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Spannung und Temperatur des Thermoelements

Berechnen Sie die Thermoelement-EMF-Spannung anhand der Temperatur mit Kaltstellenkompensation. Ermitteln Sie den Seebeck-Ausgang für Sensoren vom Typ K, J, T und E.

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Formel

E=S×(Thot−Tcold)E = S × (T_hot − T_cold)

Referenz: NIST Monograph 175

S— Seebeck-Koeffizient (K: 41 μV/°C) (μV/°C)
T— Temperatur (°C)

Wie es funktioniert

Dieser Rechner berechnet Thermoelement-EMF anhand der Temperatur mithilfe des Seebeck-Effekts, der für Verfahrenstechniker, Instrumententechniker und Steuerungstechniker, die Temperaturen von -270 bis +2300 C messen, unverzichtbar ist. Thermoelemente erzeugen eine Spannung, die proportional zur Temperaturdifferenz zwischen den heißen (Mess-) und kalten (Referenz-) Übergängen ist: E = S * (t_HOT — T_cold), wobei S der Seebeck-Koeffizient in UV/C ist. NIST ITS-90-Thermoelementtabellen (Diagramm 175) definieren Standardkoeffizienten: Typ K (Chromel-Alumel) = 41 uV/c, Typ J (Eisen-Constantan) = 51 uV/c, Typ T (Kupfer-Constantan) = 43 uV/c, Typ E (Chromel-Constantan) = 68 uV/c (höchste Empfindlichkeit). Die Kaltstellenkompensation (CJC) ist obligatorisch, da die Referenzstelle eine Instrumententemperatur hat, nicht 0 C. Die lineare Seebeck-Approximation bietet eine Genauigkeit von +/- 2% -3% über einen Bereich von 100 C; für Präzisionsanwendungen erreichen NIST-Polynomtabellen eine Genauigkeit von +/-0,02 C gemäß IEC 60584-1:2013.

Bearbeitetes Beispiel

Problem: Ein Thermoelement vom Typ K misst einen Ofen bei 850 °C. Der Klemmenblock des Geräts hat eine Temperatur von 28 °C. Berechnen Sie die gemessene EMF, die CJC-Korrektur und die tatsächliche Spannung bezogen auf 0 C.

Lösung:

  1. Seebeck-Koeffizient vom Typ K: S = 41 uV/C (NIST-Durchschnitt 0-1000 C)
  2. Temperaturunterschied: dT = T_hot - t_Cold = 850 - 28 = 822 C
  3. Gemessener EMF: e_MEAS = 41 * 822 = 33.702 uV = 33,70 mV
  4. Korrektur der Kaltstelle: e_CJC = 41 * 28 = 1.148 uV = 1,15 mV
  5. Wahres EMF (Referenz 0 C): E_true = e_MEAS + e_CJC = 33,70 + 1,15 = 34,85 mV
  6. Überprüfung: NIST-Tabelle vom Typ K bei 850 C = 35,313 mV (linearer Näherungsfehler = 1,3%)

Ergebnis: Die gemessene EMK beträgt 33,70 mV; nach der CJC-Korrektur beträgt die wahre EMK 34,85 mV, bezogen auf den Eispunkt 0 °C. Verwenden Sie für eine Genauigkeit von +/-0,5 °C NIST-Polynomtabellen.

Praktische Tipps

  • ✓Verwenden Sie dasselbe Verlängerungskabel aus Legierung wie das Thermoelement (Typ-K-Verlängerung mit Typ-K-Sensor), um zu vermeiden, dass zusätzliche Seebeck-Verbindungen an den Steckverbindern gemäß ASTM E230-Anforderungen entstehen
  • ✓Bei Temperaturen über 1000 °C verschlechtert sich die Genauigkeit von Typ K aufgrund der Chromoxidation; wechseln Sie zu Typ R oder S (Platin-Rhodium) für eine Genauigkeit von +/- 0,25% bis 1600 C gemäß IEC 60584-2
  • ✓Spezielle Thermoelementverstärker-ICs (AD8495, MAX31855) verfügen über einen integrierten CJC und bieten einen direkten digitalen Ausgang, wodurch die Signalkonditionierung auf eine einzelne Komponente vereinfacht wird

Häufige Fehler

  • ✗Ignorieren der Kaltstellenkompensation: Wenn die Klemme 30 °C statt 0 C hat, beträgt der Fehler 30*41 = 1230 uV = 30 C Temperaturfehler für Typ K; moderne Geräte verfügen über einen automatischen CJC, ältere Zähler jedoch möglicherweise nicht
  • ✗Falsche Thermoelement-Kalibrierung: Kabel vom Typ K und Typ J sehen identisch aus; die J-Kalibrierung auf K-Draht verursacht Fehler von bis zu 50 °C bei 800 C gemäß IEC 60584-1-Abweichungstabellen
  • ✗Verlegung des Thermoelement-Verlängerungskabels in der Nähe von Stromkabeln: Die Millivolt-Signale werden induktiv gekoppelt; IEEE 518 erfordert einen Mindestabstand von 50 mm oder die Verwendung eines verdrillten, geschirmten Thermoelement-Verlängerungskabels

Häufig gestellte Fragen

Thermoelemente messen den Temperaturunterschied zwischen heißen und kalten Stellen, nicht die absolute Temperatur. Wenn die Kaltstelle (Instrumentenklemme) nicht 0 C hat, beinhaltet der Messwert einen Offset. CJC misst die Klemmentemperatur mit einem separaten Sensor (Thermistor oder RTD) und fügt die entsprechende Spannungskorrektur hinzu. Ohne CJC verursacht eine Klemmentemperatur von 25 °C einen Messfehler von 25 °C. Moderne Transmitter verfügen über einen automatischen CJC. Stellen Sie sicher, dass er gemäß den Anforderungen von ISA-MC96.1 aktiviert und kalibriert ist.
Typ K (Chromel-Alumel) ist der Industriestandard und deckt -200 bis +1372 °C mit einer Empfindlichkeit von 41 uV/C und einer Genauigkeit von +/-2,2 C oder +/ -0,75% (je nachdem, welcher Wert höher ist) gemäß IEC 60584-1 Klasse 2 ab. Er entspricht 80% der industriellen Thermoelementinstallationen. Typ T wird aufgrund der besseren Genauigkeit (+/-1 C) und der Oxidationsbeständigkeit in feuchten Umgebungen für niedrige Temperaturen (-200 bis +350 C) bevorzugt. Typ J bietet eine höhere Empfindlichkeit (51 uV/C), ist jedoch auf maximal +760 °C begrenzt.
Die lineare Näherung beträgt +/- 2% über einen Bereich von 100 °C rund um den Kalibrierungspunkt, was für die meisten industriellen Überwachungen ausreichend ist. Für Präzisionsmessungen oder große Temperaturbereiche liefert NIST Monograph 175 Polynomkoeffizienten mit einer Genauigkeit von +/-0,02 °C. Das Polynom hat je nach Thermoelementtyp und Temperaturbereich 9-14 Terme. Mikrocontroller-Implementierungen verwenden in der Regel Nachschlagetabellen mit linearer Interpolation für eine Genauigkeit von +/-0,1 C bei minimalem Rechenaufwand.

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