Thermoelemente können extreme Temperaturen messen
Ein Thermoelement ist ein Bauteil, welches in der Lage ist, Temperaturen zu messen und in Form einer kleinen elektrischen Spannung wiederzugeben. Der Messbereich ist dabei im Vergleich zu anderen
Sensoren sehr groß und kann je nach Typ von 270°C bis 1800°C reichen. Thermoelemente werden hauptsächlich verwendet, um stark von der Umgebung abweichende Temperaturen zu messen. Da das Ausgangssignal nur im Millivolt-Bereich liegt, sind die Spannungsdifferenzen bei -30°C bis 50°C zu gering für ein verlässliches Signal. Daher werden sie bevorzugt für die Temperaturregelung und -kontrolle von Öfen oder Kühlkreisläufen verwendet.
Aufbau und Funktion eines Thermoelements
Ein Thermoelement besteht aus zwei Metalldrähten, die an der Messspitze elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Dabei kommen zwei unterschiedliche Metallarten oder -legierungen zum Einsatz, eine sehr verbreitete Paarung ist zum Beispiel Nickel-Chrom/Nickel. Die beiden freien Enden der Drähte werden mit einem Messgerät verbunden und geben eine von der Temperatur abhängige Spannung aus. Diese ist jedoch nicht linear, sondern muss aus Tabellen abgelesen werden.
Diese Potentialdifferenz, auch Thermospannung genannt, entsteht durch den sogenannten Seebeck-Effekt. Dieser beschreibt die Spannung, die von einem Temperaturgefälle innerhalb eines elektrischen Leiters verursacht wird. Das passiert bei einem Thermoelement, indem die freien Enden der Drähte am Messgerät in etwa Umgebungstemperatur haben, während die Messspitze erwärmt beziehungsweise abgekühlt wird. Eine messbare Differenz kann jedoch nur gebildet werden, wenn zwei Metalle mit unterschiedlichen Wärmedurchgangskoeffizienten verwendet werden, da die Spannungen sich sonst gegenseitig aufheben würden.
Da die auftretenden Differenzen sehr klein sind, ist es notwendig, dass das Signal verstärkt wird. Dabei kommen
Operationsverstärker zum Einsatz. Bei vielen kommerziellen Thermoelementen sind diese Verstärker jedoch schon integriert.
Mit einem Thermoelement kann nur eine Temperaturdifferenz zur Umgebungstemperatur gemessen werden. Daher ist für die Ermittlung der Absoluttemperatur eine Vergleichstemperatur nötig. Dies wird erreicht, indem man die freien Enden auf einer definierten Temperatur hält. Eine andere Möglichkeit ist die Messung der Umgebungstemperatur mit Hilfe eines
Thermometers oder einer Schaltung mit einem PT100-Bauelement. Ein großer Vorteil der Thermoelemente ist die lange, dünne Messspitze, die etwa durch Bohrungen direkt zum Messort geführt werden kann. Das kommt ihrer Funktion bei der Kontrolle und Regelung von temperaturintensiven Prozessen sehr entgegen.
Die verschiedenen Typen von Thermoelementen
Je nach verwendeter Metallpaarung ergeben sich unterschiedliche Anwendungsmöglichkeiten im Hinblick auf den Messbereich, Genauigkeit und Linearität. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die wichtigsten Typen und ihren jeweiligen Temperaturbereich. Allerdings hängt dieser Bereich stark von der Genauigkeit der Verstärkung und der Messgeräte ab. Die Typenbezeichnung wird in der Norm DIN EN 60584-1 festgelegt.
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