Thermoelemente – Die Grundlagen

Inhalt

1. Thermoelement-Grundprinzip
2. Kalibrierung und Nichtlinearität
3. Kaltstellenkompensation
4. Thermoelement-Materialtypen
5. Zusammenfassung

Thermoelement-Grundprinzip

Wenn entlang eines Leiters ein Temperaturgradient besteht, fließen Elektronen und erzeugen eine Spannung (EMK). Dieses Phänomen – entdeckt von Thomas Seebeck im Jahr 1822 – bildet die Grundlage für die Funktionsweise von Thermoelementen. Stärke und Richtung der EMK hängen sowohl vom Temperaturgradienten als auch von den Materialeigenschaften ab.

Ein einzelner homogener Leiter erzeugt jedoch in einem geschlossenen Stromkreis keine messbare Spannung, da sich die internen elektromotorischen Kräfte aufheben. Um ein nutzbares Signal zu erzeugen, werden zwei unterschiedliche Leiter (Material A und B) zu einem Thermoelement verbunden. Bei einem Temperaturgradienten (Abbildung 2.1) reagieren diese Materialien unterschiedlich und erzeugen eine Netto-EMK (Abbildung 2.2).

i Kernpunkt : Die elektromotorische Kraft entsteht nicht an der Verbindungsstelle selbst, sondern entlang des Leiters, wo der Temperaturgradient besteht. Daher:

• Leiter müssen bei auftretenden Gradienten chemisch und physikalisch einheitlich sein.
• Um unerwünschte elektromotorische Kräfte zu vermeiden, müssen sich die Verbindungsstellen in isothermen Zonen (mit konstanter Temperatur) befinden.

Solange die Leiter homogen sind, ist die zwischen den Temperaturen T1 und T2 erzeugte elektromotorische Kraft unabhängig von der Gradientenverteilung gleich (siehe Abbildung 2.2). Die Ausgabe des Thermoelements wird ausschließlich durch die Temperaturen an zwei Punkten bestimmt:

• M : die Messstelle
• R : die Referenzverbindung (Punkt an dem die unterschiedlichen Drähte mit Kupfer verbunden werden)

Die Vergleichsstelle muss auf einer bekannten, stabilen Temperatur gehalten werden. Aus diesem Grund handelt es sich bei Thermoelementen um Differenz- und nicht um Absoluttemperatursensoren.

Kalibrierung und Nichtlinearität

Thermoelemente erzeugen kein lineares Spannungs-Temperatur-Verhältnis. Das Verhältnis variiert je nach Temperaturbereich und Material. Deshalb sind  Kalibriertabellen unerlässlich – sie verknüpfen die Thermoelementspannung mit den entsprechenden Temperaturen.

Abbildung 2.3 zeigt, wie sich die Seebeck-Koeffizienten (Spannungsempfindlichkeit) bei verschiedenen Thermoelementtypen unterscheiden. Für genaue Temperaturmessungen müssen die Thermoelementspannungen anhand dieser Kalibrierkurven interpretiert oder mittels Interpolation und Signalverarbeitungselektronik umgewandelt werden.

Kaltstellenkompensation

Kalibriertabellen gehen davon aus, dass die Referenzstelle bei 0 °C liegt. Unter realen Bedingungen ist dies jedoch nicht immer möglich.

Traditionell wurden Vergleichsstellen in schmelzendem Eis oder temperaturgeregelten Blöcken platziert. Heutzutage erfolgt die Kompensation elektronisch – typischerweise mit einem Thermistor oder einem ähnlichen Sensor in der Nähe der Vergleichsstelle. Dieses Gerät erfasst die tatsächliche Temperatur und korrigiert den Thermoelementwert automatisch.

i Linearisierungs- und Kompensationselektronik sind heute in den meisten Industriesystemen Standard, gewährleisten Genauigkeit über einen weiten Temperaturbereich und korrigieren Nichtlinearitäten.

Thermoelement-Materialtypen

Obwohl viele Leiter thermoelektrische Effekte aufweisen, eignen sich nur wenige für die praktische Temperaturmessung. Wichtige Überlegungen sind:

• Signalstärke
• Linearität
• Stabilität über Zeit und Temperatur
• Wiederholbarkeit

Über Jahrzehnte hinweg wurden bestimmte Kombinationen von Metallen und Legierungen in international anerkannte Typen standardisiert (z. B. Typen K, J, T, E, N, R, S und B), definiert durch Standards wie BS EN 60584-1 Und IEC 60584 .

Thermoelemente werden grob in folgende Gruppen eingeteilt:

• Basismetallarten (z. B. K, J, T): Günstiger, mit höheren Signalausgängen. Typischer Bereich: 0–1.200 °C.
• Edelmetall-/Seltene Metallarten (z. B. R, S, B): Stabiler und genauer, aber teurer. Typischer Bereich: Umgebungstemperatur bis über 2.000 °C.

⚠️ Hinweis zu Typ K Typ K ist zwar weit verbreitet, kann aber bei hohen Temperaturen oder über längere Zeiträume instabil sein. Als Alternative wurde Typ N (Nicrosil/Nisil) entwickelt. Er bietet verbesserte Stabilität und einen erweiterten Temperaturbereich bei gleichbleibend günstigen Preisen für unedle Metalle.

Zusammenfassung

Thermoelemente funktionieren, indem sie als Reaktion auf einen Temperaturgradienten eine elektromotorische Kraft (EMK) erzeugen, wobei die Ausgangsspannung vom Gradienten und den verwendeten Materialien abhängt. Dieser 1822 von Seebeck entdeckte Effekt ist die Grundlage von Thermoelementsensoren, die zwei unterschiedliche Materialien benötigen, um eine nutzbare Spannung zu erzeugen. Das Ausgangssignal wird von der Temperatur der Mess- und Referenzstelle beeinflusst, wobei die Referenzstelle typischerweise auf einer konstanten Temperatur gehalten wird. Aufgrund der nichtlinearen Natur der Spannungsausgänge von Thermoelementen sind Kalibriertabellen für genaue Temperaturmessungen erforderlich. Die Kaltstellenkompensation, die oft elektronisch oder durch Platzierung der Referenzstelle in einer kontrollierten Umgebung erfolgt, korrigiert Schwankungen der Referenzstellentemperatur. Thermoelementmaterialien werden anhand von Faktoren wie Temperaturbereich, Signalstärke und Wiederholbarkeit ausgewählt. Edelmetalle bieten eine bessere Stabilität bei höheren Kosten, während unedle Metalle günstiger, aber weniger stabil sind.

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