Was ist ein Thermoelement?

Der Seebeck-Effekt ergibt sich aus der Tatsache, dass die beiden Verbindungsstellen auf unterschiedlichen Temperaturen gehalten werden und dieses Temperaturgefälle eine Potenzialdifferenz zwischen den beiden Metallen erzeugt. Wie wir oben gesehen haben, wird durch diese Differenz ein Strom erzeugt, der nach den Gesetzen der Physik von der Verbindungsstelle mit der niedrigeren Temperatur zur Verbindungsstelle mit der höheren Temperatur (von Kupfer zu Eisen) fließen muss.

Der Temperaturunterschied zwischen den Verbindungsstellen bedeutet, dass es ständig eine heiße und eine kalte Stelle gibt. Die heiße Verbindungsstelle wird in ein thermisches Gleichgewicht mit dem System gebracht, dessen Temperatur gemessen werden soll. Die Vergleichsstelle wird bei Raumtemperatur belassen; sie ist über andere Leiter mit einem Temperaturschreiber verbunden, der die Temperatur über ein Widerstandsthermometer aufzeichnet und die Umgebungstemperatur kompensiert, als ob die Vergleichsstelle unabhängig von der Umgebungstemperatur 0 °C hätte. Diese Methode gewährleistet eine hohe Präzision bei der Temperaturmessung.

Die Erfindung des Thermoelementes war von großer Bedeutung, da es erstmals die Messung von Temperaturen in praktisch jedem Bereich und unter allen Umgebungsbedingungen ermöglichte. Heutzutage sind Thermoelemente weit verbreitet, weil sie billig, leicht austauschbar und genormt sind und einen großen Temperaturbereich messen können; auch im Zuge der Heimautomatisierung werden sie öfter eingesetzt. Ihre größte Einschränkung ist ihre Genauigkeit, da sie zu Messungen mit systematischen Fehlern neigen, die allerdings nicht allzu groß sind.

In der Praxis wird das Thermoelement in einen Schutzmantel gesteckt, der in das Innere des Geräts, dessen Temperatur gemessen werden soll, eindringt. Unmittelbar außerhalb sind die beiden Leiter mit einer Porzellanklemme verbunden, die sich in einer Schutzhülle befindet. Der Schutzmantel führt jedoch zu einer Verzögerung der Messung bei schnellen Temperaturänderungen, was in der Planungsphase berücksichtigt werden muss, wenn die Geschwindigkeit der Messung relevant ist.

Thermoelemente werden sehr häufig als Temperatursensoren eingesetzt, und zwar in allen möglichen Bereichen. Im Haushalt werden Thermoelemente zum Beispiel häufig für die Heizung und den Betrieb von Kochfeldern und Backöfen verwendet. Sie fungieren als Temperaturregler-Thermometer und senden einen elektrischen Impuls, der steuert, ob sich z.B. das Gasventil öffnet oder nicht. Das Thermoelement fungiert hier als Sicherheitseinrichtung für Gasherde und Kochfelder, die das Schließen des Gasventils anzeigt, wenn die Flamme erlischt. Sobald das Thermoelement den Temperaturabfall durch das Fehlen der Flamme gemessen hat, gibt es einen elektrischen Impuls, um den Gasfluss zu unterbrechen.

Für die Messung hoher Temperaturen oder unter schwierigen Bedingungen sind Thermoelemente ein unverzichtbares Instrument in industriellen Sonden, die in Produktionsprozessen eingesetzt werden. Der große Vorteil der Thermoelemente ist ihre Widerstandsfähigkeit, die es ihnen ermöglicht, in den verschiedensten industriellen Bereichen eingesetzt zu werden.

Es gibt chemische Prozesse, bei denen die Reaktionsgeschwindigkeit der Temperaturmessung von größter Bedeutung für den sicheren Betrieb der Anlage ist. In diesem Fall hat das Thermoelement eine besondere Konstruktion. Die beiden Drähte (sehr dünn und elektrisch voneinander isoliert) sind hermetisch in einem Mantel mit kleinem Durchmesser eingeschlossen, und die heiße Verbindungsstelle ist Teil des Endes dieses Mantels. Diese Verbindungsstelle ist mit speziellen Dichtungen hermetisch verschweißt, so dass nur das Ende des Thermoelements direkt vom Strom der Reaktionsprodukte betroffen ist, die mit hoher Geschwindigkeit und Temperatur und unter einem Druck von etwa 2500 bar fließen. Darüber hinaus dient ein geerdeter Anschluss als Korrosionsschutz.  Diese Konstruktion ermöglicht eine schnelle und zuverlässige Temperaturmessung mit einer recht hohen Lebenserwartung für das Thermoelement.

Thermoelemente sind sehr preiswert und in einer Vielzahl von Bereichen einsetzbar. Die vielfältigen Kombinationen von Metallen und Kalibrierungen ermöglichen eine hohe Anzahl an Anwendungen. Die gebräuchlichsten Kalibrierungen sind J, K, L und T. In industriellen Umgebungen wird der K-Thermoelement am häufigsten verwendet. Es hat eine Empfindlichkeit von etwa 41 μV/°C und bietet eine große Auswahl an Fühlern in seinem weiten Bereich von -200 °C bis +1350 °C, dank dem Nickel-Chrom-Positivleiter und dem Nickel-Aluminium-Minusleiter.

Die Kalibrierungen R, S, B, G, C und D bieten Leistungen bis zu 2320 °C an, sind aber relativ teuer da sie aus Edelmetallen (Platin/Rhodium und Wolfram/Rhenium) hergestellt werden. Während die Kalibrierung den Temperaturbereich des Thermoelements bestimmt, ist der maximale Bereich durch den Durchmesser des Drahtes im Inneren des Thermoelements begrenzt.

Das J-Thermoelement hat einen positiven Pol aus Eisen und einen negativen Pol aus Konstantan, einer Legierung auf Kupfer- und Nickelbasis. Es eignet sich besonders für die Messung von Durchschnittstemperaturen in reduzierenden, wasserstoff- und kohlenstoffhaltigen Atmosphären. Es kann einen Bereich von -40 °C bis 720 °C messen. Das Vorhandensein von Eisen in seinem Inneren beeinträchtigt jedoch seine Funktionsfähigkeit in oxidierenden Atmosphären, so dass er nicht in feuchten Umgebungen verwendet werden kann. In anderen Bereichen ist das J-Thermoelement aufgrund seiner geringen Kosten und seiner Vielseitigkeit jedoch weit verbreitet. Es ist mit veralteten Geräten und trägen Materialien kompatibel.

Die Thermoelemente vom Typ L sind dem Typ J sehr ähnlich und werden häufig in älteren Anlagen eingesetzt. Auch sie haben einen positiven Pol aus Eisen und einen negativen Pol aus Konstantan. L-Elemente können für Messbereiche zwischen -200 °C und ca. +800 °C eingesetzt werden.

Das Thermoelement T hingegen hat einen Pluspol aus Kupfer und einen Minuspol aus Konstantan. Dadurch kann das Thermoelement sowohl bei Oxidation als auch in reduzierenden Atmosphären recht genaue Messwerte liefern. Es misst einen Temperaturbereich zwischen -200 °C und 350 °C. Dieses Thermoelement ist sehr stabil und wird bei extrem niedrigen Temperaturen eingesetzt, z.B. in der Kryotechnik oder in Ultratiefkühltruhen.

Wie im Artikel dargelegt wurde, erlauben es Thermoelemente in praktisch jedem Bereich und unter allen Umgebungsbedingungen die Temperatur zu erfassen. Zudem sind sie preisgünstig, leicht austauschbar und genormt. Die akkurate Messung auch innerhalb eines großen Temperaturbereichs ist vor allem im Zuge der verstärkt eingesetzten Smart Homes vorteilhaft. Die hohe Widerstandsfähigkeit ist ein weiterer Vorteil, denn damit können sie in den verschiedensten industriellen Bereichen eingesetzt werden. Um den verschiedenen Umgebungen und Bedingungen gerecht zu werden, sind die Thermoelemente in verschiedenen Kombinationen von Metallen und Kalibrierungen erhältlich. Die gebräuchlichsten Kalibrierungen sind J, K, L und T. 

Tauchen Sie ein in unsere Produktwelt rund um Thermoelemente. Sie wünschen sich technische Beratung und Unterstützung? Kontaktieren Sie uns!