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Thermoelemente – Technische Grundlagen für Typ K, T, J, N usw.



Was ist ein Thermoelement?

Thermoelemente sind eine spezielle Art von Temperatursensoren und kommen in vielen Bereichen der Temperaturerfassung zum Einsatz. Es gibt sie in einer Vielzahl unterschiedlicher Ausführungen und Konstruktionen. Ihre Vielseitigkeit macht Thermoelemente zu einer guten Wahl für nahezu alle Temperaturmessungen und Temperaturbereiche in Industrie, Wissenschaft usw.

Thermoelement Produktgruppen

Thermoelementen - Grundlagen

Befindet sich ein elektrischer Leiter in einem Temperaturgefälle, so entsteht im Innern des Leiters ein Elektronenfluss, verursacht durch eine dem Temperaturgefälle proportionale elektromotorische Kraft (EMK). Größe und Richtung dieser EMK sind abhängig von Größe und Richtung des Temperaturgefälles sowie dem Leitermaterial. Misst man also die Spannung zwischen den beiden freien Enden des Leiters, so ergibt sich ein Spannungsunterschied, der von der Temperaturdifferenz und den thermoelektrischen Eigenschaften des Leiters abhängig ist. Dieses Phänomen wurde 1822 von T.J. Seebeck entdeckt und ist heute als Seebeck-Effekt bekannt.

Die Spannung zwischen den beiden Leiterenden ergibt sich aus der Summe der erzeugten EMKs entlang des Leiters. Für die verschiedenen Temperaturprofile in Abbildung 2.1 ergibt sich dieselbe Thermospannung UT für die Temperaturdifferenz T1-T2, solange alle Leiter die gleichen thermoelektrischen Eigenschaften über ihre gesamte Länge aufweisen.

Für die praktische Temperaturmessung ist es natürlich nicht zweckmäßig, die Thermospannung direkt an den beiden Leiterenden zu messen, da sich das eine Leiterende ja in der zu messenden Temperaturzone befindet und die Messleitungen ebenfalls thermoelektrischen Effekten unterliegen. Sie würden dadurch einen Messfehler erzeugen. Um ein messtechnisch brauchbares Thermopaar zu erhalten, verbindet man zwei Leiter aus Metallen mit möglichst unterschiedlichen thermoelektrischen Eigenschaften an einem Ende. Dann bildet sich zwischen den beiden freien Leiterenden eine Spannung aus, die von der Temperaturdifferenz zwischen Verbindungsstelle und den freien Enden sowie der Differenz der erzeugten EMK in beiden Leitermaterialien abhängig ist. Im Prinzip entsteht die Thermospannung durch einen Fluss von Elektronen über die Verbindungsstelle, verursacht durch die unterschiedlichen elektormotori-schen Kräfte, die durch den Temperaturgradienten in den beiden Leitern erzeugt werden. Daher auch der Name Thermopaar. An dieser Stelle sollte erwähnt werden, dass die thermoelektrischen Kräfte im Bereich des Temperaturgradienten erzeugt werden und nicht nur, wie oftmals fälschlicherweise angenommen, an der Verbindungsstelle der beiden Leiter, also letztlich der Messstelle. Dies ist wichtig für die praktische Anwendung von Thermopaaren, da sich hieraus die Forderung nach Leitern mit physikalisch und chemisch homogenen Eigenschaften über deren gesamte Länge ergibt. Ebenso müssen sich die Anschlussstellen, an denen das Thermopaar mit Anschlussleitungen oder einem Anzeigegerät verbunden wird, auf gleicher Temperatur befinden. Wenn diese Bedingung nicht erfüllt wird, führt das an den Verbindungsstellen zu ungewollten Thermospannungen und damit zu einer Verfälschung des Messergebnisses. Nebenbei ergibt sich hieraus, dass man eine beliebige Anzahl von Leitermaterialien in einen solchen thermischen Messkreis einfügen kann, ohne eine Änderung des Ausgangssignals zu bewirken, solange die jeweiligen Verbindungspunkte der gleichen Temperatur ausgesetzt sind und die Leitermaterialien identisch sind. Somit ist es möglich mit Thermo- und Ausgleichsleitungen, den Messkreis vom Thermopaar bis zum Messgerät zu verlängern, ohne das Messergebnis zu verfälschen (siehe dazu Teil 2, Abschnitt 3).


Abbildung 2.1 a,b,c: Verschiedene Temperaturprofile ergeben die gleiche resultierende Thermospannung UT


Abbildung 2.2 a,b,c: Thermopaare in verschiedenen Temperaturprofilen



Die resultierende Thermospannung UT in Abbildung 2.2 ist die gleiche für alle drei Temperaturprofile, vorausgesetzt die beiden Leiter des Thermopaares besitzen über ihre gesamte Länge einheitliche thermoelektrische Eigenschaften. Die Strecke zwischen der Messstelle M und den Anschlussstellen R1 und R2 stellt den Teil des Messkreises dar, der zur Erzeugung der Thermospannungen genutzt wird. Da die beiden Anschlussleitungen, die die Enden der Thermoschenkel R1 und R2 mit einem Messinstrument verbinden, aus Kupfer mit einheitlichen thermoelektrischen Eigenschaften bestehen, ist die Ausgangsspannung aus­schließlich eine Funktion der Temperaturdifferenz zwischen den Verbindungsstellen M und R1 bzw. R2. Dies ist die Grundlage der praktischen Temperaturmessung mit Thermopaaren.

Die Messstelle M (siehe Abbildung 2.2) ist der Punkt, an dem die beiden Thermodrähte miteinander verschweißt, verlötet oder verdrillt sind. Das ist der eigentliche Sensor, der sich in dem zu messenden Medium befindet. An den beiden Kontaktstellen R1 bzw. R2 werden die beiden Ther-moschenkel an die Ausgleichs- oder Thermoleitungen angeschlossen, die das Thermopaar mit der Vergleichsstelle verbinden (siehe Teil 1, Abschnitt 2.2). Die Vergleichsstelle ist in Abbildung 2.2 das Ende der Kupferleitungen, an denen die Thermospannung UT letztlich gemessen wird. Solange diese Leitungen das gleiche Temperaturgefälle durchlaufen und die Vergleichsstelle konstant auf einer bekannten Temperatur gehalten wird, kann die Temperatur der Messstelle aus der resultierenden Thermospannung des Thermopaares abgeleitet werden. Ein Thermopaar ist eine Messeinrichtung, die zur Messung einer Temperaturdifferenz geeignet ist. Es ist nicht zu verwechseln mit einem Temperaturfühler zur Messung der absoluten Temperatur.

Zusammenfassend kann man sich die folgenden vier Punkte zum Funk-tionsprinzip von Thermopaaren merken:

• Die Kombination von zwei unterschiedlichen Metallen in einem Temperaturgradienten produziert ein elektrisches Ausgangssignal in Form einer Thermospannung.

• Thermopaare produzieren nur im Bereich des Temperaturgefälles ein Ausgangssignal.

• Genauigkeit und Stabilität kann nur dann garantiert werden, wenn beide Thermodrähte homogene thermoelektrische Eigenschaften über ihre gesamte Länge besitzen.

• Thermopaare sind Temperaturfühler, die eine Temperaturdifferenz messen. Mit ihnen lassen sich keine absoluten Temperaturen bestimmen.

Thermoelemente
Vergleichsstellentemperatur

Die Thermospannungen liegen im Bereich von einigen µV pro Grad Temperaturdifferenz. Zur Bestimmung der Temperaturwerte stehen dem Anwender Tabellen der Grundwertreihen der Thermospannungen aller gebräuchlichen Thermopaare und für die Temperaturen ihres Anwen-dungsbereiches zur Verfügung.

Wie bereits erwähnt, hängt ein genaues Messergebnis von einer bekannten (konstanten) Temperatur der Vergleichsstelle ab, da das Ausgangssignal eines Thermopaares mit Änderung der Vergleichsstellentemperatur variiert. Die oben genannten Grundwertreihen beziehen sich auf eine konstante Bezugs- bzw. Referenztemperatur der Vergleichsstelle von 0°C.

Um eine konstante und bekannte Temperatur der Vergleichsstelle garantieren zu können, wird sie für Laborzwecke in ein homogenes Gemisch aus Eis und Wasser oder ein Gefäß mit geregelter Temperatur eingebracht. In der industriellen Messtechnik wird diese Aufgabe von einer elektronischen Baugruppe übernommen. Die Temperatur der Vergleichsstelle wird erfasst und das Messsignal entsprechend korrigiert. Diese Korrektur kompensiert den Unterschied zwischen der Referenztemperatur von 0°C und der aktuellen Temperatur der Vergleichsstelle. Oftmals besitzt die Elektronik zur Vergleichsstellen-kompensation auch eine Linearisierungsfunktion zum Ausgleich der Nichtlinearitäten. Mehr Informationen zu Grundwertreihen, Linearisierung und Vergleichsstellenkompensation finden Sie in Teil 1, Abschnitt 3 und 5.

Vergleichsstellenkompensation



Wie bereits erwähnt, ist das Ausgangssignal von Thermopaaren ein Maß für die Temperaturdifferenz zwischen Messstelle und Vergleichsstelle. Um mit Thermopaaren die absolute Temperatur bestimmen zu können, muss die Vergleichsstelle auf einer konstanten und bekannten Temperatur gehalten werden. Durch die bekannte Temperatur der Vergleichsstelle ist ein Bezug zur absoluten Temperatur gegeben (siehe hierzu Abbildung 5.1).

Eine einfache Methode, um eine konstante Vergleichsstellentemperatur aufrecht zu halten, ist in Laboranwendungen üblich: Die Vergleichsstelle wird in Eiswasser getaucht, das sich in einem thermodynamischen Gleichgewichtszustand befindet. Sofern es sich um reines Eiswasser handelt, stellt sich ein konstantes Temperaturniveau bei 0°C mit einer Sicherheit von 1mK ein. Für die praktische Anwendung wird nur ein eisgefülltes Thermosgefäß benötigt. Diese Methode wurde auch zur Bestimmung der Grundwertreihen der Thermopaare eingesetzt. Daher beziehen sich die Thermospannungen der Grundwertreihen auf eine Temperatur von 0°C.

Allerdings erfordert diese Methode eine ständige Kontrolle des Eiswassers und das Nachfüllen von Eis. Sie ist deshalb für den industriellen Einsatz denkbar ungeeignet. Fehler können beispielsweise entstehen, wenn sich zu wenig Eis im Gefäß befindet oder das Eis an der Oberfläche schwimmt. Bei der Verwendung von Eis aus einem Gefrierschrank ist Vorsicht geboten.


Abbildung 5.1: Thermosgefäß mit Vergleichsstelle


Mit einer Vergleichsstellentemperatur von 0K (=-273,15°C) könnte mit Thermoelementen demnach die absolute Temperatur direkt bestimmt werden. Allerdings ist diese Vergleichsstellentemperatur nicht zugänglich. Tatsächlich ist eine Vergleichsstellentemperatur von 0°C nur eine willkürliche Festlegung, weil diese Temperatur vergleichsweise leicht eingestellt werden kann. Die in den Grundwertreihen angegebene Thermospannung, beispielsweise bei 100°C, gibt den Spannungsunterschied zur Thermospannung bei 0°C an. Demnach könnte jede andere Temperatur als Vergleichsstellentemperatur herangezogen und durch entsprechende Grundwertreihen oder eine entsprechende Korrekturspannung bezüglich 0°C genutzt werden.


Abbildung 5.2: Realisierung einer Vergleichsstelle mit 0°C mit automatischer Temperaturregelung



Für den industriellen Einsatz wurden praktische Geräte entwickelt, um die Vergleichsstelle auf einer bekannten und konstanten Temperatur zu halten. Ein Gerät nutzt den Peltier-Effekt. Hierbei wird die Temperatur an der Vergleichsstelle mittels thermoelektrischer Halbleiterbausteine, die einen Kühleffekt erzeugen, auf 0°C gehalten. Die geregelten Peltier-Elemente befinden sich - wie bei der Eiswassermethode - zusammen mit der Vergleichsstelle in einem isolierten Gefäß. Bei dieser Methode sind die Messfehler kleiner als 0,1K. In der industriellen Messtechnik werden aus praktischen Gründen auch andere Temperaturen als Vergleichsstel-lentemperatur verwendet. Die Thermospannung bezogen auf 0°C ergibt sich aus folgender Gleichung:

U0 = U(Messstelle) + U(Vergleichsstellentemperatur)

Da ein Thermopaar immer dann entsteht, wenn zwei unterschiedliche Metalle miteinander verbunden werden, entsteht also auch an den Anschlussstellen eines Messgerätes oder den Verlängerungsleitungen ein Thermopaar. Das Material der Leitung ist für die Thermospannungen im Messkreis unbedeutend. Einen Einfluss hat nur die Temperatur der Anschlussstellen, die sogenannte Klemmentemperatur. Ist die Klemmentemperatur bekannt und konstant, so kann man sie als Vergleichsstellentemperatur heranziehen. Variiert die Klemmentemperatur, weil sie sich beispielsweise im Anschlusskopf des Thermoelementes befindet, so kann das zu erheblichen Messfehlern führen.

Letztlich werden in der industriellen Messtechnik zwei Methoden für die Vergleichsstellenkompensation herangezogen: Zum einen wird bei der externen Vergleichsstelle die Temperatur im Anschlusskopf mit einem separaten Temperatursensor gemessen und als Vergleichsstellentemperatur bei der Korrektur berücksichtigt. Im anderen Fall befindet sich die Vergleichsstelle in einem temperierten Gerät, dem Vergleichsstel-lenthermostaten. Die Temperatur wird durch Heizung oder Kühlung auf einem konstanten Wert gehalten. Solch eine Einrichtung ist nur zweckmäßig, wenn die Signale mehrerer Thermoelemente über größere Entfernung übertragen werden müssen. Dann muss nur die Entfernung vom Temperaturfühler bis zum Thermostat mit hochwertigem Thermomaterial verkabelt werden. Die Strecke vom Thermostat zur Messwarte kann mit wesentlich kostengünstigeren Kupferkabeln überbrückt werden.

Viele der heutigen Messinstrumente, die für den Betrieb mit Thermoelementen entwickelt wurden, haben Anschlussstellen zum direkten Anschluss von Thermoelementen ohne die Notwendigkeit einer separaten Vergleichsstelle. Solche Instrumente besitzen eine eigene interne Vergleichsstelle, bei der die Klemmentemperatur mittels eines integrierten Messwiderstands, Thermistors oder Transistors gemessen wird. Die daraus abgeleitete Korrektur kann dann entweder auf elektronischem Wege durch Überlagern einer zusätzlichen Spannung oder bei mikroprozessor-gesteuerten Instrumenten durch Datenmanipulation erfolgen.

Materialien für Thermopaare

Die meisten elektrischen Leiter liefern ein thermoelektrisches Signal, wenn sie sich in einem Temperaturgradienten befinden. Wenn man allerdings die Spanne des zu messenden Temperaturbereiches sowie Forderungen nach Linearität und Wiederholbarkeit der Messung in Betracht zieht, ergibt sich eine eingeschränkte Materialauswahl für Thermopaare.

Über mehrere Jahrzehnte war die Auswahl geeigneter thermoelektrischer Werkstoffe das Hauptanliegen der Forschung, der Hersteller sowie staatlicher Institute. Mit den heute zur Verfügung stehenden Werkstoffen kann mit Thermopaaren im Temperaturbereich von -270 °C bis 3000°C gemessen werden. Allerdings kann nicht der gesamte Bereich mit einem einzigen Thermopaar abgedeckt werden. Dem Anwender stehen zehn genormte Thermopaare zur Auswahl. Jede Materialkombination besitzt einen definierten Anwendungstemperaturbereich sowie spezifische Eigenschaften (siehe hierzu Seite 7). Die DIN EN 60584 Teil ­­­­­­­­1 von 1995 definiert acht der zehn Thermopaare: die Typen K, T, J, N und E, sowie die Platin-Thermopaare R, S und B. Neben den Grundwertreihen der Thermospannungen legt diese Norm das international anerkannte System der Kennbuchstaben zur Unterscheidung der Thermopaare fest (siehe Teil 1, Abschnitt 3). Die ebenfalls verwendeten Typen U und L sind in der nationalen Norm DIN 43710 von 1977 beschrieben und besitzen die gleichen Thermopaarungen wie die Typen T und J. Die "alten Typen" U und L sind noch aus historischen Gründen verfügbar; es ist allerdings zu erwarten, dass sie von den modernen Thermopaaren Typ T und J in naher Zukunft abgelöst werden.

Neben den genormten Thermopaaren existiert noch eine Reihe nicht genormter Materialkombinationen mit sehr spezifischen Eigenschaften. Am bekanntesten sind die Wolfram/Wolfram-Rhenium-Thermopaare vom Typ G, C und D oder, wie sie früher bezeichnet wurden, W, W5 und W3. Sie erlauben einen Anwendungstemperaturbereich bis 2600°C.

Im Allgemeinen unterscheidet man Thermopaare in zwei Kategorien: Thermopaare aus Edelmetallen, wie die Platin/Platin-Rhodium-Typen, und Thermopaare aus unedlen Metallen, wie zum Beispiel Nickel-Chrom/Nickel und das Eisen/Kupfer-Nickel. Platin-Thermopaare sind generell zuverlässiger und stabiler. Sie sind allerdings auch sehr viel teurer. Ihr nutzbarer Messbereich erstreckt sich von Zimmertemperatur bis 2000°C, für kurzzeitigen Einsatz von -270°C bis 3000°C. Der Temperaturbereich für unedle Thermopaare ist sehr viel eingeschränkter und liegt üblicherweise zwischen 0 und 1200°C, ebenfalls etwas größer bei kurzzeitigem Betrieb. Im Vergleich zu den edlen Thermopaaren haben sie den Vorteil, dass ihr Ausgangssignal größer ist.

Ein weiteres Problem der unedlen Thermopaare liegt im Mangel der thermoelektrischen Stabilität, vor allem der häufig eingesetzte Typ K leidet hierunter. Auch die Typen E, T und J haben in jüngster Zeit diese Kritik erfahren (siehe hierzu Teil 1, Abschnitt 3). Daraus erklärt sich das gesteigerte Interesse am Thermopaar Typ N (Nicrosil-Nisil) mit der Aussicht auf Edelmetalleigenschaften zu den Preisen der unedlen Thermopaare. Der Typ N besitzt Ausgangssignale in ähnlicher Höhe wie die unedlen Thermopaare, aber einen etwas größeren Anwendungstemperaturbereich.

Thermopaare - Normen und Grundwertreihen der Thermospannungen

Eine Vielzahl von Materialpaarungen mit spezifischen thermoelektrischen Eigenschaften wurde zur Herstellung von praktischen Thermopaaren erprobt. Die erforderliche Austauschbarkeit in der industriellen Anwendung und die Wirtschaftlichkeit der Massenproduktion haben zu einer Standardisierung der Materialkombinationen geführt. Dies ergibt eine relativ kleine Anzahl von genormten Thermopaaren, mit denen der Großteil aller Temperaturmessanwendungen abgedeckt werden kann.

Heute gebräuchliche Werkstoffe für Thermopaare entsprechen den Grundwertreihen der DIN EN 60584 Teil 1 und 2 sowie der DIN EN 60584-3:2008 bzw. der DIN 43710. Die in den Normen enthaltenen Grundwertreihen tabellieren die jeweiligen Spannnungswerte mit einer Auflösung von 1µV gegenüber den entsprechenden Temperaturwerten mit einer Auflösung von 1°C. So beinhaltet die DIN EN 60584 acht Thermopaare, die durch international anerkannte Kennbuchstaben unterschieden werden. Die vollständigen Grundwertreihen und Klassen der Grenzabweichungen sind in der DIN EN 60584 aufgeführt. Es ist zu erwähnen, dass diese Tabellen nicht die Bauart und die Abmessungen der Temperaturfühler sowie der Schutzarmaturen in Betracht ziehen.

Eine kurzer Überblick über die genormten Thermopaare, deren Materialkombinationen sowie ihrer Anwendungstemperaturbereiche ist in Tabelle 3.1 und 3.2 gegeben. Die Platin-Thermopaare sind in der ersten Tabelle, Thermopaare aus unedlen Metallen in der zweiten Tabelle aufgeführt.

An dieser Stelle wollen wir die verschiedenen Thermopaare kurz vorstellen und deren spezifische Eigenschaften und Anwendungsbereiche erläutern. Hierbei ist zu beachten, dass bei Thermopaaren aus unedlen Metallen die angegebene maximale Betriebstemperatur nicht unbedingt maßgebend ist. Diese muss in Zusammenhang mit dem Drahtdurchmesser und den zulässigen Betriebstemperaturen für die Isolationsmaterialien gesehen werden.


Tabelle 3.1: Edelmetall-Thermoelemente



Tabelle 3.2: Thermopaare aus unedlen Metallen


IEC 60584-1 - Platin-10%Rhodium/Platin: Thermopaar Typ S

Das Thermopaar Typ S kann in oxidierender oder inerter Atmosphäre dauerhaft bei Temperaturen bis zu 1550°C und kurzzeitig bis zu 1700°C eingesetzt werden. Für Hochtemperaturanwendungen werden Isolati-onswerkstoffe und Schutzrohre aus hochreiner Aluminium-Oxidkeramik verwendet. Wegen seiner Empfindlichkeit gegenüber schwefel- und phosphorhaltigen Gasen benötigt dieses Thermopaar eine gasdichte Schutzhülle. Bei Temperaturen oberhalb von 1000°C können Fremdstoffe und Metalldämpfe eindiffundieren und Veränderungen der thermo-elektrischen Eigenschaften hervorrufen. Zu Verschleiß durch Diffusion kann auch der Dauerbetrieb in erhöhten Temperaturen führen, wobei das Platin durch Rhodiumanteile verunreinigt wird.

3.2 IEC 60584-1 - Platin-13%Rhodium/Platin: Thermopaar Typ R

Das Thermopaar Typ R ist dem Typ S sehr ähnlich und hat weitgehend identische Eigenschaften. Der Typ R wird generell wegen seines höheren Ausgangssignals und seiner besseren Stabilität gegenüber dem Typ S bevorzugt.

3.3 IEC 60584-1 - Eisen/Kupfer-Nickel: Thermopaar Typ J

Commonly referred to as Iron/Constantan, this is one of the few thermocouples that can be used safely in reducing atmospheres. However, in oxidising atmospheres above 550°C, degradation is rapid. Maximum continuous operating temperature is around 800°C, although for short term use, temperatures up to 1,000°C can be handled. Minimum temperature is -210°C, but beware of condensation at temperatures below ambient - rusting of the iron arm can result, as well as low temperature embrittlement.

3.4 IEC 60584-1 - Nickel-Chrom/Nickel-Aluminium: Thermopaar Typ K


Das Thermopaar Typ K wird in der industriellen Messtechnik noch immer am häufigsten verwendet. Es wurde hauptsächlich für oxidierende Umgebungen entwickelt und muss bei andersartigen Umgebungen besonders geschützt werden. Die maximale Dauerbetriebstemperatur liegt bei 1100°C, im Kurzzeitbetrieb können sogar bis zu 1350°C gemessen werden. Bei Erwärmung über 850°C kann es durch Oxidation zu irreversiblen Veränderungen der thermoelektrischen Eigenschaften kommen die zu bleibenden Messabweichungen führen. Typ K kann auch im Niedertemperaturbereich und in der Tieftemperaturmesstechnik bis zu -250°C eingesetzt werden.

Obwohl Typ K eine geringere Stabilität im Temperaturbereich zwischen 250°C und 600°C als die anderen unedlen Thermopaare aufweist, wird er auf Grund seiner breiten Anwendungsmöglichkeiten und seines Preisvorteils häufig verwendet. Speziell im Bereich zwischen 300°C und 500°C kann es zu hysteresebedingten Fehlern von mehreren Grad kommen. Obwohl Typ K wegen seiner relativ guten Strahlungshärte bevorzugt bei radioaktiven Anwendungen verwendet wird, stellt Typ N heutzutage eine weitaus bessere Alternative dar.

3.5 IEC 60584-1 - Kupfer/Kupfer-Nickel: Thermopaar Typ T

Das ursprünglich als Kupfer-Konstantan bezeichnete Thermopaar sollte nicht mit dem in der DIN 43710 : 1985 definierten Typ U verwechselt werden. Dieses Thermopaar hat eine Marktnische in der Labor-Temperaturmessung im Bereich zwischen -250°C und +400°C gefunden. Allerdings korrodiert der Kupfer Thermoschenkel oberhalb dieser Temperaturen sehr schnell. Im Bereich zwischen -200°C und +200°C is es sehr zuverlässig (±0,1K). Zu beachten sind die hohe thermische Leitfähigkeit des Kupferdrahtes und die Tatsache, dass die Kupfer-Nickel- Legierung des negativen Thermoschenkels nicht dieselbe Materialzusammensetzung wie der Typ J aufweist und somit nicht austauschbar ist.

3.6 IEC 60584-1 - Nickel-Chrom/Kupfer-Nickel: Thermopaar Typ E

Das als Chromel-Konstantan bekannte Thermopaar Typ E zeichnet sich durch sein großes Ausgangssignal aus. Typ E liefert das stärkste Signal unter den standardmäßig verwendeten Thermopaaren, obwohl diese Tatsache heutzutage durch die Verfügbarkeit von elektronischen Messverstärkern kaum noch Bedeutung hat. Der nutzbare Temperaturbereich erstreckt sich von -40°C für Tieftemperaturanwendungen bis zu 900°C in oxidierenden und inerten Gasen. Durch seine hohe Stabilität im Vergleich zu Typ K ist es für Temperaturmessungen mit hohen Genauigkeitsanforderungen besser geeignet. Im Vergleich zu Typ E weist nur noch der Typ N eine bessere Stabilität auf.

3.7 IEC 60584-1 - Platin-30%Rhodium/Platin-6%Rhodium: Thermopaar Typ B

Typ B ist eine jüngere Entwicklung aus den 50-er Jahren und kann dauerhaft bis zu 1600°C und kurzzeitig bis 1700°C eingesetzt werden. Es ähnelt in weiter Hinsicht den anderen Edelmetalltypen S und R, wobei sein Ausgangssignal etwas kleiner ist und es deshalb üblicherweise nicht unter 600°C eingesetzt wird. Ein interessanter praktischer Vorteil ergibt sich aus der Tatsache, dass das Ausgangssignal zwischen 0°C und 50°C vernachlässigbar klein ist. Dies macht eine Vergleichstellenkompensation überflüssig.

3.8 IEC 60584-1 - Nickel-Chrom-Silizium/Nickel-Silizium: Thermopaar Typ N

Typ N (Nicrosil-Nisil), wurde als der revolutionäre Nachfolger des Thermopaares Typ K angekündigt, da es bei ähnlichen thermoelektrischen Eigenschaft nicht dessen Schwächen aufweist. Es besitzt eine weitaus geringere oxidationsbedingte Drift und Probleme wie Hysterese und Instabilität treten nicht auf (siehe hierzu auch Teil 1, Abschnitt 2.4).

Typ N kann in weiteren Temperaturbereichen als Typ K eingesetzt werden: Von 0°C bis 1100°C im Dauerbetrieb und bei kurzzeitigen Anwendungen von -270°C bis 1300°C.

Im Wesentlichen wurde die Oxidationsbeständigkeit durch die Kombination höherer Anteile an Chrom und Silizium im positiven Thermoschenkel (Nicrosil) verbessert. Zudem bilden im negativen Thermodraht ein höherer Silizium- und Magnesiumanteil eine schützende Diffusionsbarriere.

Der Typ N hat eine stark verbesserte Stabilität im Bereich zwischen 300°C und 500°C, die dem Typ K in diesem Bereich fehlt. Beim Typ N liefern die hohen Anteile an Chrom und Silizium eine verbesserte magnetische Stabilität. Außerdem leidet Typ N nicht an den Langzeitdrift-Problemen verbunden mit Diffusion in mineralisolierten Mantel-Thermoelementen. (Dabei handelt es sich hauptsächlich um Diffusion des Magnesiums und Aluminiums aus dem negativen Thermodraht in den positiven Themoschenkel.) Diffusion ist beim Typ N praktisch ausgeschlossen, da beide Leiter nur Spuren von Magnesium und Aluminium enthalten.

Und zu guter Letzt ist die Stabilität gegenüber radioaktiver Strahlung verbessert, da der negative Thermoschenkel kein Magnesium, Aluminium und Kupfer enthält.

Typ N, der Neuling im Feld der Temperaturmessung mit Thermopaaren, wurde 1984 in die IEC 60584 aufgenommen und anschließend in die DIN EN 60584, 1996 eingegliedert. Nach seinem Erscheinen wurde behauptet, dass Typ N die anderen unedlen Thermopaare (E, J, K und T) überflüssig machen würde. Ein weiterer Anspruch, den Hersteller und Konfektionierer geltend machen ist, dass der Typ N viele der Eigenschaften der Edelmetall-Thermopaare besitzt und dennoch zu den Preisen der unedlen Thermopaare verfügbar ist.

In der Tat kann Typ N bis zu einer maximalen Temperatur von 1280°C, selbstverständlich abhängig von den Einsatzbedingungen, anstelle der Thermopaare vom Typ R oder Typ S verwendet werden, die das 10- bis 20-fache kosten. Obwohl die Akzeptanz des Typ N langsamer wächst als anfänglich angenommen, ist zu erwarten, dass sich mit der Entwicklung von Nicrobell und ähnlichen Legierungen und deren Einsatz als Schutzrohre bei hohen Temperaturen das Einsatzgebiet für Thermopaare vom Typ N ausweitet. Es gibt keinen Zweifel daran, dass Typ N grundsätzlich ein hochwertigeres Thermopaar im Vergleich zu den anderen unedlen Typen darstellt.

3.9 IEC 60584-1 - Typ C - Wolfram - 5% Rhenium gegenüber Wolfram - 26% Rhenium

Früher als W5 bekannt, bieten Thermoelemente vom Typ C (und alle Kombinationen aus Wolfram-Rhenium-Legierungen im Allgemeinen) relativ hohe und relativ lineare EMF-Ausgänge für Hochtemperaturmessungen. Diese Arten von Thermoelementen sollten im Vakuum, in inerten Atmosphären oder in trockenen Wasserstoffanwendungen verwendet werden. Über 1200°C kann Wolfram durch Rekristallisation spröde werden.

3.10 IEC 60584-1 - Typ A - Wolfram - 5% Rhenium gegenüber Wolfram - 20% Rhenium

Ähnlich wie Typ C oben, haben Thermoelemente vom Typ A einen leicht erweiterten Temperaturbereich, bis zu 2500°C.

3.11 Nicht Genormte Thermopaare

Obgleich über die Jahre viele nicht genormte Thermo­paare entwickelt wurde, sind diese, mit Ausnahme von ganz speziellen Anwendungsfällen, aufgrund historischer Gegebenheiten heutzutage fast nicht mehr in Gebrauch. Vier nicht in der Norm erfasste Thermopaare haben dennoch ihren Platz in der elektrischen Temperaturmessung beibehalten.

3.12 Wolfram/Rhenium Thermopaar

Drei Varianten dieser Kombination sind üblicherweise verfügbar:

• Typ G Wolfram/Wolfram-26%Rhenium
• Typ C Wolfram-5%Rhenium/Wolfram-26%Rhenium
• Typ D Wolfram-3%Rhenium/Wolfram-25%Rhenium

Früher waren diese auch unter den Kennbuchstaben W, W5 und W3 bekannt. Unter ihnen ist der Typ G der preisgünstigste; allerdings kann es bei durch Versprödung des Wolframleiters zu Problemen kommen. Alle drei Typen können bis ca. 2600°C eingesetzt werden, kurzzeitig auch im Vakuum oder in reinem Wasserstoff. In Inertgas sind sie sogar bis 2750°C einsetzbar. Allerdings kann es bei Temperaturen oberhalb von 1800°C durch Verdampfung des Rheniums zum Versagen der Fühler kommen. Als Isolationsmaterialien werden gewöhnlich Berylliumoxid- und Thoriumoxid-Keramiken empfohlen. Diese Materialien reagieren im oberen Temperaturbereich mit den Leitermaterialien und führen so zu irreversiblen Veränderungen der thermoelektrischen Eigenschaften.

3.11 Iridium-40%Rhodium/Iridium

Bemerkenswert ist dieses Thermopaar weil es als einziges (kurzfristig) bis zu 2000°C ohne Schutzarmaturen verwendet werden kann. Dieser Fühler kann ebenfalls im Vakuum und in inerter Gasatmosphäre eingesetzt werden. Allerdings muss auf Versprödung nach dem Gebrauch bei hohen Temperaturen geachtet werden. Der Anwender muss sich auf eine Kalibrierung durch den Hersteller oder ein Kalibrierlabor verlassen.

3.12 Platin-40%Rhodium/Platin-20%Rhodium

Dieser Typ wird an Stelle des Thermopaares Typ B (siehe Abschnitt 3.3) empfohlen, wenn höhere Temperaturen gefordert sind. Er kann dauerhaft bei 1700°C und für kurzzeitige Messungen bis zu 1850°C verwendet werden. Darüber hinaus gelten die Anwendungsregeln wie für den Typ S (siehe Abschnitt 3.1.) Wie beim vorherigen Thermopaar gibt es auch hier keine normierten Grundwertreihen der Thermospannungen, jedoch ist gewöhnlich eine Kalibrierung durch den Hersteller verfügbar.

3.13 Nickel-Chrom/Gold-0,07%Eisen

Dies ist das ideale Thermopaar für die Tieftemperaturmesstechnik. Dieser Typ wurde entwickelt, um Temperaturen unter -272°C zu messen. Die entsprechenden Grundwertreihen sind üblicherweise durch den Hersteller verfügbar.

Typ Internationale Farbkennzeichnung nach IEC 60584-3 ANSI/MC96.1 Ehemalige nationale Farbkennzeichnungen
BS 1843DIN 43714 NFC 42324
K IEC60584-3 Type K Thermoelement ANSI MC96.1 Type K Thermoelement BS1843 Type K ThermoelementDIN 43714 Type K Thermoelement NFC 42324 Type K Thermoelement
J IEC60584-3 Type J Thermoelement ANSI MC96.1 Type J Thermoelement BS1843 Type J ThermoelementDIN 43714 Type J Thermoelement NFC 42324 Type J Thermoelement
T IEC60584-3 Type T Thermoelement ANSI MC96.1 Type T Thermoelement BS1843 Type T ThermoelementDIN 43714 Type T Thermoelement NFC 42324 Type T Thermoelement
N IEC60584-3 Type N Thermoelement ANSI MC96.1 Type N Thermoelement BS1843 Type N Thermoelement
E IEC60584-3 Type E Thermoelement ANSI MC96.1 Type E Thermoelement BS1843 Type E ThermoelementDIN 43714 Type E Thermoelement NFC 42324 Type E Thermoelement
R IEC60584-3 Type R Thermoelement ANSI MC96.1 Type R Thermoelement BS1843 Type R Thermoelement
S IEC60584-3 Type S Thermoelement ANSI MC96.1 Type S Thermoelement BS1843 Type S Thermoelement DIN43714 Type S Thermoelement NFC 42324 Type S Thermoelement

Thermoelement Toleranzen

Praktisch gesehen können Thermopaare nicht immer so hergestellt werden, dass ihre thermoelektrischen Eigenschaften exakt den genormten Grundwertreihen der Thermospannungen entsprechen. Deshalb wurden Klassen von Grenzabweichungen für Thermopaare definiert (siehe Tabelle 3.3).

Die Toleranzklassen und die entsprechenden Grenzabweichungen wurden 1994 in der DIN EN 60584 Teil 2 definiert. Standardmäßig liefern Hersteller Thermopaare innerhalb der angegebenen Toleranzklassen. Die in der DIN EN 60584 Teil 2 bzw. der IEC 60584 Teil 2 angegebenen Toleranzwerte beziehen sich auf Thermopaare mit Drahtdurchmessern zwischen 0,1 mm und 3 mm. Mögliche Verschiebungen der Kalibrierung durch die Bauart der Temperaturfühler und deren Gebrauchweise sind in der Norm nicht in Betracht gezogen.


Tabelle 3.3: Klassen der Grenzabweichungen für Thermopaare DIN EN 60584-2 bzw. IEC 60584 Teil 2



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