Was Thermoelemente sind
Ein Thermoelement misst die Temperatur, indem es selbst eine Spannung erzeugt. Zwei unterschiedliche Metalle, an einer Stelle verbunden, erzeugen eine kleine Potenzialdifferenz, wenn diese Verbindungsstelle eine andere Temperatur hat als das andere Ende der Drähte, und die Höhe dieser Spannung folgt einer veröffentlichten Kurve für das verwendete Metallpaar. Dem Sensor muss nichts zugeführt werden, damit er arbeitet - und genau diese Eigenschaft entscheidet, wo Thermoelemente eingesetzt werden: am oberen Ende des Temperaturbereichs, an den kleinsten Messstellen und an Maschinen, an denen ein Widerstandselement nicht überstehen würde.
Die Buchstabentypen sind die Kurzbezeichnung für diese Metallpaare. Typ K ist der universelle Arbeitstyp über den mittleren bis hohen Bereich, Typ J bedient ältere Anlagen, Typ T deckt niedrige Temperaturen und die Kältetechnik ab, Typ E bietet die höchste Empfindlichkeit der unedlen Paare, Typ N wurde für bessere Stabilität bei hohen Temperaturen entwickelt, und die Typen R, S und B verwenden Platin und Rhodium für die höchsten Bereiche und die anspruchsvollsten Aufgaben. Die Wahl zwischen ihnen ist eine Wahl von Bereich, Empfindlichkeit, Atmosphäre und Aufwand, und sie legt fest, worauf das empfangende Gerät eingestellt werden muss.
Käufer greifen in zwei Situationen zum Thermoelement, die unterschiedlich aussehen und dasselbe Problem sind. Die erste ist eine Temperatur jenseits dessen, was ein Widerstandselement übersteht, typischerweise über 500 °C und gewiss über 850 °C. Die zweite ist eine Messstelle, die zu klein, zu schnell oder zu unzugänglich für eine eingeführte Sonde ist: ein Spritzgießzylinder, ein Heizband, ein Lagergehäuse, ein Abgaskanal, eine Glas- oder Keramikoberfläche. In beiden Fällen entscheidet meist die Mechanik und nicht das Element.
Was eine Thermoelement-Baugruppe von einer anderen unterscheidet, ist selten der Buchstabe. Es sind die Ausführung der Verbindungsstelle, Werkstoff und Durchmesser des Mantels, die Art, wie die Sonde am Prozess gehalten wird, und der Umgang mit der Kaltstelle am fernen Ende. Diese vier Entscheidungen bestimmen Ansprechzeit, Lebensdauer und den tatsächlichen Messfehler, und sie sind es, die vor der Frage nach dem Aufwand geklärt werden sollten.
Wie Thermoelemente messen
Der Effekt ist nach Seebeck benannt. Wo zwei unterschiedliche Metalle aufeinandertreffen, treibt eine Temperaturdifferenz zwischen dieser Verbindungsstelle und den anderen Drahtenden einen kleinen Strom, und die entstehende Spannung ist über einen begrenzten Abschnitt annähernd proportional zur Temperaturdifferenz. Über den gesamten Bereich ist sie nicht proportional, weshalb jeder Buchstabentyp sein eigenes Polynom hat und dem Gerät mitgeteilt werden muss, welchen Typ es liest. Das Signal eines Thermoelements ist zudem klein: für die üblichen unedlen Typen einige zehn Mikrovolt je Grad und für die Platin-Typen nur wenige Mikrovolt je Grad.
Weil die Spannung zwischen der Messstelle und den Klemmen entsteht, an denen die Drähte ankommen, gehört die Temperatur an diesen Klemmen zur Messung. Die Abhilfe ist die Kaltstellenkompensation: Das Gerät misst die Temperatur an seinen eigenen Klemmen und addiert die entsprechende Spannung zurück, sodass der Messwert nur die Messstelle widerspiegelt. Die Kompensation ist nicht optional und keine Verfeinerung. Ohne sie meldet ein Thermoelement die Differenz zwischen zwei Temperaturen, und nur eine davon ist die gewünschte.
Dasselbe Prinzip schränkt die Verdrahtung ein. Jede Stelle, an der Thermoelementdraht auf Kupfer trifft, ist selbst eine Thermoelement-Verbindungsstelle; der Kreis muss daher in passendem Thermoelementdraht ausgeführt werden und, wo er verlängert wird, mit Ausgleichs- oder Verlängerungskabel desselben Typs und mit Steckverbindern aus denselben Legierungen. Ein Kupfer-Klemmenblock zwischen Sonde und Gerät unterbricht die Messung nicht, sondern fügt zwei weitere Verbindungsstellen mit unbekannter Temperatur ein, und der von ihnen verursachte Fehler ist konstant und leicht für eine Sensordrift zu halten.
Für die Verbindungsstelle selbst folgen daraus zwei Konsequenzen. Eine geerdete Verbindungsstelle verschweißt den Messpunkt mit dem Mantel, was eine schnelle Ansprechzeit ergibt, weil Wärme und Strom leicht übertreten, aber auch den Messkreis mit allem verbindet, was der Mantel berührt; an geerdetem Metall kann dieser Weg eine Quelle für Störungen oder für Kreisströme sein. Eine nicht geerdete Verbindungsstelle isoliert den Messpunkt im Mantel, was den Kreis trennt, aber Ansprechzeit kostet. Eine freiliegende Verbindungsstelle ist noch schneller und wird eingesetzt, wo das Medium nicht korrosiv ist und nicht ferngehalten werden muss.
Ausführungsvarianten
Der größte Teil der Spezifikation wird durch diese Entscheidungen festgelegt und nicht durch die Genauigkeitsklasse. Jede schränkt die nächste ein, deshalb werden sie der Reihe nach geklärt.
| Entscheidung | Festzulegende Optionen | Was sie tatsächlich entscheidet |
| Kalibriertyp | K, J, T, E, N, R, S oder B sowie das passende Verlängerungskabel | Der nutzbare Bereich, die Empfindlichkeit in Mikrovolt je Grad, die Atmosphäre, die das Paar verträgt, und worauf das empfangende Gerät eingestellt werden muss. Es ist die eine Entscheidung, die den Messwert bei einem Fehler unbrauchbar macht. |
| Ausführung der Verbindungsstelle | Geerdet, nicht geerdet oder freiliegend; die Verbindung kann verschweißt oder Teil eines federbelasteten Kontakts sein | Die Ansprechzeit, die elektrische Trennung zwischen Messkreis und Maschine und der Schutz, den die Verbindungsstelle gegenüber dem Medium hat. |
| Mantel und Durchmesser | Edelstahl, Inconel, Keramik oder ein umflochtenes mineralisoliertes Kabel, in Durchmessern von unter einem Millimeter bis zu mehreren Millimetern | Wie schnell die Baugruppe anspricht und was sie übersteht. Ein schwerer Mantel aus einer korrosionsbeständigen Legierung hält, und er spricht wie der Mantel an und nicht wie die Verbindungsstelle darin. |
| Halterung der Sonde | Federklemme, Gewindekopf, Klemmverschraubung, Schweißpad oder freie Spitze auf einer Oberfläche | Anpressdruck und Eintauchtiefe, die gemeinsam entscheiden, ob die Verbindungsstelle die Prozesstemperatur sieht oder die Temperatur der Halterung, die sie hält. |
| Umgang mit der Kaltstelle | Ein Klemmenkopf an der Sonde, ein an der Sonde montierter Transmitter oder ein Ausgleichskabel zurück zum Gerät | Wo kompensiert wird und was die Strecke kostet. Eine Umformung an der Sonde wandelt die kleine Spannung in ein Schleifensignal um, bevor sie Störungen aufnehmen kann. |
| Anzahl der Messstellen | Eine Sonde je Kanal oder eine multiplexte Eingangskarte | Ob jeder Punkt seinen eigenen Gerätekanal und seine eigene Kompensation benötigt, was an einer Maschine mit vielen Messstellen oft den größeren Teil des Aufwands ausmacht. |
So wählen Sie Thermoelemente aus
| Faktor | Wie er geklärt wird | Warum er die Antwort bestimmt |
|---|
| Das obere Ende des Temperaturbereichs | Nehmen Sie die normale Arbeitstemperatur und addieren Sie den Überschwinger, den der Prozess tatsächlich erzeugt, und nicht den, den der Regelkreis erzeugen soll. | Buchstabentyp und Mantelwerkstoff folgen beide daraus. Ein aus Aufwandsgründen gewähltes unedles Paar ist deutlich unterhalb des angegebenen Bereichs nicht mehr die richtige Antwort, sobald die Atmosphäre berücksichtigt wird. |
| Die Atmosphäre | Nennen Sie, wovon die Sonde umgeben ist: Luft, Rauchgas, Metallschmelze, Vakuum, eine reduzierende oder oxidierende Umgebung oder eine heiße Oberfläche in ruhender Luft. | Typ K neigt in reduzierender Atmosphäre zur Drift und zum Effekt der Nahordnungsbildung zwischen etwa 250 und 550 °C; Typ N wurde unter anderem dafür entwickelt. Platin-Typen sind die Antwort bei hoher Temperatur, aber nicht immun gegen Kontamination. |
| Geforderte Ansprechzeit | Entscheiden Sie, ob der Messwert einem sich ändernden Prozess folgen muss oder immer nur ein Beharrungswert ist. | Ein feiner Mantel, eine geerdete oder freiliegende Verbindungsstelle und eine kleine Masse an der Spitze verkürzen alle die Ansprechzeit, und jede tauscht Schutz oder Trennung gegen Geschwindigkeit. Eine langsame Baugruppe an einem zyklischen Prozess meldet einen Mittelwert, den niemand verlangt hat. |
| Elektrische Umgebung | Sagen Sie, ob die Sonde an geerdetem Metall befestigt ist und ob Frequenzumrichter oder Heizungen in der Nähe sind. | Das Mikrovoltsignal nimmt Störungen auf, die eine 4-20-mA-Schleife wegsteckt. Geschirmte oder umflochtene Leitung und eine nicht geerdete Verbindungsstelle sind die üblichen Antworten, und eine Umformung an der Sonde ist die vollständigere. |
| Entfernung zum Gerät | Messen Sie die Strecke und entscheiden Sie dann, wo die Kaltstelle liegen soll. | Ausgleichskabel ist teurer als Kupfer und hat eine eigene Toleranz; eine lange Strecke ist daher meist besser mit einem Transmitter an der Sonde bedient als mit einer langen Ausgleichsleitung zurück in eine Warte. |
| Ob der Messwert nachprüfbar sein muss | Fragen Sie, ob der Wert gedruckt, auditiert oder zur Freigabe einer Charge verwendet wird. | Ein nacktes Thermoelement trägt keine rückführbare Kalibrierung, sofern keine mitgeliefert wird. Muss der Wert belastbar sein, braucht die Baugruppe eine dokumentierte Toleranz und einen Weg zur Nachprüfung. |
Die nächstliegenden Alternativen
Das sind die Typen, um die es bei einer Anfrage für Thermoelemente meist tatsächlich geht, und der Punkt, an dem die Auswahl wirklich entschieden wird.
| Nächste Alternative | Was sie vom Thermoelement unterscheidet |
| Thermoelemente Typ K | Ein einzelner Buchstabentyp und nicht die Familie. Eine Wahl wert, wo das universelle Paar Bereich und Atmosphäre abdeckt, und zu vermeiden, wo der Prozess im Ordnungsbereich liegt oder reduzierend läuft. |
| RTD-Temperatursensoren | Misst den Widerstand, statt eine Spannung zu erzeugen, braucht daher einen Erregungsstrom und liefert ein langsameres, größeres und konsistenteres Signal. Liegt die Temperatur im Bereich eines Platin-Elements und muss der Messwert zwischen Geräten übereinstimmen, ist der RTD das bessere Gerät und das Thermoelement keine gleichwertige Alternative. |
| Widerstandsthermometer | Das nackte Widerstandselement oder die messende Komponente, geliefert als Bauteil mit Anschlussdrähten und nicht als montierte Baugruppe mit Prozessanschluss. Wird gewählt, wenn Gehäuse und Anschluss aus der Hand des Käufers kommen. |
| Temperaturtransmitter | Misst selbst nichts. Er liest das Thermoelement und wandelt die kleine Spannung vor der Übertragung in ein Schleifensignal um; so wird ein Thermoelement üblicherweise angeschlossen, wenn das Gerät mehr als ein paar Meter entfernt ist. |
| Infrarot-Thermometer | Liest eine Oberfläche berührungslos und kann daher ein bewegtes oder unzugängliches Ziel messen, das keine Sonde berühren könnte. Es misst eine Oberfläche und nicht das Volumen, und der Emissionsgrad muss bekannt sein, sodass es ein Thermoelement ergänzt und nicht ersetzt. |
| Temperaturregler | Nimmt das Signal des Thermoelements und treibt eine Heizung oder Kühlung auf einen Sollwert hin. Er ist das Gerät, an das die Sonde an einer Maschine angeschlossen wird, und der Teil, der auf denselben Buchstabentyp eingestellt werden muss. |
Der Buchstabentyp ist das, was eine Anfrage zuerst nennt, und das, was am wenigsten entscheidet. Ausführung der Verbindungsstelle, Mantel und Halterung der Sonde entscheiden, ob die Messung funktioniert.
Was die Anfrage enthalten sollte
Die erste Antwort kann ein Angebot sein statt einer Liste von Fragen, wenn die Anfrage diese Angaben enthält. Ist ein Wert nicht bekannt, senden Sie die Beschreibung der Aufgabe und wir bestätigen, was daraus folgt.
- Benötigter Kalibriertyp oder Temperaturbereich und Atmosphäre, falls der Typ offen ist
- Die normale Arbeitstemperatur und die höchste erreichte Abweichung
- Atmosphäre oder Medium, dem die Sonde ausgesetzt ist, und ob es korrosiv oder reduzierend ist
- Halterung der Sonde: Federklemme, Gewinde, Klemmverschraubung oder Oberflächenkontakt
- Durchmesser, Länge und Eintauchtiefe der Sonde sowie der Platz an der Messstelle
- Ausführung der Verbindungsstelle, geerdet oder nicht geerdet, mit Begründung, falls eine vorgeschrieben ist
- Länge der Leitung oder Verlängerung und der bereits verwendete Kabeltyp
- Entfernung zum Gerät und ob ein Transmitter oder ein Klemmenkopf benötigt wird
- Von der Anwendung benötigte Ansprechzeit
- Menge, Bestimmungshafen und gewünschter Liefertermin
