Temperaturmessung

Thermoelement

Thermoelemente basieren auf dem Prinzip der vergleichenden Messung. Ein Thermo­element besteht aus zwei metallischen Leitern unterschiedlicher Materialien, die an der Spitze miteinander verschweißt sind. Dadurch sind Thermo­elemente besonders vibrationsfest. Ein industrielles Thermo­element besteht aus einem Thermo­paar, das zur Messung herangezogen wird. Als Referenz dient immer die Klemmen­temperatur oder Vergleichsstellen­temperatur, an der das Thermo­element mit der Auswerte­einheit (z.B. dem Messumformer) verbunden ist. Dies ist notwendig, damit die Umgebungs­temperatur an der Anschluss­stelle das Mess­ergebnis nicht beeinflusst.

Normalerweise besteht das Thermoelement aus einer Kombination von zwei Materialien mit Durchmessern von 0,2 bis 5 mm. Bei der Verwendung von Edelmaterialien wie Rhodium oder Platin reichen diese Abmessungen von 0,1 bis 0,5 mm. Bei der Auswahl eines Thermoelementmaterials sollte darauf geachtet werden, dass es einen hohen Seebeck-Faktor hat und dass die Temperatur seinen Wert so wenig wie möglich beeinflusst, um eine lineare Kennlinie zu erreichen. Das geeignete Thermoelement­material wird entsprechend dem Bereich der gemessenen Temperatur ausgewählt.

Der Außenmantel des Sensors ist sehr hohen Temperaturen ausgesetzt, so dass es notwendig ist, verschiedene Stahlsorten zu verwenden. Bei den höchsten Temperaturen wird das Thermoelement­schutzrohr aus hitzebeständigem Stahl oder keramischen Werkstoffen hergestellt. Das Schutzrohr muss gegen Korrosion, Temperatur­schock und mechanische Beschädigung beständig sein. Eine wünschenswerte Eigenschaft zur Vermeidung von Korrosion des Thermoelements ist die Undurchlässigkeit von Gasen, die den Alterungs­prozess des Thermoelements erheblich beschleunigen könnten. Es gibt auch Designs ohne Abdeckung, die zur Reduzierung dynamischer Fehler verwendet werden. Bei speziellen Messungen, wie z.B. der Temperatur von flüssigen Metallen, Glas oder flüssigem Stahl, kommen hochspezialisierte Thermoelement­ausführungen zum Einsatz.

Unter der Vielzahl möglicher Metall­kombinationen wurden bestimmte ausgewählt und in ihren Eigenschaften genormt, insbesondere der Spannungs­reihe und den zulässigen Grenz­abweichungen. Die folgenden Elemente sind hinsichtlich der Thermo­spannung und deren Toleranz sowohl weltweit (IEC) genormt als auch europäisch bzw. national genormt.


Farbkennzeichnung bei Thermoelementen

Element

Maximal­temperatur

Definiert bis

Plus­schenkel

Minus­schenkel

Fe-CuNi

„J“

750°C

1200°C

schwarz

weiß

Ce-CuNi

„T“

350°C

400°C

braun

weiß

NiCr-Ni

„K“

1200°C

1370°C

grün

weiß

NiCr-CuNi

„E“

900°C

1000°C

violett

weiß

NiCrSi-NiSi

„N“

1200°C

1300°C

lila

weiß

Pt10Rh-Pt

„S“

1600°C

1540°C

orange

weiß

Pt13Rh-Pt

„R“

1600°C

1760°C

orange

weiß

Pt30Rh-Pt6Rh

„B“

1700°C

1820°C

keine Angabe

weiß

Thermo­elemente nach DIN EN 60 584

 

Element

Maximal­temperatur

Definiert bis

Plus­schenkel

Minus­schenkel

Fe-CuNi

„L“

700°C

900°C

rot

blau

Ce-CuNi

„U“

400°C

600°C

rot

braun

Thermoelemente nach DIN 43 710

 

Farbkenn­zeichnung von Ausgleichs­leitungen

Element

Typ

Mantel

Plus­schenkel

Minus­schenkel

Cu-CuNi

„T“

braun

braun

weiß

Fe-CuNi

„J“

schwarz

schwarz

weiß

NiCr-Ni

„K“

grün

grün

weiß

NiCrSi-NiSi

„N“

lila

lila

weiß

NiCr-CuNi

„E“

violett

violett

weiß

Pt10Rh-Pt

„S“

orange

orange

weiß

Pt13Rh-Pt

„R“

orange

orange

weiß

Farb­kennzeichnungen für Thermo­elemente nach DIN EN 60 584

 

Element

Typ

Mantel

Plus­schenkel

Minus­schenkel

Fe-CuNi

„L“

blau

rot

blau

Ce-CuNi

„U“

braun

rot

braun

Farb­kennzeichnungen für Thermo­elemente nach DIN 43 713

 

Element

Typ

Mantel

Plus­schenkel

Minus­schenkel

NiCr-Ni

„K“

grün

rot

grün

Pt10Rh-Pt

„S“

weiß

rot

weiß

Pt13Rh-Pt

„R“

weiß

rot

weiß

Farb­kennzeichnungen für Elemente nach DIN 43 714, Stand 1979

Das Prinzip der Thermoelemente ist das Ergebnis des so genannten Seebeck-Effekts. Dieses Phänomen lässt sich durch die Theorie der freien Elektronen erklären, nach der verschiedene Arten von Leitern eine unterschiedliche Dichte an freien Elektronen aufweisen. An der Kontaktstelle von zwei verschiedenen Leitern, die ein Thermoelement bilden, bewegen sich die Elektronen von einem Leiter zum anderen. Eine größere Anzahl von Elektronen wird sich von einem Leiter mit höherer Dichte zu einem Leiter bewegen mit geringerer Dichte. Die Intensität der Elektronenwanderung hängt von der Temperatur des Kontaktpunktes der beiden Leiter ab, sie ist auch umso höher, je höher die Temperatur ist. Die elektromotorische Kraft, die in einem Thermoelement-Schaltkreis gebildet wird, der aus zwei verschiedenen Leitern besteht, deren Enden bei unterschiedlichen Temperaturen platziert wurden, ist durch die Formel gegeben:

V=(S-SA)⋅(T2-T1)

Die resultierende elektromotorische Kraft liegt in der Größenordnung von einigen bis zu mehreren Dutzend Mikrovolt pro Grad Celsius.

Die Auswahl des Thermo­element-Typs hängt in erster Linie von der Einsatz-Temperatur ab. Weiterhin sollte ein Element mit hoher Thermo­spannung gewählt werden, um ein möglichst störunempfindliches Mess­signal zu erhalten. In der folgenden Tabelle: Eigenschaften von Thermo­elementen sind die verschiedenen Elemente zusammen mit einer kurzen Charakterisierung aufgeführt. Die empfohlenen Maximal­temperaturen können nur als Eckwerte angenommen werden, da sie stark von den Einsatzbedingungen abhängen. Sie beziehen sich auf einen Draht­durchmesser von 3 mm bei den unedlen und 0,5 mm bei den edlen Elementen.


Cu-CuNi

350°C1)

Geringe Verbreitung.

Fe-CuNi

700°C1)

Stark verbreitet, preiswert, korrosionsgefährdet.

NiCr-CuNi

700°C1)

Geringe Verbreitung, hohe Thermospannung.

NiCr-Ni

1000°C

Im Bereich von 800 - 1000°C oft eingesetzt, auch für den unteren Temperaturbereich geeignet.

NiCrSi-NiSi

1300°C

(Noch) wenig verbreitet. Kann teilweise edle Elemente ersetzen.

Pt10Rh-Pt

1500°C (1300°C1))

Hohe Kosten, sehr gute Langzeitkonstanz, eng toleriert.

Pt30Rh-Pt6Rh

1700°C

Hohe Kosten, geringste Thermospannung, hohe Maximaltemperatur.

Nach DIN 43710 (1977) bei Verwendung in reiner Luft

Kurzschluss oder Unterbrechung

Ein Thermo­element liefert keine Spannung, wenn die Mess­temperatur gleich der Vergleichsstellen­temperatur ist. Wird ein Thermo­element bzw. die Ausgleichs­leitung kurzgeschlossen, so entsteht die neue Mess­stelle am Ort des Kurz­schlusses. Tritt ein derartiger Kurz­schluss beispielsweise im Anschluss­kopf auf, so wird nicht mehr die Temperatur der eigentlichen Mess­stelle angezeigt, sondern die des Anschluss­kopfes. Liegt im Mess­kreis eine Unterbrechung vor, so zeigt das Folgegerät die Vergleichsstellen­temperatur an.

Die Länge der Thermo- oder Ausgleichs­leitung ist wegen des geringen Innen­widerstandes von untergeordneter Bedeutung. Bei größeren Leitungs­längen mit geringem Quer­schnitt kann allerdings der Widerstand der Thermo- oder Ausgleichs­leitungen vergleichsweise hohe Werte annehmen. Zur Vermeidung von Anzeige­fehlern muss der Innen­widerstand der Eingangs­schaltung von Folge­geräten mindestens 1000 mal größer sein als der Widerstand des angeschlossenen Thermo­elementes. Es dürfen immer nur Ausgleichs­leitungen aus dem gleichen Material wie das Element selbst bzw. mit den gleichen thermo­elektrischen Eigenschaften eingesetzt werden, da ansonsten an der Verbindungs­stelle ein neues Element entsteht. Die Ausgleichs­leitung muss bis zur Vergleichs­stelle verlegt werden. Beim Anschluss von Thermo­elementen ist die Polarität zu beachten.


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