Thermoelement-Verstärker

Für Temperaturen, bei denen Halbleiter und Platin aufgeben, ist das Thermoelement das Mittel der Wahl: im Pizzaofen, im Brennofen, am Auspuff, an der Lötspitze. Zwei verschiedene Metalle, an der Spitze verschweißt, erzeugen eine Spannung, die mit dem Temperaturunterschied zwischen Spitze und Anschlussklemme wächst. Beim verbreiteten Typ K (Nickel-Chrom gegen Nickel-Aluminium) sind das nur rund 41 µV pro Kelvin.

Ein Thermoelement-Verstärker muss deshalb drei Dinge leisten: ein Signal von wenigen Millivolt mit sehr kleinem Offset verstärken, die Temperatur der Anschlussklemme mitmessen und daraus die wahre Temperatur der Spitze berechnen. Hier baust du ihn für Typ K von etwa 0 bis 500 °C an einem 3,3-V-Mikrocontroller.

Schaltplan

• Thermoelement Typ K: Plusschenkel NiCr, Minusschenkel NiAl. Die Klemme, an der es auf Kupfer übergeht, ist die Vergleichsstelle.
• TMP36 (nicht gezeichnet): analoger Temperatursensor direkt an der Klemme, 10 mV/°C mit 0,5 V Offset. Er misst die Temperatur der Vergleichsstelle für den zweiten ADC-Kanal.
• IC1A, ½ OPA2333: Zero-Drift-OPV, höchstens 10 µV Offset, Rail-to-Rail an 1,8 bis 5,5 V. Als nichtinvertierender Verstärker verstärkt er um 1 + R₂/R₁ = 151.
• Bezug 0,25 V: Teiler 120 kΩ/10 kΩ an 3,3 V, gepuffert von IC1B als Spannungsfolger. Er hebt Minusschenkel und R1 an, damit auch Spitzen kälter als die Klemme messbar bleiben.
• R5, C3: Tiefpass mit 160 Hz gegen Störungen, die das lange Thermoelement einfängt.
• R6, 10 MΩ: erkennt einen Fühlerbruch. Ist das Thermoelement offen, zieht er den Eingang hoch, und der Ausgang schlägt an.

So funktioniert die Schaltung

Die Spannung entsteht nicht an der Spitze. Ein Thermoelement misst immer einen Unterschied. Die Thermospannung wächst mit der Temperaturdifferenz zwischen der Messstelle an der Spitze und der Vergleichsstelle an der Klemme. Bei 500 °C an der Spitze und 25 °C an der Klemme misst du E(500 °C) − E(25 °C) = 20,644 mV − 1,000 mV = 19,644 mV. Erst wer die Klemmentemperatur kennt, kann die Spitzentemperatur ausrechnen. Diese Vergleichsstellenkompensation übernimmt hier das Programm mit dem Messwert des TMP36.

Verstärker. Der OPV verstärkt die Thermospannung 151-fach. Weil der Minusschenkel und R1 auf dem Bezug von 0,25 V liegen, wird nur die Thermospannung verstärkt, nicht der Bezug:

Warum Zero-Drift? Die Offsetspannung des OPVs addiert sich zur Thermospannung. Beim OPA2333 sind das höchstens 10 µV, also 0,25 K. Ein LM358 mit 7 mV Offset würde die Anzeige um 170 K verschieben – unbrauchbar. Für Thermoelemente kommen nur Präzisions- oder Zero-Drift-Typen infrage; die Hintergründe stehen in Operationsverstärker in der Praxis.

Dimensionierung

1. Verstärkung. Der Ausgang des OPA2333 reicht von 0,05 bis 3,25 V. Abzüglich des Bezugs bleiben nach oben rund 3,0 V. Für 500 °C bei 25 °C Klemmentemperatur, also 19,6 mV:

Mit R1 = 1 kΩ und R2 = 150 kΩ aus der E24-Reihe wird G = 151.

2. Bezug. Der Teiler 120 kΩ/10 kΩ liefert 3,3 V · 10 / 130 ≈ 0,254 V. Unter dem Bezug bleiben bis zur unteren Grenze von 0,05 V noch 0,2 V, das entspricht 0,2 V / 151 / 41 µV/K ≈ 33 K unter der Klemmentemperatur.

3. Messbereich.

• Spitze 25 °C (gleich der Klemme): 0,254 V
• Spitze 100 °C: 0,254 V + 151 · (4,096 − 1,000) mV ≈ 0,72 V
• Spitze 500 °C: 0,254 V + 151 · 19,644 mV ≈ 3,22 V

Bei 25 °C an der Klemme misst die Schaltung von etwa −8 bis 505 °C.

4. Auflösung. Ein 12-Bit-ADC an 3,3 V unterscheidet 0,81 mV. Am Eingang sind das 0,81 mV / 151 ≈ 5,3 µV, also 0,13 K.

5. Fehlerbudget.

• Offset des OPA2333: höchstens 10 µV, also 0,25 K; die Drift von 0,05 µV/K spielt keine Rolle.
• R1 und R2 mit 0,1 %: bis 0,2 % Verstärkungsfehler, bei 500 °C rund 1 K.
• R6 schickt etwa 0,3 µA durch das Thermoelement. An 20 Ω Schleifenwiderstand sind das 6 µV oder 0,15 K. R6 sitzt bewusst vor R5: Dort würden die 0,3 µA 3 mV erzeugen.
• Die Genauigkeit des TMP36 von typisch ±1 °C geht 1:1 ein.
• Das Thermoelement selbst: Klasse 2 erlaubt ±2,5 K oder 0,75 % des Messwerts.

Der Fühler und der Sensor an der Klemme dominieren also, nicht der Verstärker.

6. Linearisierung. Das Programm rechnet zuerst die Klemmentemperatur in eine Thermospannung um, addiert sie und rechnet dann mit einem Polynom aus der Normtabelle zurück:

const float BEZUG = 3.3 * 10.0 / 130.0;   // V
const float G = 151.0;
// Kehrpolynom Typ K, 0 … 500 °C (Thermospannung in mV → °C)
const float D[] = {0, 25.08355, 7.860106e-2, -2.503131e-1, 8.315270e-2,
                   -1.228034e-2, 9.804036e-4, -4.413030e-5, 1.057734e-6, -1.052755e-8};

float volt(int pin) {
  long s = 0;
  for (int i = 0; i < 16; i++) s += analogRead(pin);
  return s / 16.0 * 3.3 / 4095.0;
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  analogReadResolution(12);
}

void loop() {
  float ua = volt(26);                            // OPV-Ausgang
  if (ua > 3.2) { Serial.println("Fühlerbruch?"); delay(1000); return; }
  float t_klemme = (volt(27) - 0.5) * 100.0;      // TMP36
  float e_klemme = 0.0395 * t_klemme + 2e-5 * t_klemme * t_klemme;  // mV, 0 … 50 °C
  float e = (ua - BEZUG) / G * 1000.0 + e_klemme; // mV gegen 0 °C
  float t = 0, p = 1;
  for (int i = 0; i < 10; i++) { t += D[i] * p; p *= e; }
  Serial.println(t, 1);
  delay(500);
}

Bauteilliste

Varianten

Fertige Thermoelement-Verstärker. Der AD8495 enthält Verstärker und Vergleichsstellenkompensation und liefert direkt 5 mV/°C. Der MAX31855 oder MAX31856 digitalisiert gleich mit und gibt die Temperatur über SPI aus, inklusive Fühlerbrucherkennung. Für Einzelstücke sind Module mit diesen Chips der schnellste Weg. Die diskrete Schaltung lohnt, wenn mehrere Kanäle an einen vorhandenen ADC sollen oder du die Kette verstehen willst.

Andere Typen. Typ J (Eisen/Konstantan) liefert etwa 52 µV/K und braucht eine etwas kleinere Verstärkung; Typ T eignet sich für tiefe Temperaturen. Polynom und Verstärkung ändern sich, die Schaltung bleibt.

Höhere Temperaturen. Bis 1000 °C senkst du die Verstärkung mit R2 = 68 kΩ auf 69; der Ausgang erreicht dann 3,03 V. Die Auflösung sinkt auf rund 0,3 K pro Stufe, und das Programm braucht das Kehrpolynom für den Bereich über 500 °C.

Genauer messen. Zwischen 0 und 150 °C ist die PT100-Messschaltung genauer. Ein Thermoelement lohnt sich dort, wo es heiß wird oder der Fühler sehr dünn sein muss.

Typische Fehler

• Anzeige folgt der Raumtemperatur: Der Vergleichsstellensensor sitzt nicht an der Klemme, oder er ist ins Programm gar nicht eingerechnet. Ohne Kompensation zeigt die Schaltung die Differenz zur Klemme an.
• Temperatur sinkt, wenn die Spitze heißer wird: Plus- und Minusschenkel vertauscht. Beim Typ K ist der Minusschenkel magnetisch – ein Magnet hilft beim Zuordnen.
• Messing- oder Kupferbuchsen: Jeder Übergang zwischen verschiedenen Metallen ist ein weiteres Thermoelement. Wird die Buchse ungleich warm, entsteht ein Fehler. Verlängerungen nur mit Ausgleichsleitung des passenden Typs.
• Wert springt um viele Grad: Geerdete Fühler (Spitze mit dem Schutzrohr verschweißt) bilden über die Maschine eine Masseschleife. Isolierte Fühler nehmen oder den Verstärker potentialfrei versorgen; mehr dazu unter Masse, Erde und Ground.
• Ausgang dauerhaft bei 3,25 V: Fühlerbruch oder Kontakt in der Buchse. Das Programm sollte das melden, statt 500 °C anzuzeigen.

Selbsttest