Wie funktionieren Thermoelemente?

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Zu einer großen Gruppe der Thermometer zählen die Thermoelemente. Vereinfacht beschrieben, besteht ein Thermoelement aus zwei einfachen Drähten. Sie werden vor allem bei industriellen Messungen in großer Stückzahl verwendet. Am häufigsten werden sie bei hohen Temperaturen eingesetzt.

Doch wie kann man mit zwei Drähten Temperaturen messen?

eXacal Präzisions-Thermoelement

eXacal Präzisions-Thermoelement

Prinzip des Seebeck Effekts

Thermoelemente basieren auf dem von Seebeck 1821 beschriebenen Effekt, dass ein geringer Strom fließt, wenn zwei unterschiedliche Leiter miteinander in Verbindung stehen und an ihren Kontaktstellen ein Temperaturunterschied besteht.

Die so verbundenen Leiter werden Thermoelement oder Thermopaar genannt. Erklärt werden kann dieser Effekt durch eine schematische Darstellung eines elektrischen Leiters:

Das rechte Beispiel zeigt einen neutralen Leiter. Die Temperatur T1 auf der linken Seite entspricht der Temperatur T2 auf der rechten Seite. Die roten kleinen Kreise sollen Atome darstellen, zwischen denen sich freie Elektronen bewegen. Diese Elektronen sind in dem Beispiel als grüne Punkte dargestellt. Der Leiter befindet sich in einem stabilen Zustand. Durch die gleiche Temperatur sind die freien Elektronen gleichmäßig im Leiter verteilt.

Bei dem linken Beispiel wird an der linken Seite (T1) des Leiters Wärme zugeführt +Q. Die Temperatur an der Stelle T1 ist nun höher als an der Stelle T2. Die zugeführte Energie an der linken Seite des Leiters erhöht die Geschwindigkeit der freien Elektronen. Durch die Geschwindigkeitszunahme schwingen die freien Elektronen stärker und werden an das rechte Ende des Leiters verdrängt. An der Stelle T2, dort wo die Temperatur niedriger ist, entsteht ein Ladungsschwerpunkt. Dieser Ladungsschwerpunkt entsteht immer an der kalten Seite des Leiters.

Dieser Effekt ist zwar temperaturabhängig, ermöglicht aber noch keine reproduzierbare Temperaturmessung. Werden aber nun zwei verschiedene Metalle, bei denen sich die Elektronen unterschiedlich verhalten, in Verbindung gebracht, kann eine Ladungsdifferenz entstehen.

Am Beispiel eines Typ N Thermoelementes (NiCrSi / NiSi) kann man sich das bildlich so vorstellen:

Dabei ist wichtig:

  • die Leiter müssen verbunden sein
  • es muß zwischen T1 und T2 eine Temperaturdifferenz bestehen

In dem Beispiel wird an der Messstelle T1 Wärme +Q zugeführt. Die Temperatur T2 ist nun niedriger als T1.
Da die zwei Leiter nicht aus dem gleichen Material sind, entstehen unterschiedliche Ladungsschwerpunkte. Die so entstandene Thermospannung kann mit einem Voltmeter V gemessen werden.

Diese Spannung ist abhängig von der Temperatur und gut reproduzierbar. Der gezeigte Aufbau eignet sich zum Messen von Temperaturen und entspricht einem einfachen Thermoelement.