Thermoelemente messen Temperaturdifferenzen

Dieser Blogeintrag beschäftigt sich mit dem Funktionsprinzip von Thermoelementen. Wichtig für das Verständnis ist dabei, dass Thermoelemetnte nicht punktuell eine Temperatur messen, sondern immer die Differenz aus heißer und kälter, also eine Temperaturdifferenz.

Grundlage jeder Thermoelementanwendung ist der Seebeck-Effekt. Thomas Johann Seebeck entdeckte 1821 zufällig, dass in einem Stromkreis aus zwei unterschiedlichen Metallen eine elektrische Spannung entsteht, wenn die verschiedenen Metalle auch eine ungleiche Temperatur haben. Diese Entdeckung bewies Seebeck 1821 mit seinem ersten Thermoelement. Es ist heutzutage bekannt, dass diese Spannung durch Thermodiffusion in den Materialien entsteht. Der Temperaturgradient ist bei der Betrachtung von Thermoelementen somit der wichtigste Aspekt.

Für die Thermoelementmessung werden zwei verschiedene, definierte Metalle benötigt. Werden diese zwei verschiedenen Temperaturen ausgesetzt, besteht also ein Temperaturunterschied, dann entsteht ein Temperaturgradient. An dem heißeren Ende des Leiters befinden sich mehr Elektronen mit hoher Energie, als Elektronen mit geringer Energie.

vereinfachte Darstellung einer Thermoelementanwendung

vereinfachte Darstellung einer Thermoelementanwendung

T1 = heiße Stelle
T2 = Vergleichsstelle

Die Materialpaarungen bestimmen den Seebeck-Koeffizienten (oder die absolute differenzielle Thermospannung). Die Temperaturbereiche bestimmen die Materialpaarungen und führten zu einer Norm der sog. Spannungsreihen.

In der DIN EN 60584 sind die Grundwerte der Thermospannungen genormt. Referenztemperatur für die in der Norm dokumentierten Tabellen ist 0°C. Das bedeutet, dass bei allen genormten Spannungsreihen die kalte Temperatur 0°C ist.

Also, wie schon vorher dargestellt, ist an der Temperaturanzeige eines Thermoelementes eine Temperaturdifferenz zwischen heißer und kalter Stelle abzulesen. Die kalte Stelle wird Vergleichsstelle genannt.

Die einfachste Form der Realisierung der Vergleichsstelle ist das Eismatsch in Dewar-Gefäßen. Das lernen Studenten heute noch in den Praktiken der Thermoelement-Temperaturmessung kennen. Für die Industrie ist jedoch diese „Eiszeit“ vorüber. Es gibt mittlerweile praktikablere Meßmethoden.

Üblicherweise werden Vergleichsstellen heute als elektrische Eispunkt-Thermostate realisiert. Eine Vergleichsstelle hat zwei für die Thermoelementmessung ganz wichtige Funktionen: Zum einen wird eine definierte Vergleichsstellentemperatur (z. B. 0°C, aber auch 50°C oder 70°C) zur Verfügung gestellt. Sie dient jedoch auch zur Darstellung einer homogenen Umgebungstemperatur mit dem Übergang von Thermomaterial zur Ausgleichsleitung. Thermomaterial ist sehr hochwertig und damit teuer. Es wird deshalb nur für die heiße Stelle verbaut. Zur Verdrahtung der Thermoelementapplikation werden Kupferersatzstoffe verarbeitet, die im Temperaturbereich bis 50° oder 100° ein ähnliches Thermospannungsverhalten zeigen wie das Thermomaterial. Damit an der Übergangsstelle von der Thermoleitung zum Ausgleichsmaterial eine weitere Thermospannung entsteht, werden diese Übergangsstellen in Thermoelementvergleichsstellen auf konstanter Temperatur gehalten. Wir unterscheiden hier zwischen Doppel-Thermoelement-Vergleichsstellen, wobei beide Thermoelementmaterialien auf der konstanten Temperatur gehalten werden, oder Einfach-Elementvergleichsstellen, bei denen nur eine Verbindung auf der Vergleichsstellentemperatur gehalten wird. Dies ist aber nur bei den Thermoelementen möglich, bei denen ein Schenkel aus Kupfer besteht. Zur Reduzierung der Messfehler empfiehlt sich grundsätzlich eine Doppel-Thermoelement-Vergleichsstelle.

Einfach-Vergleichsstelle

Einfach-Vergleichsstelle

Doppel-Vergleichsstelle

Doppel-Vergleichsstelle

Vergleichsstellen werden heute als elektrische Eispunkt-Thermostate realisiert. Solche Thermostate mit thermoelektrischer Kühlung und einem eingebauten, kalibrierten Referenzsensor zur Temperaturüberwachung erfordern im Gegensatz zu Eis-Dewargefäßen auch im Dauerbetrieb keine Wartung. Eispunkt-Thermostate befinden sich zwischen der heißen Stelle des Thermoelementes und dem Auswertgerät. Der Eingang wird über thermospannungsfreie Miniaturstecker oder entsprechende Schraubklemmen aus Thermomaterial realisiert. In den Vergleichsstellen wird dann das Thermomaterial mit Kupfer verbunden und die Kupferdrähte werden zum Ausgang geführt. Vom Ausgang gehen Kupferleitungen zu den entsprechenden Auswertgeräten. Da sich die genormten Spannungsreihen auf eine Referenztemperatur von 0°C beziehen, werden in der Regel Eispunkt-Thermostate mit einer Vergleichstemperatur von 0°C bevorzugt. In Anlagen, bei denen Umgebungstemperatur über 30°C liegt, werden oftmals Vergleichsstellenthermostate mit einer Temperatur von 45°C oder sogar 70°C eingesetzt. Die Vergleichsstellentemperatur wird über einen mikroprozessorgesteuerten Regler gehalten, mit dem Stabilitäten bis zu 0,01°C erreicht werden können.

bestücktes Vergleichsstellenthermostat

bestücktes Vergleichsstellenthermostat

Die erreichbare Stabilität ist von der Beladung abhängig. Führt die Beladung zu einer Wärmeableitung, so kann dieser Fehler über den Regler korrigiert werden. Der eingebaute kalibrierte Referenzfühler ermittelt die Höhe der Wärmeableitung.

Thermoelement-Vergleichsstellen werden in der Regel nach Kundenwunsch aufgebaut und können so an die Anforderungen vor Ort angepasst werden.