Wie funktionieren Thermoelemente?

Thermoelemente, auch als Thermopaare bezeichnet, erfreuen sich in der Industrie großer Beliebtheit. Sie sind einfach herzustellen und daher günstig. Außerdem sind sie in weiten Temperaturbereichen einsetzbar. Sie vertragen wesentlich höhere Temperaturen als ihre Kollegen aus der Gattung Widerstandsthermometer. Hier erfahren Sie mehr über ihre Funktionsweise und die verschiedenen Typen!

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Thermospannung: der Seebeck-Effekt

Der Physiker Thomas Johann Seebeck hat 1821 beim fröhlichen Forschen das entdeckt, was wir heute Thermospannung nennen. Wir nehmen uns zwei Drähte aus unterschiedlichen Metallen und verbinden sie an einem Ende miteinander. Dieses Ende nennen wir Messstelle (auch: heißes Ende). Das andere Ende der Drähte bildet die Vergleichsstelle (auch: Kaltstelle).

Halten wir jetzt die Messstelle über eine Kerzenflamme, sodass sie einer höheren Temperatur ausgesetzt ist als die Vergleichsstelle, so entsteht dort eine geringe Spannung. Das ist die Thermospannung. Die Thermospannung ist sehr gering, üblicherweise im Bereich einiger µV bis mV. Sie steigt mit der Temperaturdifferenz zwischen heißem und kaltem Ende – allerdings nicht linear. Aufgrund des niedrigen Signalpegels ist das Ausgangssignal relativ störungsempfindlich. 

Vergleichsstellentemperatur berücksichtigen

Wenn wir die Thermospannung ermittelt haben, können wir daraus die Temperaturdifferenz zwischen Mess- und Vergleichsstelle ableiten. Wir können also eine Aussage treffen wie: „Die Temperatur an der Messstelle ist 300 Kelvin höher als an der Messstelle“. Um die tatsächliche Temperatur an der Messstelle bestimmen zu können, müssen wir die Temperatur an der Vergleichsstelle kennen. Dazu haben wir zwei Optionen:

1) Umgebungsbedingungen kontrollieren

Wir kontrollieren die Umgebungsbedingungen an der Vergleichsstelle, halten die Temperatur dort also fix bei einem uns bekannten Wert. Bei 25 °C an der Vergleichsstelle und 300 K gemessener Differenz ergibt das eine Temperatur von 325 °C an der Messstelle.

2) Sinnvoller: Temperatur separat messen

Wir messen die Temperatur an der Vergleichsstelle mit einem separaten Temperaturfühler, z.B. mit einem Ntc. So kennt das Messgerät stets die Temperatur an der Vergleichsstelle und kann sie entsprechend berücksichtigen.

Temperaturbereich und Genauigkeit

Eine große Stärke von Thermoelementen liegt in ihrem sehr breiten Einsatzbereich. Die einzelnen Typen unterscheiden sich hier deutlich: ein Thermoelement Typ K der Klasse 2 ist für Temperaturen zwischen -40 und +1.200 °C genormt. Der Typ B kann sogar Temperaturen von bis zu 1.700 °C standhalten!

Grundsätzlich sind Thermoelemente nicht so genau wie Widerstandsthermometer (Pt100, Pt1000). Widerstandsthermometer funktionieren nur in einem wesentlich kleineren Temperaturbereich, sind dort allerdings präziser.

Alterung von Thermoelementen

Je nach Umgebungsbedingungen und Schutz altern Thermoelemente im Laufe der Zeit. Thermoelemente mit Edelmetallen (Typ R, Typ S) sind dafür weniger anfällig als die anderen Typen. Grundsätzlich gilt: je höher die Temperaturen, desto stärker schreitet die Alterung voran. So entsteht langfristig eine Drift, da die Thermospannung sich verändert. Das geht zu Lasten der Genauigkeit.

Aufbau: offen, geerdet, ungeerdet

Dass das Thermoelement im Wesentlichen aus zwei Leitern besteht, haben wir mittlerweile verstanden. In freier Wildbahn begegnen uns Thermoelemente in drei verschiedenen Bauformen: offenliegend, geerdet und ungeerdet. Die beiden letzteren Versionen sind meist als Mantelthermoelemente ausgeführt.

Thermoelement mit offenliegender Messstelle

Bei dieser Bauart liegt die Messstelle frei. Die Ansprechzeit ist sensationell gering. Dafür ist die Messstelle aber ungeschützt vor mechanischer Beanspruchung, Druck und Korrosion. Das Thermoelement mit offenen Enden eignet sich damit nur für wenige Anwendungen.

Thermoelement mit offener Messstelle

Geerdete Messstelle

Beim geerdeten Thermoelement liegt das heiße Ende geschützt im Mantel. Die Erdung entsteht dadurch, dass die Messstelle mit dem Mantel verschweißt wird. So erhalten wir eine immer noch recht kurze Ansprechzeit. Dank des Schutzmantels können wir diese Bauart zum Beispiel zur Messung in Flüssigkeiten und strömenden Gasen einsetzen, auch bei hohen Drücken.

Mantelthermoelement mit geerdeter Messstelle und Magnesiumoxid-Isolierung

Ungeerdete bzw. isolierte Messstelle

Die ungeerdete Messstelle liegt ebenfalls gut geschützt im Mantel, ist aber nicht mit ihm verschweißt. Stattdessen werden Mantel und Messstelle mittels Magnesiumoxid (MgO) Pulver voneinander isoliert. So werden elektrische Störungen reduziert – die Ansprechzeit steigt allerdings gegenüber den anderen beiden Bauarten.

Mantelthermoelement mit isolierter (ungeerdeter) Messstelle und Magnesiumoxid-Isolierung

Thermoelement Typen

Thermoelemente gibt es in unterschiedlichen Materialpaarungen. Sie unterscheiden sich vor allem in der Stärke der Thermospannung. Außerdem sind sie für unterschiedliche Temperaturbereiche geeignet. Die gängigsten Typen sind Typ K und Typ J. Ab und zu kommen auch Edelmetall-Thermoelemente wie Typ R und Typ S zum Einsatz. Die sind allerdings ziemlich teuer. Wir schauen uns hier kurz die beiden häufigsten Typen an.

Thermoelement Typ K

Beim Thermoelement Typ K besteht der Plusleiter aus einer Nickel-Chrom-Legierung (NiCr). Der Minusleiter ist aus Nickel (Ni). Wir sprechen deshalb auch von NiCr-Ni Thermoelementen. In den USA wird derselbe Typ Thermoelement übrigens mit NiCr-NiAl bezeichnet – die verwendeten Materialien sind aber dieselben.

Optisch erkennen Sie ein Typ K Thermoelement in Europa an seiner grünen Außenisolierung. Unter der Außenisolierung ist der positive Leiter nochmals grün und der negative Leiter weiß isoliert. Der negative Leiter ist übrigens magnetisch.

Thermoelement Typ K

Thermoelement Typ J

Der Plusleiter besteht beim Typ J aus Eisen (Fe), der Minusleiter aus einer Kupfer-Nickel-Legierung (CuNi). Deshalb nennen wir diesen Typ auch Fe-CuNi Thermoelement.

Äußerlich gibt sich dieser Typ in Europa an seiner schwarzen Isolierung zu erkennen. Darunter ist der Plusleiter ebenfalls schwarz, der Minusleiter weiß isoliert.

Thermoelement Typ J

Anschlussleitung für Thermoelemente

Zwischen Mess- und Vergleichsstelle liegen mindestens ein paar Zentimeter, oft auch ein paar Meter. Diese Distanz können wir nicht einfach mit einem beliebigen Kabel überbrücken – die Funktionsweise des Thermoelements hängt schließlich von der Materialpaarung ab. Eine Anschlussleitung aus abweichenden Werkstoffen würde die Messung komplett verfälschen. Um das zu vermeiden, haben wir die folgenden Optionen:

1) Thermoleitung – gleiche Materialien

Der Königsweg: wir setzen dieselbe Materialpaarung ein wie beim Thermoelement. Konkret bedeutet das bei einem Thermoelement Typ K (NiCr-Ni), dass ein Leiter aus Nickel-Chrom und der andere aus Nickel besteht. Das ist eine saubere Lösung, je nach Material aber relativ teuer.

2) Ausgleichsleitung – kompatible Materialien

Die Werkstoffe von Thermoelementen können mitunter teuer sein. Bei den Typen R und S kommen Platin und Rhodium zum Einsatz, aber auch Typ K und N sind bereits teuer. Hier ist in bestimmten Temperaturbereichen (nach DIN 43 722) die Ausgleichsleitung eine günstigere Alternative. Dabei kommen Werkstoffe zum Einsatz, deren thermoelektrische Eigenschaften denen des Thermoelements stark ähneln. Beim Thermoelement Typ K kann man z.B. auf die Ausgleichsleitung Typ „KC A“ ausweichen. Dann wird der NiCr-Draht des Thermoelements mit Eisen (Fe) verlängert, der Ni-Draht mit einer Kupfer-Nickel-Legierung (CuNi).

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Jörg Gibietz
Geschäftsführer
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