Thermoelemente Funktionsweise

von | Temperaturfühler

Thermoelemente sind in der Industrie weit verbreitet. Sie werden meist zur Messung höherer Temperaturen ab etwa 300°C eingesetzt und sind vergleichsweise preisgünstig herzustellen. Die technisch gesehen beste Bauform haben sogenannte Mantelthermoelemente. Aber wie funktionieren Thermoelemente überhaupt?

Vergleichende Messung als Basis

Thermoelemente basieren auf dem Prinzip der vergleichenden Messung. Sie bestehen aus zwei metallischen Leitern unterschiedlichen Materials, die an der Messstelle miteinander verbunden sind. Die beiden anderen Enden werden am Messgerät angeklemmt, das als Vergleichsstelle dient.

Thermospannung als Maß für die Temperaturdifferenz

Sind Mess- und Vergleichsstelle unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt, entsteht zwischen diesen beiden Punkten eine geringe elektrische Spannung, genannt Thermospannung. Das ist der sogenannte Seebeck-Effekt, entdeckt im Jahre 1821 vom deutschen Physiker Thomas Johann Seebeck.

Thermoelemente verfügen über eine Messstelle und eine Vergleichsstelle, auch Referenzstelle genannt. Zwischen diesen beiden Stellen entsteht bei einer Temperaturdifferenz die sogenannte Thermospannung. Dabei handelt es sich um den Seebeck-Effekt.

Temperatur der Vergleichsstelle muss bekannt sein
Die Thermospannung ist ein Maß für die Temperaturdifferenz zwischen Mess- und Vergleichsstelle. Um die tatsächliche Temperatur an der Messstelle zu ermitteln, muss die Temperatur an der Vergleichsstelle bekannt sein oder mit einem separaten Sensor ermittelt werden.

Geringer Signalpegel -> störungsempfindliches Signal

Thermoelemente gibt es mit unterschiedlichen Materialpaarungen, je nach Anforderung an Temperaturbereich und Auflösung. Die entstehende Thermospannung hängt von dieser Materialpaarung ab. Sie ist sehr gering: ein Typ K Thermoelement zum Beispiel liefert ca. 40 µV pro Kelvin. Bei einer Temperaturdifferenz von 1.000 Kelvin beträgt die Thermospannung eines Typ K Thermoelementes ca. 41 mV, beim Typ J sind es ca. 58 mV. Durch den niedrigen Signalpegel ist das Ausgangssignal störempfindlich. Die Thermospannung ist leider nicht linear zur Temperatur und muss daher vom Messgerät linearisiert werden.

Spezielle Leitungen für den Anschluss

Um die Messung nicht durch ungewollte zusätzliche Thermospannungen zu verfälschen, dürfen im Messkreis nur Materialien mit gleichen thermoelektrischen Eigenschaften verwendet werden.
Deshalb werden für den Anschluss von Thermoelementen an die Vergleichsstelle spezielle Ausgleichsleitungen eingesetzt, bei denen die Leitermaterialien auf den Thermoelement-Typ (also Typ J, Typ K, Typ S, etc.) abgestimmt sind.

Fazit

Auch wenn Thermoelemente und Mantelthermoelemente weit verbreitet und relativ günstig sind, muss ein hoher Aufwand betrieben werden, um ordentliche Messergebnisse zu erzielen.

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