Thermoelemente - ihre Funktion und Leistungsstärke

Artikel von Tommy Weber am 24. November 2021 um 12:10 Uhr im Forum Elektrotechnik & Elektronik - Kategorie: Technik

Thermoelemente - ihre Funktion und Leistungsstärke

24. November 2021     Kategorie: Technik
In sehr vielen Bereichen des alltäglichen Lebens spielt die exakte Messung der Temperatur eine wichtige Rolle. Wer etwa mit einer Erkältung im Bett liegt, kann anhand des Fieberthermometers schnell und sicher feststellen, wie hoch die Körpertemperatur ist. Damit sogenannte Kühlketten beim Transport von Lebensmitteln nicht unterbrochen werden, ist es sehr wichtig, immer wieder die Temperatur zu messen. Das Thermometer ist auch in der Industrie ein Instrument, was immer wieder zum Einsatz kommt. Die Messung der jeweiligen Temperatur ist eine Wissenschaft, die seit mehreren Hundert Jahren erforscht und vor allen Dingen noch verbessert wird.

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Im Alltag reicht in der Regel ein Thermometer aus dem Baumarkt. Geht es aber um exakte Messungen, wie sie beispielsweise in Laboren benötigt werden, dann sind bestimmte Thermometer gefragt. Diese Thermometer nennen sich Thermoelemente und es gibt davon viele verschiedene Modelle.

Wie funktionieren Thermoelemente?
Genau Messungen der Temperatur im Labor- oder im Industriebereich arbeiten nach dem sogenannten „Seebeck-Effekt“. Benannt wurden diese Thermoelemente nach dem Mann, der sie entwickelt und bekannt gemacht hat: Thomas Johann Seebeck. Im Jahre 1821 war Seebeck der Erste, der sich den physikalischen Effekt einer Spannung eines Leiters aus Metall zunutze machte, die abhängig von der Temperatur ist. Dieses Prinzip nennt sich bis heute Thermospannung und noch immer werden dazu sowohl ein Leiter aus Metall sowie eine Vergleichs- und eine Messstelle benötigt.

Inzwischen wird die Thermospannung bei fast allen Temperaturbedingungen genutzt, und zwar, indem sich der Leiter aus Metall dem Thermoelement anpasst. Jedes Metall reagiert anders, wenn es sehr hohen Temperaturen ausgesetzt wird. Dies ist beispielsweise bei Nickel sowie bei Eisen oder Chrom der Fall. Entsprechend der verschiedenen Reaktionen der Metalle gibt es auch unterschiedlichen Typen von Thermoelementen. Sie werden gebraucht, um bei den Messungen immer zuverlässige sowie konstante Ergebnisse zu erzielen. Je nach Zusammensetzung der Materialpaarung schwanken die Temperaturen zwischen 350° und 1800° Grad Celsius.

Wo werden die Thermoelemente eingesetzt?
Moderne Thermoelemente werden heute vor allem in der Industrie, in Laboratorien und bei neuen Entwicklungen benötigt. Welche Thermoelemente wo eingesetzt werden, hängt immer davon ab, wie hitzebeständig das jeweilige Element ist. Für eine stets exakte und zuverlässige Messung gibt es drei unterschiedliche Methoden, die bei der Bestimmung der Temperatur genutzt werden. Da gibt es zuerst das sogenannte Vergleichsstellenthermostat, was dafür zuständig ist, dass jede Vergleichsstelle eine immer gleichbleibende Temperatur behält. Thermoelemente werden außerdem bei Kompensationsverfahren eingesetzt, die auf einer Brückenschaltung funktionieren. Diese ist immer abhängig von der Temperatur und zudem noch in der Lage, eine Vergleichsstellenspannung herzustellen.

Parallel dazu gibt es das dritte und letzte Verfahren für Messung der genauen Temperaturermittlung. Hier kann und darf es auch geringe Abweichungen geben, die sich aber auf digitalem Weg korrigieren lassen. Bei diesem speziellen Verfahren wird die an den Thermoelementen gemessene Temperatur mit der Hilfe einer Vergleichsstelle automatisch angepasst.

Geerdet oder nicht geerdet?
Ist eine Stelle geerdet, dann bringt sie die Verbindung in einen engen Kontakt mit dem Gehäuse aus Metall. Dies ermöglicht eine schnelle Reaktionszeit. Leider ist eine geerdete Spitze auch anfällig für die elektromotorischen Kräfte, die sich in unmittelbarer Nähe befinden. So etwas kann im schlimmsten Fall zu Fehlern bei den Messungen führen. Daher sollte eine Stelle, die nicht geerdet ist, nur gemessen werden, wenn die Reaktionszeit keine Rolle spielt.

Die unterschiedlichen Typen
Thermoelemente werden in unterschiedliche Typen eingeteilt:

Typ - Material - Maximal
J - Eisen, Kupfer, Nickel +750°
T - Kupfer, Kupfer, Nickel +350°
K - Nickel, Chrom, Nickel +1000°
E - Nickel, Chrom, Kupfer, Nickel +900°
N - Nickel, Chrom, Silicium, Nickel, Silicium +1000°
S - Platin10Rhodium-Platin +1600°
R - Platin13Rhodium-Platin +1600°
B - Platin13Rhodium-Platin6 +1700°

Besonders oft werden die Thermoelemente des Typs K verwendet, da sie einen sehr breit gefächerten Temperaturbereich abdecken können. Dazu kommt, dass bei diesen Thermoelementen auch die Grenzabweichung nur sehr gering ist, sie arbeiten also sehr genau. Ein anderer Grund, warum die Thermoelemente des Typs K sich einer so großen Beliebtheit erfreuen, ist der niedrige Anschaffungspreis. Die beiden Typen R und S hingegen sind teuer, da sie ein kostspieliges Edelmetall enthalten, nämlich Platin. Sie werden zudem weniger verkauft, weil die Temperaturspanne relativ niedrig ist.

Was macht die Thermoelemente des Typs J so besonders?
Nach dem Typ K ist es die Thermoelemente des Typs J, die ebenfalls sehr oft verwendet werden. Diesen Typ zeichnet aus, dass er in einem Vakuum in der Luft zum Einsatz kommen kann, ebenso wie bei oxidierenden Atmosphären mit Temperaturen bis zu 760° Grad Celsius. Handelt es sich allerdings um einen Draht aus Eisen, dann ist die Dauer der Nutzung, bedingt durch die schnelle Oxidation, auf eine Temperatur von 540° Grad Celsius begrenzt. Das Gleiche gilt bei Minusgraden, da es sonst zu Rostbildung und zu spröden Stellen des Leiters aus Eisen kommen kann.

Typ E - für eine große Genauigkeit
Die Thermoelemente vom Typ E sind ebenfalls viel und oft im Einsatz, da dieser Typ für eine sehr große Genauigkeit steht. Von den Drähten ist keiner magnetisch und empfohlen wird für diesen Typ eine Temperatur, die nicht höher als 900° Grad Celsius steigt. Was den Typ E besonders macht, ist, dass die Thermoelemente sogar bei niedrigen Temperaturen von bis – 230° Grad Celsius noch ohne Probleme funktionieren. Leider ist das Material sehr anfällig, wenn es um Schwefel geht, es darf ihm nicht ausgesetzt sein.

Der Typ T - die stabilen und robusten Thermoelemente
Immer wenn an Thermoelemente besondere Ansprüche gestellt werden, ist der Typ T die richtige Wahl. Die Thermoelemente dieses Typs sind nicht nur ausgesprochen robust, sie sind dazu noch feuchtigkeitsbeständig, sehr stabil und funktionieren selbst noch bei Temperaturen bis - 200° Grad Celsius. In höheren Bereichen können die Thermoelemente bis zu einer Temperatur von + 370° Grad Celsius eingesetzt werden.

Alle Thermoelemente sind Präzisionsgeräte, die aus zwei Leitern bestehen. Gefertigt werden sie in der Regel aus speziellen Metalllegierungen, die in der Lage sind, eine Spannung zu erzeugen. Diese Spannung steht dabei immer proportional zu einem Temperaturunterschied, der zwischen den beiden Enden des Aderpaars besteht. Thermoelemente sind effektiv und vielseitig einsetzbar. Im Unterschied zu anderen Optionen bei der Messung von Temperaturen treiben sich Thermoelemente selbst an und benötigen bei ihren vielfältigen Einsätzen in der Industrie keine weitere Anregung von außen.

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