Temperatur-Messung, Thermoelement

Thermoelement

Dieser Artikel liefert unter anderem Antworten auf die folgenden Fragen:

  • Wie funktioniert ein Thermoelement?
  • Was ist der Seebeck-Effekt?
  • Worin unterscheiden sich die Typen von Thermoelementen?
  • Was versteht man unter einer Kaltstellenkompensation?
  • Welche Vorteile haben Thermoelemente im Vergleich zur Widerstandsthermometern?

Seebeck-Effekt

Ein Thermoelement nutzt das Phänomen, dass bei Vorhandensein eines Temperaturgefälles entlang eines elektrischen Leiters eine Spannung entsteht.

Temperatur-Messung, Thermoelement
Abbildung: Thermoelement

Ursache dieses thermoelektrischen Effektes liegt in der Metallbindung und dabei insbesondere in der freien Beweglichkeit der Elektronen im Metall. Wird ein Metalldraht lediglich an einem Ende erhitzt, dann nehmen dort die Gitterschwingungen und die Bewegungen der freien Elektronen zu. Sie beginnen sich aufgrund der starken Stoßprozesse praktisch zu verteilen und diffundieren verstärkt zum kalten Ende. Dort sind die Bewegungsenergien der Elektronen geringer und die Elektronen werden nicht durch heftige Stoßprozesse wieder abgestoßen.

Animation: Seebeck-Effekt

Das Elektronengas verhält sich praktisch wie ein “reales Gas”, dessen Teilchen bei Erwärmung einen größeren Raum einnehmen und die Teilchendichte entsprechend sinkt.

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Abbildung: Illustration des Seebeck-Effekts

Es kommt somit zu einer ungleichen Ladungsverteilung zwischen den beiden Drahtenden, wobei das heiße Ende einen Elektronenmangel und das kalte Ende einen Elektronenüberschuss aufweist. Dementsprechend entsteht eine elektrische Spannung zwischen den beiden Enden, die auch als Thermospannung bezeichnet wird. Dieser thermoelektrische Effekt wird auch als Seebeck-Effekt bezeichnet und die Thermospannung auch Seebeck-Spannung genannt.

Der thermoelektrische Effekt (Seebeck-Effekt) beschreibt die Umwandlung von Wärme in elektrische Energie aufgrund von Diffusionsvorgänge die durch Temperaturunterschiede hervorgerufen werden!

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Abbildung: Seebeck-Effekt

Pro Kelvin Temperaturgefälle entlang eins elektrischen Leiters liegt der Seebeck-Effekt in der Größenordnung von wenigen Mikrovolt. Die Stärke einer solchen Thermospannung ist bei gegebenem Temperaturgefälle stark vom Leitermaterial abhängig. Bei Stoffen deren freibewegliche Elektronen sich bei Erwärmung relativ leicht in Bewegung versetzen lassen, ist die Thermospannung größer da sie sich stärker verteilen.

Thermoelement

Würde nun ein solch einfacher Draht wie er oben beschrieben zur Temperaturmessung einer Wärmequelle ausgesetzt werden, würde sich der Draht gleichmäßig erwärmen. Aufgrund der fehlenden Temperaturdifferenz zwischen den Enden, wäre keine Thermospannung zu messen. Zudem würden an den zusätzlichen Messleitungen weitere thermoelektrische Spannungen entstehen.

Man benötigt deshalb zwei unterschiedliche Leiter, die sich in der Stärke des Seebeck-Effektes unterscheiden (z.B. Kupfer und Eisen). Die unterschiedlichen Drähte werden nun an einem Ende leitend miteinander verbunden. Diese Verbindungsstelle dient als Messstelle und wird der zu messenden Temperatur ausgesetzt. Die jeweils anderen Enden führen zur sogenannten Vergleichsstelle, dessen Temperatur in der Regel Umgebungstemperatur besitzt.

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Abbildung: Experiment zur Messung der Thermospannung eines Thermoelementes

Zwischen Messstelle und Vergleichsstelle herrscht nun ein Temperaturgefälle und somit auch zwischen den Enden innerhalb der jeweiligen Drähte. Es kommt zum thermoelektrischen Effekt mit der Folge einer elektrischen Spannung. Da es sich um unterschiedliche Metalle handelt, ist der thermoelektrische Effekt auch jeweils unterschiedlich stark ausgeprägt. So weist Eisen bspw. gegenüber Kupfer eine rund 6 mal so große Thermospannung bei derselben Temperaturdifferenz auf.

Da die beiden Metalle an der Messstelle elektrisch miteinander verbunden sind, liegen diese auf demselben elektrischen Potential. Demzufolge unterscheiden sich dann die elektrischen Potentiale an der Vergleichsstelle und es entsteht eine elektrische Spannung die mit einem Voltmeter gemessen werden kann.

Diese elektrische Spannung lässt sich auch wie folgt anschaulich erklären: Die Diffusion der Elektronen von der Messstelle zur Vergleichsstelle infolge der Temperaturdifferenz ist bei Eisen deutlich ausgeprägter, d.h. dort werden sich mehr Elektronen ansammeln als am Ende des Kupferdrahtes. Es kommt somit zwischen den Drahtenden an der Vergleichsstelle zu einem Ladungsungleichgewicht, zugunsten einer verstärkten Elektronenansammlung am Ende des Eisendrahts. Es entsteht eine messbare Spannung an der Vergleichsstelle, die abhängig von der Temperaturdifferenz zur Messstelle ist.

Thermoelemente messen ihrem Funktionsprinzip nach nur Thermospannungen aufgrund von Temperaturdifferenzen zwischen Messstelle und Vergleichsstelle!

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Abbildung: Aufbau eines Thermoelements

Kaltstellenkompensation

Mit dem oben beschriebenen Messaufbau kann über die gemessene Spannung zunächst also zunächst nur die Temperaturdifferenz zwischen Messstelle und Vergleichsstelle ermittelt werden. Für die Bestimmung der absoluten Temperatur an der Messstelle muss deshalb die Temperatur an der Vergleichsstelle bekannt sein. Dieses Bestimmen der Temperatur an der “kalten” Vergleichsstelle wird auch als Kaltstellenkompensation bezeichnet.

Die Ermittlung der Vergleichsstellentemperatur kann zum Beispiel mit einem Pt100 vorgenommen werden, dessen elektrisches Signal schaltungstechnisch dann direkt mit der Thermospannung verarbeitet werden kann, um die Temperatur an der Messstelle auszugeben.

Typen von Thermoelementen

Der Auswahl der Materialien zur Erzeugung der Thermospannung eines Thermoelementes kommt eine zentrale Bedeutung zu. Folgende Eigenschaften an die Materialkombination werden dabei zugrunde gelegt:

  • möglichst hohe Thermospannungen
  • möglichst hohe Korrosionsbeständigkeit
  • möglichst lineare Kennlinie zwischen Temperaturdifferenz und Thermospannung (hohe Genauigkeit)
  • möglichst breite Abdeckung der Linearität über einen weiten Temperaturbereich

Keine Materialpaarung kann bisher alle geforderten Eigenschaften im selben Maße abdecken. Deshalb werden je nach Anwendungsfall und gestellten Anforderungen unterschiedliche Materialpaarungen (sog. Typen) verwendet, wie bspw.:

  • Typ J: Kupfer-Nickel-Legierung & Eisen; einsetzbar von ca. -200 °C bis 750 °C
  • Typ K: Nickel-Chrom-Legierung & Nickel; einsetzbar von ca. -250 °C bis 1200 °C
  • Typ R: Platin-Rhodium-Legierung & Platin; einsetzbar von ca. -50°C bis 1500 °C

Am häufigsten ist im Privatgebrauch der Typ K wiederzufinden.

Vorteile

Der Vorteil von Thermoelementen ist die relativ kurze Reaktionszeit, d.h. sie reagieren sehr schnell auf Änderungen der Temperatur. Zudem sind Thermoelemente mechanisch sehr robust und decken je nach Typ einen Temperaturbereich von -250 °C bis +2000 °C ab. Des weiteren können Thermoelemente aufgrund ihrere platzsparenden Bauweise auch schwer zugängliche Stellen problemlos erreichen. Aufgrund der relativ kleinen Messspitze können Thermoelemente zudem Temperaturen von sehr kleinen Gegenständen messen.