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Thermoelemente

Thermoelemente finden als aktive Sensoren breite Anwendung in der Mess- und Regeltechnik. Sie messen die Temperatur über den sehr großen Temperaturbereich von -200 °C bis zu +1700 °C. Sie finden Einsatz im Anlagen-, Maschinen- und Gerätebau, aber auch zur Temperaturbestimmung in Salz-und Metallschmelzen. Thermoelemente stellen in vielen Hochtemperaturanwendungen eine preisgünstige Alternative zu Pyrometern dar.

Technische Informationen zu Thermoelementen

Auf einen Blick

  • robuste Sensoren für universelle Einsatzmöglichkeiten
  • variable Abmessungen
  • Typen J, K, L sowie R, S, B
  • Temperaturbereich -200 °C … +1300 °C (bauartabhängig)
  • Sondertypen bis +2300 °C
  • als Mantelthermoelement verfügbar
  • Durchmesser ab 1,5 mm

Anwendung

  • Metallschmelzen
  • Hochöfen
  • Fabrikschornsteine
  • Abgasmessungen
  • Laborbetriebe

Branchen

  • Antriebstechnik
  • Maschinen- und Anlagenbau
  • Energieerzeugung
  • Sanitär-, Heizungs- und Klimatechnik
  • Labor- und Versuchsanlagen

Technische Informationen zu Thermoelementen

Allgemein

Thermoelemente bestehen aus zwei unterschiedlichen elektrischen Leitern, in der Regel sind das Metalle, die miteinander zu einem Stromkreis verbunden sind. Man hat also zwei Übergangsstellen von einem Material auf das andere, die Messtelle und die Vergleichsstelle. Sind die Temperaturen der beiden Übergangsstellen ungleich, so bildet sich eine elektrische Spannung zwischen den beiden Materialien. Dies ist das Resultat eines thermoelektrischen Effektes (Seebeck-Effekt).

Verwendung

Die meisten Thermoelemente werden in Metallschmelzen, in Abgasen von Hochöfen oder Fabrikschornsteinen eingesetzt. Mantelthermoelemente kommen wegen ihrer Flexibilität und ihrer Robustheit in fast allen Branchen zum Einsatz. Vom Laborbetrieb bis hin zur Kfz-Industrie.

Eine gleichbleibend hohe Messgenauigkeit der Thermoelemente über lange Zeiträume setzt voraus, dass die Thermoelemente sorgfältig für ihren Einsatzzweck ausgewählt wurden. Zwei Auswahlkriterien, die maximale Temperatur und das benutzte Messmedium,  sind entscheidend für eine erfolgreiche Bewältigung der Messaufgabe.

Ein NiCr-Ni Thermoelement (Typ K) weist beispielsweise eine hohe Beständigkeit gegenüber oxydierenden Medien auf. Eine Erwärmung über 850 °C verändert jedoch die thermoelektrischen Eigenschaften derart, dass es bei niedrigen Temperaturen (<100 °C) zu bleibenden Messabweichungen kommt.

Das Fe-CuNi Thermopaar (Typ J und L) ist ab +550 °C stark oxydationsgefährdet, weist aber gute Beständigkeit gegenüber reduzierenden Medien auf. Die Grenztemperatur liegt bei ca. +700 °C. Gleiches gilt für Cu-CuNi Thermopaare, die jedoch nur für Temperaturen im Bereich +400 °C ... +600 °C geeignet sind.

Platinhaltige Thermopaare (Typ S, R und B) sind für Hochtemperatureinsätze mit Temperaturen bis +1700 °C geeignet. Allen Platinrhodium-Platin Thermoelementen gemeinsam ist ihre Empfindlichkeit gegenüber schwefel- und phosphorhaltigen Gasen.
Ein generelles Problem ungeschützter Thermopaare ist, dass bei Temperaturen oberhalb von +1000 °C Fremdstoffe und Metalldämpfe eindiffundieren können, die eine Veränderung der thermoelektrischen Eigenschaften des Thermoelementes zur Folge haben.

Aus diesen Gründen müssen je nach Atmosphäre, Temperaturbereich und Thermopaar geeignete Maßnahmen, wie z. B. der Einbau in gasdichte keramische oder metallische Schutzrohre oder Schutzmäntel, ergriffen werden.

Funktionsprinzip

Prinzipiell unterscheidet man 2 unterschiedliche Arten von Thermoelementen.

Typ 1: Bei den klassischen Thermoelementen werden die Thermodrähte meist mit Keramikröhrchen oder Glasseide isoliert und so in ein geeignetes Schutzrohr geschoben. Im Gegensatz zu Widerstandsthermometern wird keine Wärmeleitpaste eingesetzt, da Thermoelemente meist bei Temperaturen oberhalb von 1000 °C betrieben werden. Die Schutzarmaturen bestehen aus Keramik oder hitzefestem Stahl, meist wird ein Leichtmetallanschlusskopf Form A eingesetzt.

Typ 2: Mantelthermoelemente sind fertig aufgebaute Thermoleitungen, die als äußeren Mantel ein Rohr aus Edelstahl haben. Die innenliegenden Thermodrähte sind in einer Metalloxydkeramik eingebettet und so voneinander und vom Mantel isoliert. Mantelthermoelemente sind biegbar bei Außendurchmessern von 0,5 bis 6 mm. Meist ist direkt hinter dem Element selbst eine Kabelübergangshülse mit fest angeschlossener Ausgleichsleitung oder es ist direkt eine Steckverbindung befestigt.

Als thermoelektrischen oder Seebeck-Effekt bezeichnet man das Auftreten einer Thermospannung auf Grund eines Temperaturgefälles entlang eines elektrischen Leiters. Dieser Effekt  wird durch die Boltzmannsche Transportgleichung beschrieben. Hierbei handelt es sich um einen Volumeneffekt, nicht um einen Kontakteffekt. Das bedeutet, dass sich auch in einem einzigen elektrischen Leiter eine Potentialdifferenz (eine Spannung) bildet, sofern die Temperaturen seiner beiden Enden unterschiedlich sind.

Zur Anschauung dient folgende Überlegung über die Impulserhaltung: Die einzelnen Impulse p der in einem elektrischen Leiter vorhandenen freien Ladungsträger sind am warmen Ende des Leiters größer als am kalten. Damit nun auf beiden Seiten der gleiche resultierende Impuls vorhanden ist, müssen mehr "kalte" als "warme" Ladungsträger vorhanden sein. Es kommt also zu einer Ladungsverschiebung. Das ist eine elektrische Potentialdifferenz, eine Spannung. Dieser Effekt ist materialabhängig. Daher haben verschiedene Metalle unterschiedliche Thermospannungen, die man durch Kennlinien beschreibt. Die bekanntesten und in der industriellen Temperaturmesstechnik am häufigsten eingesetzten Thermoelemente sind die Typen K, J und S.

Die Verbindungsstelle eines Thermoelements bekommt die Funktion der Messstelle, der Übergang auf die zum Spannungsmessgerät führenden (Kupfer-)Leitungen bekommt die Funktion der Vergleichsstelle. Mittels sogenannter Thermoleitungen oder Ausgleichsleitungen kann die Vergleichsstelle an einen entfernteren Ort verlegt werden, z. B. in Industrieanlagen bis zur Messwarte. Diese Thermoleitungen bestehen aus identischen Thermomaterialien und die Ausgleichsleitungen aus preiswerteren Materialien, die in einem begrenzten Temperaturbereich dieselben thermoelektrischen Eigenschaften besitzen wie das Thermoelement selbst.

Da mit Hilfe eines Thermoelementes nur eine Temperaturdifferenz zwischen Messstelle (hot junction) und Vergleichsstelle (cold junction) ermittelt werden kann, ist zur Messung der Temperatur eine Kaltstellenkompensation (engl. cold junction compensation; CJC) notwendig.