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Thermoelemente

3.- Kalibrierservice
 

Ein Thermoelement ist ein Bauteil aus zwei unterschiedlichen und an einem Ende miteinander verbundenen Metallen oder Halbleitern.

Am offenen Ende wird aufgrund des Seebeck-Effekts eine elektrische Spannung erzeugt, wenn die Verbindungsstelle und die freien Enden unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt sind.

Der Seebeck-Effekt besagt, dass zwei unterschiedliche Metalle, die miteinander verbunden sind, an ihrer Anschlussstelle eine thermoelektrische Spannung entstehen lassen, wenn entlang der Metalle ein Temperaturgefälle besteht.

Diese thermoelektrische Spannung (auch Thermokraft genannt) ist temperaturabhängig und hat bei Metallen eine Größe von wenigen Mikrovolt pro Kelvin Temperaturunterschied.

Der Zusammenhang zwischen Spannung und Temperatur ist bei den meisten Metallen und Legierungen nahezu linear.
Bei genauen Messungen oder großen Messbereichen muss die Nichtlinearität berücksichtigt werden.

Mit Hilfe der sogenannten thermoelektrischen Spannungsreihe ( DIN EN 60584) kann auf die Temperatur an der Verbindungsstelle (Messstelle) geschlossen werden.

Jedes Metall und jede Legierung besitzt einen thermoelektrischen Koeffizienten, der üblicherweise relativ zu Platin angegeben wird.
Dieser sogenannte k-Wert gestattet es, die Thermospannung der Metallpaarung eines Thermoelementes zu errechnen.

Bei der Auswahl einer Materialpaarung zu Messzwecken strebt man eine hohe Thermospannung, hohe Linearität und hohe Korrosionsfestigkeit bzw. geringe Oxidation bei hohen Temperaturen an.

Diese Ziele sind nicht mit einer einzigen Kombination erreichbar.
Daher werden je nach Einsatzzweck unterschiedliche Materialpaarungen verwendet.

Weit verbreitete Thermoelementpaarungen bestehen aus
Nickel - Chrom/Nickel (Typ K, häufigster Typ)
und Platin - Platin/Rhodium (Typ S oder B für hohe Temperaturen).
Für die Messungen hoher Temperaturen (T > 1600°C) werden auch Iridium-Iridium/Rhodium-Thermoelemente,
für die Messung niedriger Temperaturen (T < -250°C) Gold/Eisen-Nickel/Chrom- oder Gold/Eisen-Gold/Silber-Thermoelemente verwendet.

Anmerkung zur Vergleichsstellentemperatur

Ein Thermoelement besteht notwendigerweise aus zwei Metallübergängen
(Mess- und Vergleichsstelle), deren thermoelektrische Spannungen entgegengesetzt sind - sie liefern somit immer relative Werte zur sogenannten Vergleichsstellentemperatur.

Liegt die Temperatur der Messstelle darüber, so liefert es positive Spannungswerte, liegt sie darunter, ist die Spannung negativ.

Ist die Messstellen-Temperatur gleich der Vergleichsstellen-Temperatur, ist die Summe der Thermospannungen null.

Die Vergleichsstelle ist die Anschluss-Stelle der unterschiedlichen Metalldrähte des Thermoelementes an eine Leitung (z.B. Kupferkabel) - häufig identisch mit dem Eingang des Messgeräts.

Mittels sogenannter Ausgleichsleitungen (aus identischem Thermomaterial oder auch als preiswertere Metall-Leitungen, die in begrenztem Temperaturbereich die gleichen thermoelektrischen Koeffizienten wie die jeweiligen Thermoelement-Drähte besitzen)
kann die Vergleichsstelle an einen entfernteren Ort verlegt werden.

Während man früher diese Vergleichsstellen in einem Bad mit Eiswasser, einer elektrisch gekühlten Eispunktreferenz (Referenztemperatur 0°C) oder auch in einem Thermostat (Referenztemperatur meist 50°C) unterbrachte, wird heute üblicherweise der Anschluss des Messgeräts als Vergleichsstelle verwendet und die (veränderliche) Temperatur dieses Anschlusses gemessen.

Dafür werden z.B. Thermistoren oder Widerstandsthermometer verwendet und die gemessene Thermospannung numerisch korrigiert.

Alternativ dazu werden in einfachen Geräten auch integrierte Schaltkreise verwendet, die nicht nur als Verstärker für die gemessene Spannung dienen, sondern auch direkt die Vergleichsstellentemperatur kompensieren - vorausgesetzt, sie haben die gleiche Temperatur wie die Anschluss-/Vergleichsstelle.

Dieses Verfahren wird häufig in digitalen Vielfachmessgeräten (DVM) angewandt, die zur Temperaturmessung mit Thermoelementen ausgerüstet sind.




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