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Thermoelemente

Allgemein

Thermoelemente finden als aktive Sensoren eine breite Anwendung in der Mess- und Regeltechnik  durch ihre fast beliebig kleinen Bauformen. Sie messen die Temperatur über den sehr großen Temperaturbereich von -200°C  bis zu +1700°C  (ggfs. bis 2300°C) und werden deshalb gerne im Anlagen-, Maschinen- und Gerätebau eingesetzt und auch zur Temperaturbestimmung in Salz-und Metallschmelzen benutzt. Sie stellen in vielen Hochtemperaturanwendungen eine preisgünstige Alternative zu Strahlungsmessgeräten dar.

Verwendung

Eine gleichbleibend hohe Messgenauigkeit der Thermoelemente über lange Zeiträume setzt voraus, dass die Thermoelemente sorgfältig für ihren Einsatzzweck ausgewählt wurden. Zwei Auswahlkriterien, die maximale Temperatur und das benutzte Messmedium,  sind entscheidend für eine erfolgreiche Bewältigung der Messaufgabe.  

Ein NiCr-Ni Thermoelement (Typ K) weist beispielsweise eine hohe Beständigkeit gegenüber oxydierenden Medien auf. Eine Erwärmung über 850°C verändert jedoch die thermoelektrischen Eigenschaften derart, dass es bei niedrigen Temperaturen (<100° C) zu bleibenden Messabweichungen kommt. 

Das Fe-CuNi Thermopaar (Typ J und L) ist ab +550°C stark oxydationsgefährdet, weist aber gute Beständigkeit gegenüber reduzierenden Medien auf. Die Grenztemperatur liegt bei ca. +700°C. Gleiches gilt für Cu-CuNi Thermopaare, die jedoch nur für Temperaturen im Bereich +400°C ... +600°C geeignet sind.

Platinhaltige Thermopaare (Typ S, R und B) sind für Hochtemperatureinsätze mit Temperaturen bis +1700°C geeignet. Allen Platinrhodium-Platin Thermoelementen gemeinsam, ist ihre Empfindlichkeit gegenüber schwefel- und phosphorhaltigen Gasen.

Ein generelles Problem ungeschützter Thermopaare ist, dass bei Temperaturen oberhalb von +1000°C Fremdstoffe und Metalldämpfe eindiffundieren können, die eine Veränderung der thermoelektrischen Eigenschaften des Thermoelementes zur Folge haben.

Aus diesen Gründen müssen je nach Atmosphäre, Temperaturbereich und Thermopaar geeignete Maßnahmen, wie z.B. der Einbau in gasdichte keramische oder metallische Schutzrohre oder Schutzmäntel ergriffen werden.

Funktionsprinzip

Die Messgröße Temperatur wird von einem Thermoelement ohne weitere Hilfsspannungsquelle in eine elektrische Spannung umgewandelt.

Verbindet man zwei Metalle mit möglichst stark unterschiedlicher Thermokraft zu einem Thermopaar, so bildet sich zwischen den freien Enden eine Spannung aus, die von der Temperaturdifferenz der Verbindungsstellen und der Differenz der Thermokräfte der beiden Metalle abhängig ist. Durch sie lässt sich auch die jeweilige Temperatur bestimmen.

In den Normen DIN 43710 und IEC 584 sind die wichtigsten und am häufigsten verwendeten Materialkombinationen mit ihrem Temperatur-Spannungsverhalten festgelegt.