Thermoelemente - theoretische Grundlagen

Thermoelemente - Technologie

Das Thermoelement gehört zu den einfacheren Sensoren und kann sowohl robust als auch kostengünstig sein, sodass es sich ideal für den Einsatz in industriellen Anwendungen eignet.

Ein Thermoelement besteht aus zwei Metalldrähten unterschiedlichen Materials, die an der Messstelle (heiße Verbindungsstelle) miteinander verbunden sind. Die vom Thermoelement ausgegebene Spannung ist proportional zur Temperaturdifferenz zwischen der Verbindungsstelle und dem kalten Ende der Drähte. Da es sich um eine sehr kleine und zudem nicht lineare Spannung handelt, stehen die Hersteller von Thermoelement-Messgeräten bei der Entwicklung ihrer Produkte vor großen Herausforderungen. Wenn die Messinstrumente jedoch richtig konstruiert sind, ist das Thermoelement einen sehr kostengünstigen Sensor, der bei Bedarf einfach ausgetauscht werden kann.

Thermoelemente - Theorie

Ein Thermoelement hat mindestens zwei Verbindungsstellen, eine heiße (Messstelle) und eine kalte Verbindungsstelle. Letztere wird auch als Vergleichsstelle bezeichnet. Diese Vergleichsstelle ist der Punkt, an dem die beiden Drähte des Thermoelements an das Messgerät, z. B. an einen Datenlogger, angeschlossen werden. Genau dort befindet sich die Übergangsstelle von den Metallen des Thermoelements zum Metall im Messgerät, das bei den meisten elektronischen Datenaufzeichnungsgeräten Kupfer ist.

Die vom Thermoelement ausgegebene Spannung zeigt die Temperaturdifferenz zwischen der Messstelle und der Vergleichsstelle an. Dieser Effekt wurde 1821 von Thomas Seebeck entdeckt. Er stellte fest, dass ein Stromkreis aus zwei verschiedenen elektrischen Leitern die Position einer Kompassnadel veränderte, wenn eine der Verbindungsstellen erwärmt wurde.

Alle Arten von Thermoelementen weisen diese charakteristische Seebeck-Spannungskurve auf. Die Seebeck-Kurve ist von den Metallen, die für die beiden Drähte des Thermoelements verwendet werden, abhängig. Die erzeugte Spannung wird in Millivolt (mV) gemessen. Nahezu alle Thermoelementdrähte bestehen aus Legierungen, deren Homogenität ausschlaggebend für die Messgenauigkeit des Systems ist.

Es ist zu beachten, dass die Spannung nicht an der Messstelle, sondern entlang des Drahtes in den Bereichen erzeugt wird, in denen ein Temperaturgradient, also eine Temperaturänderung entlang einer Strecke, auftritt. Sollte eine sehr hohe Messgenauigkeit gefordert sein, muss die Genauigkeit des Thermoelements also vor dem Einsatz überprüft werden.

Thermoelemente - Typen

Thermoelemente werden danach, ob sie aus Edelmetall oder einem Nicht-Edelmetall bestehen, in zwei Hauptgruppen unterteilt. Thermoelemente aus Nicht-Edelmetallen, wie Kupfer, Eisen oder Nickel-Legierungen, sind preiswerter. Das genaue Legierungsverhältnis der Metalle in den Legierungen ist nicht festgelegt, wohl aber die Spannungs-/Temperaturkurve. Daher könnten die Drähte von Nicht-Edelmetall-Thermoelementen unterschiedlicher Hersteller auf mikroskopischer Ebene verschiedene Metallanteile aufweisen. Edelmetall-Thermoelemente bestehen aus teuren Elementen, wie Platin und Rhodium. Hier sind die genauen Reinheitsgrade und Legierungsverhältnisse wie auch die Spannung-/Temperaturkurven klar definiert.

Einige häufig verwendete Thermoelementtypen und deren Einsatzbereich sind nachstehend aufgeführt.

Thermoelement-Typ	Einsatzbereich (abhängig von Drahtisolierung)	Material
Typ K	-270 bis 1370 °C	Ni-Cr (+ve) und Ni-Al
Typ N	-270 bis 1300 °C	Ni-Cr-Si (+ve) und Ni-Si-Mg
Typ T	-270 bis 400 °C	Cu (+ve) und Cu-Ni
Typ J	-210 bis 1200 °C	Fe (+ve) und Cu-Ni
Typ E	-270 bis 1000 °C	Ni-Cr (+ve) und Cu-Ni
Typ R	-50 bis 1768 °C	Pt-13% Rh (+ve) und Pt
Typ S	-50 bis 1768 °C	Pt-10% Rh (+ve) und Pt
Typ B	0 bis 1768 °C	Pt-30% Rh (+ve) und Pt

Aufbau von Thermoelementen

Da Thermoelemente einfach herzustellen sind, besteht ein Hauptvorteil darin, dass sie genau an die gewünschte Anwendung anpassbar sind. Für die Lebensmittelindustrie können sie beispielweise mit Spitzen versehen werden, damit sie mühelos in das Produkt eindringen, während sie bei der Wärmebehandlung von Metallen möglicherweise direkt an das Produkt geschweißt werden. Auch können die Sensorfühler flach ausgeführt sein, um einen besseren thermischen Kontakt zu gewährleisten, oder auch an Magneten befestigt werden, was die Montage vereinfacht.

Die Isolierung der Drähte kann aus flexiblem Material wie PTFE oder auch aus einem Glasfasergeflecht bestehen, wenn eine höhere Temperaturbeständigkeit benötigt wird. Für noch höhere Temperaturen sind Ummantelungen aus Metall oder Keramik erhältlich.

Thermoelement zur Temperaturerfassung, -messung und -regelung food probes temperature probes digital probes

Thermoelement-Messgeräte

Um eine bestmögliche Messgenauigkeit zu gewährleisten, müssen die elektronischen und mechanischen Komponenten der Messgeräte für Thermoelemente, wie Datenlogger, sorgfältig konstruiert sein. Ihr mechanischer Aufbau muss gewährleisten, dass der Vergleichsstellen-Sensor die gleiche Temperatur wie der Punkt besitzt, an dem die Thermoelementdrähte an die Kupferbahnen/-drähte der Leiterplatte angeschlossen sind. Wenn der Vergleichsstellen-Sensor die Temperaturänderungen nicht genau erfassen kann, tritt ein entsprechend großer Messfehler auf. Es muss unbedingt sichergestellt werden, dass in diesem Bereich keine Temperaturgradienten auftreten.

Da die vom Thermoelement ausgegebene Spannung möglicherweise nur 4 uV/°C beträgt, muss sie verstärkt werden, bevor das Signal digitalisiert werden kann. Thermoelemente bestehen zumeist aus zwei langen parallelen Drähten und kommen häufig in elektrisch rauschbelasteten Umgebungen zum Einsatz, wo sie als Antenne wirken und Störsignale aufnehmen. Daher müssen die elektronischen Komponenten mit großer Sorgfalt konstruiert werden, um unerwünschte Signale herauszufiltern.

Vereinfachtes Darstellung eines Thermoelementinstruments

Zusammenfassung

Thermoelemente sind kostengünstig, robust und decken einen weiten Temperaturbereich ab. Schätzungen zufolge werden mehr als die Hälfte aller Temperaturmessungen in der US-amerikanischen Industrie mit Thermoelementen durchgeführt. Die Ausgangsspannungen sind niedrig und nichtlinear, aber wenn das Messgerät oder der Datenlogger jedoch sorgfältig konstruiert ist, liefert das Messsystem genaue und wiederholbare Ergebnisse.

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