperatur und subtrahiert den entsprechenden Spannungsbeitrag, um die tatsächliche Temperatur an der heißen Stelle wiederherzustellen.
Typ K ist das am häufigsten verwendete Thermoelement für Temperaturen von −200 °C bis +1372 °C mit guter Empfindlichkeit (41 μV/°C) und günstigen Kosten. Typ T wird aufgrund der besseren Genauigkeit und Oxidationsbeständigkeit in feuchten Umgebungen für niedrige Temperaturen (−200 °C bis +350 °C) bevorzugt.
Die lineare Näherung ist über einen Bereich von ±100 °C um einen Referenzpunkt mit einer Genauigkeit von ±2— 3% genau. Verwenden Sie für Präzisionsmessungen oder große Temperaturbereiche die NIST-Polynomtabellen (NIST Monograph 175), die eine Nichtlinearität bis ±0,02 °C modellieren.

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