Thermoelement

Der Seebeck-Effekt

Im Jahr 1821 entdeckte Thomas Seebeck den Stromfluss in einem thermoelektrischen Kreis, wenn zwei Leiter aus unterschiedlichen Metallen an beiden Enden verbunden werden und die Temperatur an einer Seite geändert wird.

Wie funktioniert ein Thermoelement?

Wenn zwei Drähte aus unterschiedlichen Metallen an beiden Seiten miteinander verbunden werden und eine Seite erwärmt wird, fließt in diesem thermoelektrischen Kreis ein Strom. Wird dieser Stromkreis unterbrochen, ist die anliegende Spannung (thermoelektrische Spannung) eine Funktion der Temperatur an der Übergangsstelle zwischen den beiden Metallen. Wenn die Verbindungsstelle der beiden Metalle - die Messspitze - erhitzt oder abgekühlt wird, entsteht eine Spannung, die zur Temperatur in Beziehung steht.

Thermoelement-Typen

Thermoelemente werden aus verschiedenen Kombinationen von Metallen hergestellt. Diese Kombinationen werden als Thermoelement-Typ bezeichnet. Am weitesten verbreitet ist Thermoelement-Typ K sowie Thermoelement-Typ J, T, E und N, die aus unedlen Metallen bestehen. Außerdem gibt es auch Thermolement-Typen für besonders hohe Temperaturen, die meistens aus Edelmetallen bestehen. Dies sind die Typen R, S, B, C und G.

Jeder Thermoelement-Typ hat einen anderen Temperaturbereich und eignet sich für unterschiedliche Umgebungsbedingungen. In der Praxis ist jedoch häufig der Drahtdurchmesser des Thermoelements für die maximale Temperatur entscheidend.

Auch wenn der Thermoelement-Typ den Temperaturbereich vorgibt, ist die maximale Temperatur durch den Durchmesser des Thermoelementdrahts begrenzt. Ein sehr dünnes Thermoelement kann nicht den gesamten Temperaturbereich des jeweiligen Thermoelement-Typs abdecken.

Thermoelemente des Typs K eignen sich mit ihrem weiten Temperaturbereich und dem niedrigen Preis für allgemeine Anwendungen.

So wählen Sie das richtige Thermoelement aus

1. Bestimmen Sie die Anwendung, in der das Thermoelement eingesetzt wird.
2. Legen Sie den Temperaturbereich fest, dem das Thermoelement ausgesetzt sein wird.
3. Berücksichtigen Sie bei der Auswahl des Thermoelement- oder Mantelwerkstoffs die chemische Beständigkeit.
4. Legen Sie fest, in welchem Umfang Abrieb- und Schwingungsfestigkeit erforderlich sind.
5. Listen Sie die Installationsanforderungen auf.

Was versteht man bei einem Thermoelement unter Ansprechzeit?

Die Ansprechzeit ist eine Zeitkonstante, welche die Zeit definiert, die ein Sensor benötigt, um unter spezifizierten Bedingungen 63,2% einer sprunghaften Temperaturänderung zu erreichen. Die tatsächliche Temperatur erreicht der Sensor innerhalb vom Fünffachen dieser Zeitkonstante. Ein Thermoelement mit offenliegender Messspitze bietet die schnellste Ansprechzeit. Je kleiner außerdem der Manteldurchmesser des Fühlers ist, desto schneller ist die Ansprechzeit, wobei aber die maximale Temperatur durch den Aufbau bedingt geringer ist. Denken Sie daran, dass der Fühlermantel manchmal nicht dem gesamten Temperaturbereich des Thermoelement-Typs standhält. Weitere Informationen über Ansprechzeiten von Thermoelementen (engl.) PDF.

Welche Messspitze soll ich wählen?

Die Messspitze von Mantel-Thermoelementen kann auf dreierlei Weise ausgebildet sein: Geerdet, nicht geerdet oder offenliegend. Bei einer geerdeten Messspitze ist der Thermoelementdraht mechanisch und elektrisch leitend mit der Innenseite der Fühlerwandung verbunden (verschweißt). Dies hat eine gute Wärmeübertragung von der Fühlerwandung zur Messspitze des Thermoelements zur Folge. Bei einem nicht geerdeten Fühler besteht keine Verbindung zwischen Thermoelement und Fühlerwandung. Die Ansprechzeit ist langsamer als bei der geerdeten Ausführung, aber bei dieser Ausführung ist die Messstelle galvanisch vom Fühlermantel getrennt. Thermoelemente mit offen liegender Messspitze eignen sich zur Lufttemperaturmessung bis maximal 250°C, da die Spitze des Sensors mit 2-Komponenten Kleber gegen das Eindringen von Feuchtigkeit verschlossen wird.

Drahtthermoelement
Das Drahtthermoelement ist die einfachste Bauform eines Thermoelements. Es besteht aus zwei an einem Punkt verschweißten Thermoelementdrähten. Da die Messspitze bei diesem Thermoelement-Typ offen liegt, unterliegt es bei der Anwendung gewissen Einschränkungen. Drahtthermoelemente sollten nicht mit Medien eingesetzt werden, die die Thermoelementlegierung oxidieren oder angreifen. Bei der Messung auf elektrisch leitenden Oberflächen ist zu berücksichtigen, dass das Potential der zu messenden Oberfläche über die Leitung des Drahtthermoelementes weitergeleitet wird. Dieser indirekte Anschluss an ein elektrisches System kann sich negativ auf die Messung auswirken. Allgemein eignen sich Drahtthermoelemente sehr gut für die Messung von Gastemperaturen. Die maximale Einsatztemperatur wird durch die Isolierung des Drahtthermoelementes beschränkt. Da sie in sehr kleinen Abmessungen gefertigt werden können, bieten sie auch sehr schnelle Ansprechzeiten.

Die Abbildung zeigt ein Thermoelement-Typ K des Modells 5SRTC mit Miniatur-Thermoelementstecker.
Siehe auch Drahtthermoelemente.

Mantelthermoelement
Ein Mantelthermoelement besteht aus Thermoelementdraht, der sich, isoliert von Magnesiumoxyd, in einem Metallrohr befindet und das Thermopaar bildet. Die Wand des Rohres wird als Fühlermantel oder kurz Mantel bezeichnet. Als Mantelwerkstoffen werden für die Mehrzahl an Mantelthermoelementen verschiedene Edelstähle oder Inconel® verwendet. Inconel unterstützt zwar höhere Temperaturbereiche als Edelstahl, wegen seiner breiten chemischen Kompatibilität wird Edelstahl jedoch häufig bevorzugt.

Siehe auch Mantelthermoelemente mit Übergangshülse auf Anschlussleitung und Mantelthermoelemente mit M12-, M8-, Miniatur- oder Standard-Thermoelementsteckverbinder

Für sehr hohe Temperaturmessungen werden spezielle Mantelmaterialien wie Platin, Tantal oder Molybdän verwendet. Die Verwendung dieser Materialien setzt jedoch bestimmte Umgebungsbedingungen bei der Temperaturmessung voraus.
OMEGA bietet ein breites Sortiment von Thermoelementfühlern für Hochtemperaturanwendungen an.

Siehe auch Mineralisolierte Thermoelementfühler für Temperaturen bis 1200°C und Spezial-Thermoelementfühler zur Messung von Temperaturen bis zu 2315°C

Oberflächenfühler
Das Messen von Temperaturen auf einer festen Oberfläche ist für die meisten Temperaturfühler eine schwierige Aufgabe. Um eine genaue Messung sicherzustellen, muss der Fühler die Oberfläche mit seiner gesamten Messfläche berühren. Bei einem starren Fühler und einer starren Oberfläche ist das zu erzielende Messergebnis nicht befriedigend. Da Oberflächenfühler aus biegsamen Metallen (Messband) gefertigt werden, kann die „Messspitze“ flach und dünn geformt werden, um einen maximalen Kontakt mit der Oberfläche zu erreichen. Bei der Messung auf elektrisch leitenden Oberflächen ist zu berücksichtigen, dass das Potential der zu messenden Oberfläche über die Leitung des Oberflächenfühlers weitergeleitet wird. Dieser indirekte Anschluss an ein elektrisches System kann sich negativ auf die Messung auswirken. Omega bietet eine breite Auswahl an Oberflächenfühler an.

Siehe auch Oberflächentemperaturfühler.

Drahtlose Thermoelemente
Drahtlose Messumformer stellen z. B. per Bluetooth eine Verbindung mit einem Smartphone oder Tablet her, um Temperaturen zu überwachen und aufzuzeichnen. Diese Messumformer unterstützen verschiedene Messgrößen, zum Beispiel Temperatur, pH, Widerstandsfühler-Signale oder relative Feuchte. Die Datenübertragung erfolgt drahtlose per Bluetooth-Technologie und visualisiert die Daten in einer App auf einem Smartphone oder Tablet. Über die App lassen sich mehrere Messumformer gleichzeitig mit einem Smartphone oder Tablet koppeln und einrichten. Die komplette Produktpalette an drahtlosen Messsystemen von OMEGA zeigt der folgende Link. Bitte hier klicken.

Welche Genauigkeiten und Temperaturbereiche haben die verschiedenen Thermoelemente?

Informationen über die Genauigkeiten und Temperaturbereiche der verschiedenen Thermoelemente finden Sie in der Thermoelement-Farbcodetabelle. Unbedingt zu berücksichtigen ist, dass sowohl die Genauigkeit als auch der Bereich von den folgenden Randbedingungen abhängen: Thermoelementlegierung, gemessene Temperatur, Sensorbauform, Mantelwerkstoff, zu messendes Medium, Aggregatzustand des Mediums (flüssig, fest oder gasförmig) sowie entweder der Durchmesser der Thermoelementleitung (wenn offenliegend) oder der Manteldurchmesser (wenn die Thermoelementleitung nicht offenliegend, sondern ummantelt ist).

Sollte ich eine geerdete oder nicht geerdete Messspitze wählen?

Das hängt in erster Linie von der verwendeten Instrumentierung ab. Falls die Möglichkeit eines elektrischen Bezugs gegen Masse oder Erde besteht (wie z. B. bei Reglern mit nicht galvanisch getrennten Eingängen), wird eine nicht geerdete Messspitze empfohlen. Wenn als Instrument ein Handmessgerät zum Einsatz kommt, kann in den meisten Fällen ein geerdeter Fühler verwendet werden.

Kann ich jedes beliebige Multimeter für Temperaturmessungen mit einem Thermoelement verwenden?

Um das Signal eines Thermoelementes auswerten zu können, sollte das verwendete Messgeräte über die Möglichkeit des Anschlusses von Thermoelementen und deren Linearisierung verfügen. Da Thermoelemente kein lineares Signal proportional zur Temperatur ausgeben, kann die Thermospannung mit einem Multimeter gemessen, jedoch nicht ohne Thermospannungstabelle, mit großem Fehler, umgerechnet werden. Des Weiteren ist zu beachten, dass beim Anschluss des Thermoelementes an das Messgerät ein weiteres Thermoelement entsteht, dessen Thermospannungssignal (proportional zur Umgebenden Temperatur der Klemmstelle) sich zum dem des angeschlossenen Thermoelementes addiert. Diese an der „Klemmstelle“ entstehende Thermospannung wird bei Messgeräten mit Thermoelementeingang über die sogenannte Klemmstellenkompensation korrigiert, und somit lediglich die an der Messstelle erfasste Temperatur angezeigt. Bei einem Messgerät ohne Klemmstellenkompensation entsteht ein zusätzlicher Messfehler.

Siehe Handmessgeräte und Handdatenlogger und Temperatur- und Prozessmessgeräte, Timer und Zähler

Wie wähle ich zwischen Thermoelementen, Pt100, Thermistoren und Infrarot-Thermometern?

Bei dieser Auswahl sind die spezifischen Eigenschaften und Kosten der verschiedenen Sensoren sowie die verfügbare Instrumentierung zu beachten. Thermoelemente bieten einen großen Temperaturbereich, sind kostengünstig und sehr robust, jedoch nicht so genau und stabil wie Pt100- und Thermistorfühler. Widerstandsfühler wie Pt100/Pt1000 oder Ni50 haben einen relativ weiten Temperaturbereich und bieten eine hohe Stabilität, sie sind jedoch nicht so robust und preiswert wie Thermoelemente. Da Pt100/Pt1000 Sensoren für das Messen mit einem Konstantstrom versorgt werden müssen, unterliegen Widerstandsfühler der zu Ungenauigkeiten führenden Eigenerwärmung. Thermistoren sind tendenziell genauer als Widerstandsfühler, haben jedoch einen wesentlich engeren Temperaturbereich. Außerdem unterliegen sie ebenfalls einer Eigenerwärmung. Infrarot-Sensoren messen unter allen Sensoren die höchsten Temperaturen und dies ohne Berührung des Messobjekts. Sie sind grundsätzlich jedoch weniger genau und werden durch das materialspezifische Ausmaß der Abstrahlung (also den Emissionsfaktor) beeinflusst. Eine ausführliche Tabelle mit Emissionsfaktoren finden Sie hier. In Verbindung mit Glasfaserkabel lassen sich auch Oberflächen messen, die nicht in direkter Sichtlinie liegen.

Thermoelement-Referenztabellen

Thermoelemente erzeugen eine Ausgangsspannung, die proportional zu der vom Thermoelement gemessenen Temperatur ist. In den nachfolgenden Links sind PDF-Dateien hinterlegt, in denen die Thermoelementspannungen und Temperaturen für die verschiedenen Thermoelementtypen angegeben sind. Die meisten Dokumente enthalten außerdem auch Informationen zu Temperaturbereichen, Fehlertoleranzen und Umgebungsbedingungen.

Thermo- element Typ B (°C) Thermo- element Typ C (°C) Thermo- element Typ E (°C) Thermo- element Typ J (°C) Thermo- element Typ K (°C) Thermo- element Typ N (°C) Thermo- element Typ R (°C) Thermo- element Typ S (°C) Thermo- element Typ T (°C) Wolfram und Wolfram/
Rhenium NickelChrom- und Gold-0,07
Atomprozent Eisen