Temperaturmessung mit Thermoelementen

In einem Nachbarthread kam die Frage nach Temperaturmessung mit Thermoelementen auf.

Dabei scheint es einige Unsicherheiten zu geben.

Hier mal ein paar Worte zur Kompensation mittels Übergangsstellen- bzw. Vergleichsstellentemperatur und ein Bild von Wiki, wie so eine Vergleichsstellentemperatur beispielsweise messen kann:

Wiki: Vergleichsstellentemperatur

Das Thermoelement besteht aus zwei Drähten unterschiedlicher Legierung. Wo diese zusammentreffen, nämlich an der Messstelle, entsteht eine winzige Spannung, die Thermospannung.

Irgendwo im Messaufbau muss aber zwangsläufig ein Wechsel auf Kupferleitung erfolgen. Spätestens auf der Platine, denn die Leiterbahnen bestehen nicht aus diesen zwei Thermolegierungen.

Ich persönlich finde den Begriff Übergangsstelle verständlicher.

Thermolegierung und Kupfer bilden an dieser Übergangsstelle wieder ein Thermoelement, an dem ebenfalls eine winzige Thermospannung entsteht.

Diese überlagert die Thermospannung an der Messstelle und führt zu teilweise erheblichen Messfehlern. Mit erheblich meine ich auch erheblich!

Wenn man die Temperatur an dieser Übergangsstelle kennt, kann man den Messfehler wegrechnen. Das ist mit "Cold-Junction Compensation" gemeint. Also die "Kompensation der kalten Verbindung".

Das macht der MAX6675 auch. Zu diesem Zweck hat er eine genaue Temperaturmessung eingebaut.

Die Temperaturmessung sitzt aber im IC und die Übergangsstelle sitzt irgendwo neben dem IC - beziehungsweise die zwei Übergangsstellen.

Wer also in den Genuss einer korrekt kompensierten Temperaturmessung kommen will, der muss dafür sorgen, dass IC und beide Übergangsstellen die gleiche Temperatur haben.

Bei diesem Set von ebay:

MAX6675 mit Thermoelement

Wo ist die Übergangsstelle?

Sind die Crimp-Gabelkabelschuhe aus Thermolegierung hergestellt? Eher nicht.

Die Anschlussterminals auf der Platine? Fragwürdig. Grüner Kunststoff bedeutet nicht automatisch Typ-K Thermomaterial...

Wer sicher gehen will, hüllt das Ganze so in eine Dämmschale ein, dass nur die Kabel herausschauen.

Dann haben mit großer Wahrscheinlichkeit alle in Frage kommenden Übergangsstellen und der IC die gleiche Temperatur.

Messung mit Thermoelementen im Hobbybereich ohne Ahnung führt zu einer Genauigkeit, die man sich sparen kann. +-100Grad würde ich fast noch als gut hinstellen.

Entweder man nimmt PT100/PT1000 Widerstände oder ein fertiges Modul. Da gibts recht gute Umsetzer, die aus der Thermospannung ein 0-10V Signal machen für einen bestimmten Temperaturbereich. Also zb auf 0 und 600grad kalibriert sind. Oder auch -200 bis 1000 Grad. Muss man halt raussuchen. Zusätzlich ist die Thermospannung nicht linear, also weicht entlang einer Temperaturkurve um bis zu 10% ab. Dafür gibts Tabellen, die man in den Chips hinterlegt um das zu linearisieren.

Zum ausprobieren, was man schon alles kann, sind sie allerdings die hohe Schule der Elektronik. Für unerfahrene Bastler aber eher eine endlose Fehlerquelle als ein sauberes Messsystem.

ich würde wo immer es geht PT-Widerstände nehmen. Erst bei hohen Dauertemperaturen oder sehr schnellen Änderungen sind Thermoelemente die bessere Wahl. In der Genauigkeit schenken sie sich nichts.

ich würde wo immer es geht PT-Widerstände nehmen. Erst bei hohen Dauertemperaturen oder sehr schnellen Änderungen sind Thermoelemente die bessere Wahl. In der Genauigkeit schenken sie sich nichts.

Sehe ich teils anders:

Pt100 ist in der regel teurer und lohnt nur, wenn man die höhere Genauigkeit braucht. Und Pt100 ist immer deutlich genauer (soll ich mal bei Isabellenhütte und Rosemount nachlesen, was die angeben für Pt100 und Transmitter!?).

Wenn die Schaltung eine gute Widerholgenauigkeit hat, kann man besser in der Software kalibrieren.

Die meisten Pt100 gehen nicht bis 1000°C...

Ein 1mm Mantelthermoelement ist genauso schnell wie ein entsprechendes Pt100.

Für lange Kabelwege ohne Vierleitermessung empfiehlt sich Pt1000. Die Genauigkeit geht dann aber wieder runter.

Auch im Hobby kann man Thermoelemente durchaus benutzen. Man muss halt ein paar Dinge beachten.

Auf ein UTR-Plate wird der Hobbyist meistens verzichten können. :wink:

Thermoelemente fallen eher mal aus, als PT's. Das ist meine berufliche Erfahrung als Instandhalter. Wenn man mal ein bisschen googelt, findet man auch verschiedene Ausfallmechanismen für Thermoelemente. z.B. legieren die Metallübergänge am Messkopf bei höheren Dauertemperaturen durch.
Dabei kann es so hundsgemeine Fehler geben, das selbst Messwandler mit Kurzschluss- und Drahtbrucherkennung keinen Fehler sehen. Wir hatten einen Fall, das ein Heizer fast abgebrannt ist, weil das Thermoelement eine zu geringe, aber noch plausible Temperatur meldete.
In der Halbleiterei werden eher PTs verwendet. Von mechanischen Beschädigungen mal abgesehen, sind mir keine Ausfälle von PTs bekannt.
Von Thermoelementen kenne ich noch einen anderen witzigen Fehler, der auf schlechter Softwareimplementierung beruhte.
Im Winter fiel mal die Heizung aus und wir hatten in der Werkhalle knapp unter Null Grad. Frühs sponn die Produktionsanlage rum und wollte ums Verrecken nicht aufheizen. Was war passiert? Das kalte Ende der Thermoelemente meldete unter Null Grad. Vermutlich wurde im Steuerrechner intern ohne Vorzeichen gerechnet, es gab einen negativen Überlauf und die Software war der Meinung, es wäre warm genug und bräuchte nicht geheizt werden :smiling_imp:

Wo ist die Übergangsstelle?

Da gibt es viele. Termoelement-legierung auf Kabelschuh der aus Kupfer mit einer Beschichtung (Zinn?) aufgebaut ist. Dann falls Klemmen verwendet werden nochmal das gleiche; Dann das Lötzinn und die Kupferbahnen auf der Platine. Ein weitere Termoelementpaarung ist dann von der Leiterbahn zum IC über Lötzinn und im Inneren bei den Bonddrähten die (meist) aus Gold sind und dem Silizium.

All diese Termoelemente gleicher Materialien die auf beiden Polen vorhanden sind und die gleiche Temperatur haben heben sich da sie umgekehrte Polarität auf. Also zb beim IC: Kupfer - Lötzinn - Kupfer - Bonddräte-Silizium heben sich die Termospannungen auf wenn beide Pole die gleiche Spannung haben.
Grüße Uwe

uwefed:
All diese Termoelemente gleicher Materialien die auf beiden Polen vorhanden sind und die gleiche Temperatur haben heben sich da sie umgekehrte Polarität auf. Also zb beim IC: Kupfer - Lötzinn - Kupfer - Bonddräte-Silizium heben sich die Termospannungen auf wenn beide Pole die gleiche Spannung haben.
Grüße Uwe

Völlig richtig.

Vor allem:

die gleiche Temperatur haben

Anekdote dazu:

Temperaturmessung an einer Gasturbine auf dem Freifeld. Also draussen.

Morgens gestartet. Alles in Ordnung.

Shutdown am späten Vormittag.

Fehlersuche im Datalogger ergibt: unplausible Temperaturmessung.

Blick auf die Visu zeigt alles im grünen Bereich.

Neustart. Alles in Ordnung.

Nächster Morgen, Neustart. Alles in Ordnung.

Shutdown am späten Vormittag.

Gleicher Fehler, gleiche Uhrzeit.

Was war passiert?

Einer unserer Elektriker hat eine Thermoleitung mit Lüsterklemme verlängert. Die lag frei draussen herum, im Schatten des Kühlturmes.

Zu einer bestimmten Uhrzeit ist der Schatten so weit gewandert, dass ein Pol der Lüsterklemme in der Sonne liegt, der andere noch im Schatten.

Shutdown!

Bis man vor Ort ist um z.B. die Leitungen durchzumessen, ist der Fehler bereits wieder verschwunden da nun beide Pole in der Sonne liegen.

Damit ich auf meine alten Tage noch was Sinnvolles lerne:

(Kupfer – X) und (Kupfer – Lötzinn – X) sollte insgesamt keinen Unterschied machen.
(Mal angenommen, das Lötzinn hat auf der Aussen- und Innenseite die gleiche Temperatur)
Habe ich das richtig verstanden?

Korrekt.

Die Addition der verschieden gepolten Thermospannungen ergibt in Summe das Gleiche.