Thermoelemente gehören im Vergleich zu Widerstandsthermometern eher zu den preiswerten Temperaturfühlern. Sie sind mechanisch robust und eignen sich je nach Thermoelement Typ für den Einsatz zwischen -200 und +2300 °C. Da Thermoelemente ein vergleichsweise kleines Signal liefern, ist der Aufwand für den Messwandler etwas grösser als für Widerstandssensoren. Trotzdem lassen sich mit geeigneten Massnahmen und unter Beachtung einiger Grundregeln präzise Messungen mit Thermoelementen durchführen.
Toleranzklassen für Thermoelemente
Amerikanische Hersteller orientieren sich an den Normen ASTM E230 / E230M und ANSI MC 96.1. In Europa gilt die DIN EN 60584-1:2014-07
Beispiel Thermoelement Draht Typ T, Europäischer Hersteller
| Typ- Thermopaar +/- | Klasse 1 | Klasse 2 | Klasse 3 |
|---|---|---|---|
| T - Cu/CuNi | ± [0,5 °C oder 0,4 %] * t | ± [1 °C oder 0,75 %] * t | ± [1 °C oder 1,5 %] * t |
| - 40 °C bis + 350 °C | - 40 °C bis + 350 °C | -200 °C bis + 40 °C |
Grenzabweichungen Klasse 1, Klasse 2 und Klasse 3 für Thermoelement Typ T
Beispiel Thermoelement Draht Typ T, US Hersteller
Standard Limits und Special Limits Toleranzen für Termoelement Typ T
Fabrikation von Thermoelementen mit engen Toleranzen
Grundsätzlich gilt: Je dünner der Draht, umso schwieriger ist die Herstellung eines Thermoelementes mit engen Toleranzen.
- Special Limits
Aus ausgesuchten Grund-Materialien (für Thermoelement Typ T sind dies Kupfer und Kupfer-Nickel) kann rel. einfach eine 7-adrige Litze in „special limits“ Toleranz hergestellt werden.
Bei der Herstellung und Verarbeitung von Drähten können metallurgische Veränderungen entstehen, was sich letztendlich auf die Genauigkeit des Thermoelementes auswirkt. Bei dünnen Drähten ist dieses Risiko grösser, als bei dickeren Drähten. Für Anwendungen mit mechanischer Beanspruchung oder Bewegung haben sich (7-adrige) Litzen am besten bewährt. - Noch engere Selektion
Nach der Fertigung der Thermopaare lassen sich bei dicken Drähten (≥ AWG22 (7xAWG30)) durch Kalibrierung und anschliessende Selektion Lose finden, die noch engere Toleranzen haben, als die „special limits“ bzw. Klasse 1. Eine solche Kalibrierung erfolgt in der Regel an beiden Enden der Drahtrolle und man geht davon aus, dass der ganze Draht die gleiche Qualität hat. Lose mit engeren Toleranzen als „special“ werden unter Phantasienamen wie beispielsweise „selected grade“, „premium grade“ etc. verkauft.
Wichtig zu wissen ist, dass die ANSI Norm für Thermoelemente nur die 2 Klassen „standard“ und „special limits“ beschreibt.
Die aktuelle DIN EN 60584 beschreibt 3 Klassen, wobei die Klasse 3 im Wesentlichen den Tieftemperaturbereich bis -200 °C abdeckt.
Historische Gründe für das Selektionieren von Thermoelementen
Das Aussuchen von Thermoelement Draht mit engeren Toleranzen hat seinen Ursprung in den Anfängen der Mehrkanal Schreiber, die für genaue Temperaturmessungen mit Thermoelementen eingesetzt werden sollten (um 1980). Diese Geräte hatten nicht die Möglichkeit, eine Kalibrierung/Justierung pro Messkanal vorzunehmen. Das Aussuchen von Sensoren, mit engeren Toleranzen als die Norm beschreibt, war damals die einzige Möglichkeit, mit einem Mehrkanalgerät den Anforderungen an hohe Messgenauigkeit mit Thermoelementen gerecht zu werden.
Mit der heutigen Technologie der Datenerfassungsgeräte ist es möglich, jeden Messkanal einzeln zu kalibrieren und zu justieren, sodass die Anfangs-Genauigkeit der Thermoelemente in der Praxis keine Rolle spielt. Deren Fehler werden durch die Kalibrierung mit anschliessender Justierung grösstenteils korrigiert / kompensiert.
Qualität ist wichtig
Auch wenn Abweichungen der Thermoelemente in modernen Mehrkanal Datenerfassungsgeräten durch kanalweise Kalibrierung / Justierung kompensiert werden können, ist es trotzdem wichtig, qualitativ hochwertiges Thermoelement Material zu verwenden. Beispielsweise kann ein Thermoelement entlang seiner Länge metallurgische Inhomogenitäten aufweisen, welche zu einem temperaturabhängigen Fehler führen (gemeint ist die Temperatur entlang des Drahtes, nicht die an der Messstelle). Der Herstellungsprozess, die Erfahrung des Herstellers und eine lückenlose Qualitätssicherung bei der Herstellung des Drahtes und der Thermoelemente stellen dabei sicher, dass solche Fehler minimal bleiben. Als Faustregel gilt auch hier, dass eine dickere Litze weniger gefährdet ist als ein dünner Draht.
