Thermoelement

Thermoelement, angeschlossen an ein Multimeter, das die Raumtemperatur in °C anzeigt ⓘ

Ein Thermoelement ist ein elektrisches Gerät, das aus zwei ungleichen elektrischen Leitern besteht, die eine elektrische Verbindung bilden. Ein Thermoelement erzeugt aufgrund des Seebeck-Effekts eine temperaturabhängige Spannung, die zur Messung der Temperatur ausgewertet werden kann. Thermoelemente werden häufig als Temperatursensoren eingesetzt. ⓘ

Handelsübliche Thermoelemente sind preiswert, austauschbar, werden mit Standardanschlüssen geliefert und können eine große Bandbreite an Temperaturen messen. Im Gegensatz zu den meisten anderen Methoden der Temperaturmessung sind Thermoelemente selbstversorgend und benötigen keine externe Erregung. Die größte Einschränkung bei Thermoelementen ist die Genauigkeit; Systemfehler von weniger als einem Grad Celsius (°C) können schwer zu erreichen sein. ⓘ

Thermoelemente sind in Wissenschaft und Industrie weit verbreitet. Zu den Anwendungen gehören Temperaturmessungen in Öfen, Gasturbinenabgasen, Dieselmotoren und anderen industriellen Prozessen. Thermoelemente werden auch in Privathaushalten, Büros und Unternehmen als Temperatursensoren in Thermostaten und als Flammensensoren in Sicherheitsvorrichtungen für gasbetriebene Geräte verwendet. ⓘ

Symbol des Thermoelements für Schaltpläne gemäß Normung mit Angabe der Polarität oder Kennzeichnung des negativen Pols durch breitere Linie ⓘ

Spitze eines geschweißten Thermoelementes vom Typ J ⓘ

Prinzip der Funktionsweise

Im Jahr 1821 entdeckte der deutsche Physiker Thomas Johann Seebeck, dass eine Magnetnadel, die in die Nähe eines Stromkreises aus zwei ungleichen Metallen gehalten wurde, ausgelenkt wurde, wenn eine der ungleichen Metallverbindungen erhitzt wurde. Damals bezeichnete Seebeck diese Folge als Thermomagnetismus. Später stellte sich heraus, dass das von ihm beobachtete Magnetfeld auf einen thermoelektrischen Strom zurückzuführen ist. In der Praxis ist die Spannung, die an einer einzigen Verbindungsstelle von zwei verschiedenen Drahttypen erzeugt wird, von Interesse, da sie zur Messung der Temperatur bei sehr hohen und niedrigen Temperaturen verwendet werden kann. Die Höhe der Spannung hängt von der Art des verwendeten Drahtes ab. Im Allgemeinen liegt die Spannung im Mikrovoltbereich, und es ist Vorsicht geboten, um eine brauchbare Messung zu erhalten. Obwohl nur sehr wenig Strom fließt, kann durch eine einzelne Thermoelementverbindung Strom erzeugt werden. Die Stromerzeugung mit mehreren Thermoelementen, wie bei einer Thermosäule, ist üblich. ⓘ

Thermoelement des Typs K (Chromel-Alumel) in der Standard-Thermoelement-Messanordnung. Die gemessene Spannung $\scriptstyle V$ kann zur Berechnung der Temperatur verwendet werden $\scriptstyle T_{\mathrm {sense} }$verwendet werden, vorausgesetzt, die Temperatur $\scriptstyle T_{\mathrm {ref} }$ bekannt ist. ⓘ

Die Standardkonfiguration für die Verwendung von Thermoelementen ist in der Abbildung dargestellt. Kurz gesagt, die gewünschte Temperatur T_sense wird mit Hilfe von drei Eingängen ermittelt - der charakteristischen Funktion E(T) des Thermoelements, der gemessenen Spannung V und der Temperatur der Vergleichsstellen Tref. Die Lösung der Gleichung E(T_sense) = V + E(Tref) ergibt T_sense. Diese Details bleiben dem Benutzer oft verborgen, da der Vergleichsstellenblock (mit Tref-Thermometer), das Voltmeter und der Gleichungslöser in einem einzigen Produkt zusammengefasst sind. ⓘ

Seebeck-Effekt

Der Seebeck-Effekt bezieht sich auf die Entwicklung einer elektromotorischen Kraft über zwei Punkte eines elektrisch leitenden Materials, wenn ein Temperaturunterschied zwischen diesen beiden Punkten besteht. Unter Leerlaufbedingungen, bei denen kein interner Stromfluss vorhanden ist, ist der Spannungsgradient ($\scriptstyle {\boldsymbol {\nabla }}V$) direkt proportional zu dem Temperaturgefälle ($\scriptstyle {\boldsymbol {\nabla }}T$):

${\boldsymbol {\nabla }}V=-S(T){\boldsymbol {\nabla }}T,$

wobei $S(T)$ eine als Seebeck-Koeffizient bezeichnete temperaturabhängige Materialeigenschaft ist. ⓘ

Die in der Abbildung gezeigte Standardmessanordnung zeigt vier Temperaturbereiche und damit vier Spannungsbeiträge:

1. Änderung von $\scriptstyle T_{\mathrm {meter} }$ zu $\scriptstyle T_{\mathrm {ref} }$, im unteren Kupferdraht.
2. Änderung von $\scriptstyle T_{\mathrm {ref} }$ zu $\scriptstyle T_{\mathrm {sense} }$im Alumel-Draht.
3. Änderung von $\scriptstyle T_{\mathrm {sense} }$ zu $\scriptstyle T_{\mathrm {ref} }$, im Chromdraht.
4. Änderung von $\scriptstyle T_{\mathrm {ref} }$ zu $\scriptstyle T_{\mathrm {meter} }$, im oberen Kupferdraht. ⓘ

Der erste und der vierte Beitrag heben sich genau auf, da es sich in diesen Bereichen um dieselbe Temperaturänderung und ein identisches Material handelt. Daraus folgt, $\scriptstyle T_{\mathrm {meter} }$ keinen Einfluss auf die gemessene Spannung. Der zweite und dritte Beitrag heben sich nicht auf, da es sich um unterschiedliche Materialien handelt. ⓘ

Die gemessene Spannung ergibt sich zu

$V=\int _{T_{\mathrm {ref} }}^{T_{\mathrm {sense} }}\left(S_{+}(T)-S_{-}(T)\right)\,dT,$

wobei $\scriptstyle S_{+}$ und $\scriptstyle S_{-}$ sind die Seebeck-Koeffizienten der Leiter, die an den Plus- bzw. Minuspol des Voltmeters angeschlossen sind (in der Abbildung: Chromel und Aluminium). ⓘ

Charakteristische Funktion

Das Verhalten des Thermoelementes wird durch eine charakteristische Funktion $\scriptstyle E(T)$erfasst, die nur mit zwei Argumenten abgefragt werden muss:

$V=E(T_{\mathrm {sense} })-E(T_{\mathrm {ref} }).$

In Bezug auf die Seebeck-Koeffizienten ist die charakteristische Funktion definiert durch

$E(T)=\int ^{T}S_{+}(T')-S_{-}(T')dT'+\mathrm {const}$

Die Integrationskonstante in diesem unbestimmten Integral hat keine Bedeutung, wird aber üblicherweise so gewählt, dass $\scriptstyle E(0\,{}^{\circ }{\rm {C}})=0$. ⓘ

Hersteller von Thermoelementen und metrologische Normungsorganisationen wie das NIST stellen Tabellen mit der Funktion $\scriptstyle E(T)$ die über eine Reihe von Temperaturen für bestimmte Thermoelementtypen gemessen und interpoliert wurden (siehe Abschnitt Externe Links für den Zugang zu diesen Tabellen). ⓘ

Vergleichsstelle

Vergleichsstellenblock in einem Fluke CNX t3000 Temperaturmessgerät. Zwei weiße Drähte sind mit einem Thermistor (eingebettet in weiße Wärmeleitpaste) verbunden, um die Temperatur der Vergleichsstellen zu messen. ⓘ

Um die gewünschte Messung von $\scriptstyle T_{\mathrm {sense} }$zu erhalten, reicht es nicht aus, nur zu messen $\scriptstyle V$. Die Temperatur an den Vergleichsstellen $\scriptstyle T_{\mathrm {ref} }$ muss bereits bekannt sein. Hier werden häufig zwei Strategien angewandt:

• Die "Eisbad"-Methode: Der Vergleichsstellenblock wird in ein halbgefrorenes Bad aus destilliertem Wasser bei Atmosphärendruck getaucht. Die genaue Temperatur des Schmelzpunkt-Phasenübergangs wirkt wie ein natürlicher Thermostat und fixiert $\scriptstyle T_{\mathrm {ref} }$ auf 0 °C.
• Vergleichsstellensensor (bekannt als "Kaltstellenkompensation"): Die Temperatur des Vergleichsstellenblocks darf variieren, aber die Temperatur wird an diesem Block mit einem separaten Temperatursensor gemessen. Diese sekundäre Messung wird verwendet, um Temperaturschwankungen an der Vergleichsstelle auszugleichen. Die Thermoelementstelle ist oft extremen Umgebungsbedingungen ausgesetzt, während die Vergleichsstelle oft in der Nähe des Messgeräts montiert ist. In modernen Thermoelement-Instrumenten werden häufig Halbleiterthermometer verwendet. ⓘ

In beiden Fällen wird der Wert $\scriptstyle V+E(T_{\mathrm {ref} })$ berechnet, dann wird die Funktion $\scriptstyle E(T)$ nach einem passenden Wert durchsucht. Das Argument, bei dem diese Übereinstimmung auftritt, ist der Wert von $\scriptstyle T_{\mathrm {sense} }$:

$E(T_{\mathrm {sense} })=V+E(T_{\mathrm {ref} })$. ⓘ

Praktische Belange

Thermoelemente sollten idealerweise sehr einfache Messgeräte sein, bei denen jeder Typ durch eine präzise $\scriptstyle E(T)$ Kurve charakterisiert wird, unabhängig von allen anderen Details. In der Realität werden Thermoelemente von Unsicherheiten bei der Legierungsherstellung, Alterungseffekten und Fehlern/Missverständnissen beim Schaltungsaufbau beeinflusst. ⓘ

Konstruktion des Schaltkreises

Ein häufiger Fehler bei der Konstruktion von Thermoelementen hängt mit der Kaltstellenkompensation zusammen. Wenn ein Fehler bei der Schätzung von $T_{\mathrm {ref} }$wird ein Fehler bei der Temperaturmessung auftreten. Bei den einfachsten Messungen werden die Thermoelementdrähte mit Kupfer verbunden, das weit von dem heißen oder kalten Punkt entfernt ist, dessen Temperatur gemessen wird; bei dieser Vergleichsstelle wird dann angenommen, dass sie Raumtemperatur hat, aber diese Temperatur kann schwanken. Wegen der Nichtlinearität der Thermoelement-Spannungskurve sind die Fehler in $T_{\mathrm {ref} }$ und $T_{\mathrm {sense} }$ im Allgemeinen ungleiche Werte. Einige Thermoelemente, wie z. B. Typ B, haben eine relativ flache Spannungskurve in der Nähe der Raumtemperatur, was bedeutet, dass eine große Unsicherheit bei einer Raumtemperatur $T_{\mathrm {ref} }$ nur zu einem kleinen Fehler in der $T_{\mathrm {sense} }$. ⓘ

Die Übergänge sollten auf zuverlässige Weise hergestellt werden, aber es gibt viele mögliche Ansätze, um dies zu erreichen. Für niedrige Temperaturen können Verbindungen hartgelötet oder gelötet werden; es kann jedoch schwierig sein, ein geeignetes Flussmittel zu finden, und wegen des niedrigen Schmelzpunkts des Lots ist dies für die Messstelle möglicherweise nicht geeignet. Referenz- und Erweiterungsanschlüsse werden daher normalerweise mit Schraubklemmen hergestellt. Bei hohen Temperaturen ist die gebräuchlichste Methode das Punktschweißen oder Crimpen unter Verwendung eines beständigen Materials. ⓘ

Ein weit verbreiteter Mythos in Bezug auf Thermoelemente ist, dass die Verbindungen sauber und ohne Beteiligung eines dritten Metalls hergestellt werden müssen, um unerwünschte zusätzliche EMF zu vermeiden. Dies kann auf ein weiteres verbreitetes Missverständnis zurückzuführen sein, dass die Spannung an der Verbindungsstelle erzeugt wird. Tatsächlich sollten die Verbindungsstellen im Prinzip eine gleichmäßige Innentemperatur haben; daher wird an der Verbindungsstelle keine Spannung erzeugt. Die Spannung wird im thermischen Gradienten entlang des Drahtes erzeugt. ⓘ

Ein Thermoelement erzeugt kleine Signale, oft in der Größenordnung von Mikrovolt. Für präzise Messungen dieses Signals ist ein Verstärker mit niedriger Eingangsoffsetspannung erforderlich, wobei darauf zu achten ist, dass thermische EMF durch Selbsterhitzung im Voltmeter selbst vermieden werden. Wenn der Thermodraht aus irgendeinem Grund einen hohen Widerstand aufweist (schlechter Kontakt an den Verbindungsstellen oder sehr dünne Drähte, die für ein schnelles thermisches Ansprechen verwendet werden), sollte das Messgerät eine hohe Eingangsimpedanz haben, um einen Offset in der gemessenen Spannung zu vermeiden. Ein nützliches Merkmal von Thermoelement-Messgeräten ist die gleichzeitige Messung des Widerstands und die Erkennung fehlerhafter Verbindungen in der Verdrahtung oder an Thermoelementübergängen. ⓘ

Metallurgische Qualitäten

Während ein Thermodrahttyp oft durch seine chemische Zusammensetzung beschrieben wird, besteht das eigentliche Ziel darin, ein Paar Drähte herzustellen, die einer standardisierten $\scriptstyle E(T)$ Kurve folgen. ⓘ

Verunreinigungen wirken sich auf jede Metallcharge anders aus und führen zu unterschiedlichen Seebeck-Koeffizienten. Um das Standardverhalten zu erreichen, mischen die Hersteller von Thermodrähten absichtlich zusätzliche Verunreinigungen bei, um die Legierung zu "dotieren" und unkontrollierte Schwankungen im Ausgangsmaterial auszugleichen. Infolgedessen gibt es Standard- und Spezialqualitäten von Thermodrähten, je nach dem geforderten Präzisionsgrad des Thermoelementverhaltens. Präzisionsqualitäten sind möglicherweise nur in angepassten Paaren erhältlich, bei denen ein Draht so modifiziert ist, dass er die Mängel des anderen Drahtes ausgleicht. ⓘ

Ein besonderer Fall von Thermodraht ist als "Verlängerungsdraht" bekannt, der dazu dient, den thermoelektrischen Stromkreis über eine längere Strecke zu führen. Verlängerungsdrähte folgen der angegebenen $\scriptstyle E(T)$ Kurve, aber aus verschiedenen Gründen sind sie nicht für den Einsatz in extremen Umgebungen ausgelegt und können daher in einigen Anwendungen nicht an der Messstelle verwendet werden. Ein Verlängerungsdraht kann zum Beispiel eine andere Form haben, wie z. B. hochflexibel mit Litzenkonstruktion und Kunststoffisolierung, oder Teil eines mehradrigen Kabels für die Übertragung vieler Thermoelementschaltungen sein. Bei teuren Edelmetall-Thermoelementen können die Verlängerungsdrähte sogar aus einem völlig anderen, billigeren Material bestehen, das den Standardtyp in einem reduzierten Temperaturbereich nachahmt. ⓘ

Alterung

Thermoelemente werden häufig bei hohen Temperaturen und in reaktiven Ofenatmosphären eingesetzt. In diesem Fall ist die praktische Lebensdauer durch die Alterung der Thermoelemente begrenzt. Die thermoelektrischen Koeffizienten der Drähte in einem Thermoelement, das zur Messung sehr hoher Temperaturen verwendet wird, können sich mit der Zeit verändern, und die Messspannung sinkt entsprechend. Die einfache Beziehung zwischen der Temperaturdifferenz der Verbindungsstellen und der Messspannung ist nur dann richtig, wenn jeder Draht homogen (einheitlich in der Zusammensetzung) ist. Wenn Thermoelemente in einem Prozess altern, können ihre Leiter aufgrund chemischer und metallurgischer Veränderungen, die durch extreme oder längere Exposition gegenüber hohen Temperaturen verursacht werden, an Homogenität verlieren. Wenn der gealterte Abschnitt des Thermoelementkreises einem Temperaturgefälle ausgesetzt ist, weicht die gemessene Spannung ab, was zu Fehlern führt. ⓘ

Gealterte Thermoelemente werden nur zum Teil verändert, z. B. in den Teilen außerhalb des Ofens nicht. Aus diesem Grund können gealterte Thermoelemente nicht aus ihrem Einbauort herausgenommen und in einem Bad oder einem Testofen neu kalibriert werden, um den Fehler zu bestimmen. Dies erklärt auch, warum manchmal Fehler beobachtet werden können, wenn ein gealtertes Thermoelement teilweise aus dem Ofen herausgezogen wird - wenn der Sensor zurückgezogen wird, können gealterte Abschnitte erhöhten Temperaturgradienten von heiß zu kalt ausgesetzt sein, da der gealterte Abschnitt nun durch den kühleren feuerfesten Bereich läuft, was zu einem erheblichen Fehler bei der Messung führt. Ebenso kann ein gealtertes Thermoelement, das tiefer in den Ofen geschoben wird, manchmal einen genaueren Messwert liefern, wenn das weitere Hineinschieben in den Ofen dazu führt, dass der Temperaturgradient nur in einem frischen Abschnitt auftritt. ⓘ

Typen

Bestimmte Kombinationen von Legierungen haben sich als Industriestandard durchgesetzt. Die Auswahl der Kombination richtet sich nach Kosten, Verfügbarkeit, Komfort, Schmelzpunkt, chemischen Eigenschaften, Stabilität und Leistung. Verschiedene Typen sind für unterschiedliche Anwendungen am besten geeignet. Sie werden in der Regel auf der Grundlage des erforderlichen Temperaturbereichs und der Empfindlichkeit ausgewählt. Thermoelemente mit geringer Empfindlichkeit (B-, R- und S-Typen) haben eine entsprechend geringere Auflösung. Weitere Auswahlkriterien sind die chemische Beständigkeit des Thermoelementmaterials und ob es magnetisch ist oder nicht. Die Standard-Thermoelementtypen sind nachstehend aufgeführt, wobei die positive Elektrode (Annahme $T_{\text{sense}}>T_{\text{ref}}$) an erster Stelle, gefolgt von der negativen Elektrode. ⓘ

Thermoelemente aus Nickellegierung

Charakteristische Funktionen für Thermoelemente, die mittlere Temperaturen erreichen, wie sie von den Thermoelementtypen E, J, K, M, N, T aus Nickellegierungen abgedeckt werden. Ebenfalls dargestellt sind die Edelmetalllegierung Typ P und die reinen Edelmetallkombinationen Gold-Platin und Platin-Palladium. ⓘ

Typ E

Der Typ E (Chromel-Konstantan) hat eine hohe Leistung (68 µV/°C), wodurch er sich gut für den Einsatz in der Tieftemperatur eignet. Außerdem ist er nicht magnetisch. Der weite Bereich reicht von -270 °C bis +740 °C und der enge Bereich ist -110 °C bis +140 °C. ⓘ

Typ J

Typ J (Eisen-Konstantan) hat einen engeren Bereich (-40 °C bis +750 °C) als Typ K, aber eine höhere Empfindlichkeit von etwa 50 µV/°C. Der Curie-Punkt des Eisens (770 °C) bewirkt eine sanfte Änderung der Kennlinie, die die obere Temperaturgrenze bestimmt. Beachten Sie, dass der europäische/deutsche Typ L eine Variante des Typs J ist, mit einer anderen Spezifikation für den EMK-Ausgang (siehe DIN 43712:1985-01). ⓘ

Typ K

Typ K (Chrom-Alumel) ist das gebräuchlichste Allzweck-Thermoelement mit einer Empfindlichkeit von etwa 41 µV/°C. Es ist preiswert, und es gibt eine Vielzahl von Fühlern für den Bereich von -200 °C bis +1350 °C (-330 °F bis +2460 °F). Der Typ K wurde zu einer Zeit spezifiziert, als die Metallurgie noch nicht so weit fortgeschritten war wie heute, so dass die Eigenschaften von Probe zu Probe sehr unterschiedlich sein können. Eines der enthaltenen Metalle, Nickel, ist magnetisch; ein Merkmal von Thermoelementen aus magnetischem Material ist, dass sie eine Leistungsabweichung aufweisen, wenn das Material seinen Curie-Punkt erreicht, was bei Thermoelementen vom Typ K bei etwa 185 °C der Fall ist. ⓘ

Sie funktionieren sehr gut in oxidierenden Atmosphären. Wenn jedoch eine überwiegend reduzierende Atmosphäre (z. B. Wasserstoff mit einer geringen Menge Sauerstoff) mit den Drähten in Berührung kommt, oxidiert das Chrom in der Chromel-Legierung. Dadurch verringert sich die Thermospannung, und das Thermoelement zeigt einen niedrigen Wert an. Dieses Phänomen wird als Grünfäule bezeichnet, was auf die Farbe der betroffenen Legierung zurückzuführen ist. Obwohl der Chromeldraht nicht immer eindeutig grün ist, entwickelt er eine gesprenkelte, silbrige Haut und wird magnetisch. Eine einfache Möglichkeit, dieses Problem festzustellen, ist zu prüfen, ob die beiden Drähte magnetisch sind (normalerweise ist Chromel nicht magnetisch). ⓘ

Wasserstoff in der Atmosphäre ist die übliche Ursache für Grünfäule. Bei hohen Temperaturen kann er durch feste Metalle oder ein intaktes Metallschutzrohr diffundieren. Selbst eine Magnesiumoxidhülle, die das Thermoelement isoliert, kann den Wasserstoff nicht fernhalten. ⓘ

Grünfäule tritt nicht auf, wenn die Atmosphäre ausreichend sauerstoffreich oder sauerstofffrei ist. Ein versiegeltes Schutzrohr kann mit Inertgas gefüllt werden, oder es kann ein Sauerstofffänger (z. B. ein Opfer-Titandraht) hinzugefügt werden. Alternativ kann auch zusätzlicher Sauerstoff in das Schutzrohr eingeleitet werden. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung eines anderen Thermoelementtyps für sauerstoffarme Atmosphären, in denen Grünfäule auftreten kann; ein Thermoelement vom Typ N ist eine geeignete Alternative. ⓘ

Typ M

Typ M (82%Ni/18%Mo-99,2%Ni/0,8%Co, nach Gewicht) werden in Vakuumöfen aus den gleichen Gründen wie Typ C (siehe unten) verwendet. Die obere Temperatur ist auf 1400 °C begrenzt. Er wird weniger häufig verwendet als die anderen Typen. ⓘ

Typ N

Thermoelemente vom Typ N (Nicrosil-Nisil) sind aufgrund ihrer Stabilität und Oxidationsbeständigkeit für den Einsatz zwischen -270 °C und +1300 °C geeignet. Die Empfindlichkeit beträgt etwa 39 µV/°C bei 900 °C und ist damit etwas geringer als beim Typ K. ⓘ

Die bei der Defence Science and Technology Organisation (DSTO) in Australien von Noel A. Burley entwickelten Thermoelemente vom Typ N überwinden die drei wichtigsten charakteristischen Arten und Ursachen der thermoelektrischen Instabilität der Standard-Thermoelementmaterialien aus Grundmetall:

1. Eine allmähliche und im Allgemeinen kumulative Drift der thermischen EMK bei längerer Exposition bei erhöhten Temperaturen. Dies wird bei allen Thermoelementwerkstoffen aus Basismetallen beobachtet und ist hauptsächlich auf Veränderungen der Zusammensetzung durch Oxidation, Aufkohlung oder Neutronenbestrahlung zurückzuführen, die in der Umgebung von Kernreaktoren zu Transmutation führen können. Bei Thermoelementen vom Typ K wandern Mangan- und Aluminiumatome vom KN-Draht (negativ) zum KP-Draht (positiv), was zu einer Abwärtsdrift aufgrund chemischer Verunreinigung führt. Dieser Effekt ist kumulativ und irreversibel.
2. Eine kurzzeitige zyklische Änderung der thermischen EMK bei Erwärmung im Temperaturbereich von etwa 250-650 °C, die bei Thermoelementen der Typen K, J, T und E auftritt. Diese Art von EMK-Instabilität steht im Zusammenhang mit strukturellen Änderungen wie der magnetischen Nahbereichsordnung in der metallurgischen Zusammensetzung.
3. Eine zeitunabhängige Störung der thermischen EMK in bestimmten Temperaturbereichen. Dies ist auf zusammensetzungsabhängige magnetische Umwandlungen zurückzuführen, die die thermischen EMKs in Thermoelementen vom Typ K im Bereich von etwa 25-225 °C und in Thermoelementen vom Typ J oberhalb von 730 °C stören. ⓘ

Die Nicrosil- und Nisil-Thermoelementlegierungen weisen im Vergleich zu den anderen Standard-Basismetall-Thermoelementlegierungen eine stark verbesserte thermoelektrische Stabilität auf, da ihre Zusammensetzungen die oben beschriebenen thermoelektrischen Instabilitäten erheblich reduzieren. Dies wird in erster Linie dadurch erreicht, dass die Konzentrationen der gelösten Bestandteile (Chrom und Silizium) in einer Nickelbasis über die Werte hinaus erhöht werden, die erforderlich sind, um einen Übergang von der internen zur externen Oxidation zu bewirken, und dass gelöste Bestandteile (Silizium und Magnesium) ausgewählt werden, die bevorzugt oxidieren und eine Diffusionsbarriere und somit oxidationshemmende Schichten bilden. ⓘ

Thermoelemente vom Typ N sind eine geeignete Alternative zum Typ K für sauerstoffarme Bedingungen, wo der Typ K zu Grünfäule neigt. Sie eignen sich für den Einsatz im Vakuum, in inerten Atmosphären, oxidierenden Atmosphären oder trockenen reduzierenden Atmosphären. Sie vertragen die Anwesenheit von Schwefel nicht. ⓘ

Typ T

Thermoelemente vom Typ T (Kupfer-Konstantan) sind für Messungen im Bereich von -200 bis 350 °C geeignet. Sie werden oft als Differenzmessung verwendet, da nur der Kupferdraht die Sonden berührt. Da beide Leiter nicht magnetisch sind, gibt es keinen Curie-Punkt und damit keine abrupte Änderung der Eigenschaften. Thermoelemente vom Typ T haben eine Empfindlichkeit von etwa 43 µV/°C. Es ist zu beachten, dass Kupfer eine viel höhere Wärmeleitfähigkeit hat als die üblicherweise für Thermoelemente verwendeten Legierungen, so dass bei der thermischen Verankerung von Typ-T-Thermoelementen besondere Vorsicht geboten ist. Eine ähnliche Zusammensetzung findet sich bei dem veralteten Typ U in der deutschen Spezifikation DIN 43712:1985-01. ⓘ

Thermoelemente aus Platin/Rhodium-Legierung

Charakteristische Funktionen für Hochtemperatur-Thermoelemente mit Pt/Rh-, W/Re-, Pt/Mo- und Ir/Rh-Legierungs-Thermoelementen. Ebenfalls dargestellt ist das Reinmetall-Thermoelement Pt-Pd. ⓘ

Die Thermoelemente der Typen B, R und S verwenden Platin oder eine Platin-Rhodium-Legierung für jeden Leiter. Sie gehören zu den stabilsten Thermoelementen, haben aber eine geringere Empfindlichkeit als andere Typen, etwa 10 µV/°C. Thermoelemente vom Typ B, R und S werden aufgrund ihrer hohen Kosten und geringen Empfindlichkeit normalerweise nur für Hochtemperaturmessungen verwendet. Bei Thermoelementen des Typs R und S kann HTX-Platindraht anstelle des reinen Platinschenkels verwendet werden, um das Thermoelement zu verstärken und Ausfälle durch Kornwachstum zu verhindern, die bei hohen Temperaturen und rauen Bedingungen auftreten können. ⓘ

Typ B

Thermoelemente vom Typ B (70%Pt/30%Rh-94%Pt/6%Rh, nach Gewicht) sind für den Einsatz bei bis zu 1800 °C geeignet. Thermoelemente vom Typ B liefern bei 0 °C und 42 °C die gleiche Leistung, so dass ihre Verwendung unterhalb von etwa 50 °C begrenzt ist. Die Thermospannungsfunktion hat ein Minimum bei 21 °C, was bedeutet, dass die Kaltstellenkompensation leicht durchgeführt werden kann, da die Kompensationsspannung bei typischen Raumtemperaturen im Wesentlichen eine Konstante für eine Referenz ist. ⓘ

Typ R

Thermoelemente vom Typ R (87%Pt/13%Rh-Pt, nach Gewicht) werden von 0 bis 1600 °C verwendet. Thermoelemente vom Typ R sind recht stabil und haben eine lange Lebensdauer, wenn sie unter sauberen, günstigen Bedingungen eingesetzt werden. Bei Verwendung über 1100 °C ( 2000 °F) müssen diese Thermoelemente vor dem Kontakt mit metallischen und nichtmetallischen Dämpfen geschützt werden. Der Typ R eignet sich nicht zum direkten Einsetzen in metallische Schutzrohre. Langfristige Einwirkung hoher Temperaturen verursacht Kornwachstum, das zu mechanischem Versagen und einer negativen Kalibrierungsdrift führen kann, die durch die Diffusion von Rhodium in den reinen Platinschenkel sowie durch die Verflüchtigung von Rhodium verursacht wird. Dieser Typ hat die gleichen Verwendungszwecke wie Typ S, ist aber nicht mit ihm austauschbar. ⓘ

Typ S

Thermoelemente vom Typ S (90 Gew.-%Pt/10 Gew.-%Rh-Pt) werden ähnlich wie der Typ R bis 1600 °C verwendet. Vor der Einführung der Internationalen Temperaturskala von 1990 (ITS-90) wurden Präzisionsthermoelemente vom Typ S als praktische Standardthermometer für den Bereich von 630 °C bis 1064 °C verwendet, die auf einer Interpolation zwischen den Gefrierpunkten von Antimon, Silber und Gold basierten. Seit der ITS-90 haben Platin-Widerstandsthermometer diesen Bereich als Standardthermometer übernommen. ⓘ

Thermoelemente aus Wolfram/Rhenium-Legierung

Diese Thermoelemente eignen sich gut für die Messung extrem hoher Temperaturen. Typische Anwendungen sind Wasserstoff und inerte Atmosphären sowie Vakuumöfen. Sie werden nicht in oxidierenden Umgebungen bei hohen Temperaturen verwendet, da sie verspröden. Ein typischer Bereich ist 0 bis 2315 °C, der bei inerter Atmosphäre auf 2760 °C und bei kurzen Messungen auf 3000 °C erweitert werden kann. ⓘ

Reines Wolfram rekristallisiert bei hohen Temperaturen und wird spröde. Daher werden die Typen C und D bei einigen Anwendungen gegenüber Typ G bevorzugt. ⓘ

In Gegenwart von Wasserdampf bei hohen Temperaturen reagiert Wolfram zu Wolframoxid, das sich verflüchtigt, und zu Wasserstoff. Wasserstoff reagiert dann mit Wolframoxid, und es bildet sich wieder Wasser. Ein solcher "Wasserkreislauf" kann zur Erosion des Thermoelements und schließlich zum Ausfall führen. Bei Hochtemperatur-Vakuumanwendungen ist es daher wünschenswert, das Vorhandensein von Spuren von Wasser zu vermeiden. ⓘ

Eine Alternative zu Wolfram/Rhenium ist Wolfram/Molybdän, aber die Spannungs-Temperatur-Antwort ist schwächer und hat ein Minimum bei etwa 1000 K. ⓘ

Die Temperatur des Thermoelementes wird auch durch andere verwendete Materialien begrenzt. Berylliumoxid zum Beispiel, ein beliebtes Material für Hochtemperaturanwendungen, neigt dazu, mit der Temperatur an Leitfähigkeit zu gewinnen; bei einer bestimmten Sensorkonfiguration fiel der Isolationswiderstand von einem Megaohm bei 1000 K auf 200 Ohm bei 2200 K. Bei hohen Temperaturen gehen die Materialien eine chemische Reaktion ein. Bei 2700 K reagiert Berylliumoxid leicht mit Wolfram, Wolfram-Rhenium-Legierung und Tantal; bei 2600 K reagiert Molybdän mit BeO, Wolfram reagiert nicht. BeO beginnt bei etwa 2820 K zu schmelzen, Magnesiumoxid bei etwa 3020 K. ⓘ

Typ C

(95%W/5%Re-74%W/26%Re, nach Gewicht) Die maximale Temperatur, die mit dem Thermoelement Typ C gemessen wird, beträgt 2329 ℃. ⓘ

Typ D

(97%W/3%Re-75%W/25%Re, nach Gewicht) ⓘ

Typ G

(W-74%W/26%Re, bei Gewicht) ⓘ

Andere

Thermoelemente aus Chrom-Gold-Eisen-Legierung

Thermoelementeigenschaften bei niedrigen Temperaturen. Das auf AuFe basierende Thermoelement zeigt eine gleichbleibende Empfindlichkeit bis zu niedrigen Temperaturen, während herkömmliche Typen bei niedrigen Temperaturen schnell abflachen und an Empfindlichkeit verlieren. ⓘ

Bei diesen Thermoelementen (Chrom-Gold-Eisen-Legierung) besteht der negative Draht aus Gold mit einem geringen Anteil (0,03-0,15 Atomprozent) an Eisen. Der unreine Golddraht verleiht dem Thermoelement eine hohe Empfindlichkeit bei niedrigen Temperaturen (im Vergleich zu anderen Thermoelementen bei dieser Temperatur), während der Chromeldraht die Empfindlichkeit in der Nähe der Raumtemperatur beibehält. Es kann für kryogene Anwendungen (1,2-300 K und sogar bis 600 K) verwendet werden. Sowohl die Empfindlichkeit als auch der Temperaturbereich hängen von der Eisenkonzentration ab. Die Empfindlichkeit beträgt typischerweise etwa 15 µV/K bei niedrigen Temperaturen, und die niedrigste nutzbare Temperatur liegt zwischen 1,2 und 4,2 K. ⓘ

Typ P (Edelmetalllegierung) oder "Platinel II".

Thermoelemente vom Typ P (55%Pd/31%Pt/14%Au-65%Au/35%Pd, nach Gewicht) liefern eine Thermospannung, die der des Typs K über den Bereich von 500 °C bis 1400 °C entspricht, sind jedoch rein aus Edelmetallen aufgebaut und weisen daher eine höhere Korrosionsbeständigkeit auf. Diese Kombination ist auch als Platinel II bekannt. ⓘ

Thermoelemente aus Platin/Molybdän-Legierung

Thermoelemente aus Platin/Molybdän-Legierung (95 %Pt/5 %Mo-99,9 %Pt/0,1 %Mo, nach Gewicht) werden manchmal in Kernreaktoren verwendet, da sie im Vergleich zu den Typen aus Platin/Rhodium-Legierung eine geringe Drift durch die von Neutronenbestrahlung induzierte Kerntransmutation aufweisen. ⓘ

Thermoelemente aus Iridium/Rhodium-Legierung

Durch die Verwendung von zwei Drähten aus Iridium/Rhodium-Legierungen kann ein Thermoelement hergestellt werden, das bis zu etwa 2000 °C in inerten Atmosphären verwendet werden kann. ⓘ

Reine Edelmetall-Thermoelemente Au-Pt, Pt-Pd

Thermoelemente aus zwei verschiedenen, hochreinen Edelmetallen können auch in unkalibriertem Zustand eine hohe Genauigkeit und eine geringe Drift aufweisen. Zwei gängige Kombinationen sind Gold-Platin und Platin-Palladium. Ihre größten Einschränkungen sind die niedrigen Schmelzpunkte der beteiligten Metalle (1064 °C für Gold und 1555 °C für Palladium). Diese Thermoelemente sind in der Regel genauer als der Typ S und werden aufgrund ihrer Wirtschaftlichkeit und Einfachheit sogar als konkurrenzfähige Alternative zu den normalerweise als Standardthermometer verwendeten Platin-Widerstandsthermometern angesehen. ⓘ

HTIR-TC (High Temperature Irradiation Resistant) Thermoelemente

HTIR-TC bietet einen Durchbruch bei der Messung von Hochtemperaturprozessen. Es zeichnet sich durch folgende Eigenschaften aus: langlebig und zuverlässig bei hohen Temperaturen, bis zu mindestens 1700 °C; beständig gegen Strahlung; preisgünstig; in verschiedenen Konfigurationen erhältlich - anpassbar an jede Anwendung; leicht zu installieren. Ursprünglich für den Einsatz in Testreaktoren entwickelt, kann das HTIR-TC die Betriebssicherheit künftiger Reaktoren erhöhen. Dieses Thermoelement wurde von Forschern des Idaho National Laboratory (INL) entwickelt. ⓘ

Vergleich der Typen

In der nachstehenden Tabelle werden die Eigenschaften verschiedener Thermoelementtypen beschrieben. In den Toleranzspalten steht T für die Temperatur der heißen Verbindungsstelle in Grad Celsius. Ein Thermoelement mit einer Toleranz von ±0,0025×T hätte zum Beispiel eine Toleranz von ±2,5 °C bei 1000 °C. Jede Zelle in den Spalten für den Farbcode stellt das Ende eines Thermoelementkabels dar und zeigt die Farbe des Mantels und die Farbe der einzelnen Leitungen. Die Hintergrundfarbe stellt die Farbe des Steckergehäuses dar. ⓘ

Typ	Temperaturbereich (°C)				Toleranzklasse (°C)		Farbcode ⓘ
	Kontinuierlich		Kurzfristig		Eine	Zwei	IEC	BS	ANSI
	Niedrig	Hoch	Niedrig	Hoch
K	0	+1100	−180	+1370	−40 – 375: ±1.5 375 - 1000: ±0.004×T	−40 – 333: ±2.5 333 - 1200: ±0.0075×T
J	0	+750	−180	+800	−40 – 375: ±1.5 375 - 750: ±0.004×T	−40 – 333: ±2.5 333 - 750: ±0.0075×T
N	0	+1100	−270	+1300	−40 – 375: ±1.5 375 - 1000: ±0.004×T	−40 – 333: ±2.5 333 - 1200: ±0.0075×T
R	0	+1600	−50	+1700	0 – 1100: ±1.0 1100 - 1600: ±0.003×(T - 767)	0 – 600: ±1.5 600 - 1600: ±0.0025×T			Nicht definiert
S	0	+1600	−50	+1750	0 – 1100: ±1.0 1100 - 1600: ±0.003×(T - 767)	0 – 600: ±1.5 600 - 1600: ±0.0025×T			Nicht definiert
B	+200	+1700	0	+1820	Nicht verfügbar	600 - 1700: ±0.0025×T	Keine Norm	Keine Norm	Nicht definiert
T	−185	+300	−250	+400	−40 – 125: ±0.5 125 - 350: ±0.004×T	−40 – 133: ±1.0 133 - 350: ±0.0075×T
E	0	+800	−40	+900	−40 – 375: ±1.5 375 - 800: ±0.004×T	−40 – 333: ±2.5 333 - 900: ±0.0075×T
Chromel/AuFe	−272	+300	—	—	Reproduzierbarkeit 0,2% der Spannung. Jeder Sensor muss individuell kalibriert werden.

Thermoelement-Isolierung

Typisches preiswertes Thermoelement vom Typ K (mit Standardstecker vom Typ K). Während die Drähte hohe Temperaturen überstehen und funktionieren können, beginnt die Kunststoffisolierung bei 300 °C zu versagen. ⓘ

Isolierung der Drähte

Die Drähte, aus denen das Thermoelement besteht, müssen überall, außer an der Messstelle, voneinander isoliert sein. Jeder zusätzliche elektrische Kontakt zwischen den Drähten oder der Kontakt eines Drahtes mit anderen leitenden Gegenständen kann die Spannung verändern und zu einer falschen Temperaturanzeige führen. ⓘ

Kunststoffe eignen sich als Isolatoren für die Niedertemperaturteile eines Thermoelements, während Keramikisolierungen bis zu etwa 1000 °C verwendet werden können. Andere Aspekte (Abrieb und chemische Beständigkeit) wirken sich ebenfalls auf die Eignung der Materialien aus. ⓘ

Wenn sich die Drahtisolierung auflöst, kann dies zu einem unbeabsichtigten elektrischen Kontakt an einer anderen Stelle als dem gewünschten Messpunkt führen. Wird ein solches beschädigtes Thermoelement im geschlossenen Regelkreis eines Thermostats oder eines anderen Temperaturreglers verwendet, kann dies zu einer unkontrollierten Überhitzung und möglicherweise zu schweren Schäden führen, da der falsche Temperaturmesswert in der Regel niedriger ist als die Temperatur der Messstelle. Eine defekte Isolierung führt in der Regel auch zum Ausgasen, was zu einer Verunreinigung des Prozesses führen kann. Für Teile von Thermoelementen, die bei sehr hohen Temperaturen oder in kontaminationsanfälligen Anwendungen eingesetzt werden, kann die einzige geeignete Isolierung Vakuum oder Inertgas sein; die mechanische Steifigkeit der Thermodrähte wird genutzt, um sie voneinander zu trennen. ⓘ

Reaktionszeit

Die Reaktionsgeschwindigkeit des Messsystems hängt nicht nur vom Datenerfassungssystem, sondern auch von der Konstruktion des Thermoelementfühlers ab. Liegt die Temperaturmesszeit bei mehreren ms. Die Messspitze des Thermoelementes ist isoliert oder nicht. Der Ablesefehler bei solchen extrem schnellen Temperaturmessungen wird jedoch durch die Isolierung der Thermoelementspitze verursacht. Selbst ein billiges Erfassungssystem wie ein Arduino und ein Thermoelement-Analog-Digital-Wandler oder -Verstärker kann eine Ansprechgeschwindigkeit von mehreren ms haben, aber das Design des Thermoelementes ist wichtig. ⓘ

Beispiel für die Datenerfassung eines Thermoelementes ohne Spitzenabdeckung für heiße Zinntemperaturen. Arduino und MAX31855K Kaltstellenkompensierter Thermoelement-Digital-Wandler verwendet und ~66 Hz Frequenzrate eingestellt. ⓘ

Tabelle der Isoliermaterialien

Art der Isolierung	Max. kontinuierliche Temperatur	Max. einzelner Messwert	Abriebfestigkeit	Feuchtigkeitsbeständigkeit	Chemische Beständigkeit ⓘ
Glimmer-Glasband	649 °C/1200 °F	705 °C/1300 °F	Gut	Gut	Gut
TFE-Band, TFE-Glasband	649 °C/1200 °F	705 °C/1300 °F	Gut	Gut	Gut
Geflecht aus glasartigem Siliziumdioxid	871 °C/1600 °F	1093 °C/2000 °F	Gut	Schlecht	Schlecht
Doppelglas-Geflecht	482 °C/900 °F	538 °C/1000 °F	Gut	Gut	Gut
Emaille-Glasgeflecht	482 °C /900 °F	538 °C/1000 °F	Gut	Gut	Gut
Doppeltes Glasgeflecht	482 °C/900 °F	427 °C/800 °F	Gut	Gut	Gut
Nicht-imprägniertes Glasgeflecht	482 °C/900 °F	427 °C/800 °F	Schlecht	Schlecht	Gut
Skive TFE-Band, TFE-Glasgeflecht	482 °C/900 °F	538 °C/1000 °F	Gut	Ausgezeichnet	Ausgezeichnet
Doppeltes Baumwollgeflecht	88 °C/190 °F	120 °C/248 °F	Gut	Gut	Schlecht
"S"-Glas mit Bindemittel	704 °C/1300 °F	871 °C/1600 °F	Gut	Gut	Gut
Nextel Keramikfaser	1204 °C/2200 °F	1427 °C/2600 °F	Gut	Gut	Gut
Polyvinyl/Nylon	105 °C/221 °F	120 °C/248 °F	Ausgezeichnet	Ausgezeichnet	Gut
Polyvinyl	105 °C/221 °F	105 °C/221 °F	Gut	Ausgezeichnet	Gut
Nylon	150 °C/302 °F	130 °C/266 °F	Ausgezeichnet	Gut	Gut
PVC	105 °C/221 °F	105 °C/221 °F	Gut	Ausgezeichnet	Gut
FEP	204 °C/400 °F	260 °C/500 °F	Ausgezeichnet	Ausgezeichnet	Ausgezeichnet
Ummanteltes und verschmolzenes TFE	260 °C/500 °F	316 °C/600 °F	Gut	Ausgezeichnet	Ausgezeichnet
Kapton	316 °C/600 °F	427 °C/800 °F	Ausgezeichnet	Ausgezeichnet	Ausgezeichnet
Tefzel	150 °C/302 °F	200 °C/392 °F	Ausgezeichnet	Ausgezeichnet	Ausgezeichnet
PFA	260 °C/500 °F	290 °C/550 °F	Ausgezeichnet	Ausgezeichnet	Ausgezeichnet
T300*	300 °C	–	Gut	Ausgezeichnet	Ausgezeichnet

Die Temperaturwerte für die Isolierungen können je nach dem Material, aus dem das gesamte Thermoelementkabel besteht, variieren. ⓘ

Hinweis: T300 ist ein neues Hochtemperaturmaterial, das kürzlich von UL für 300 °C Betriebstemperaturen zugelassen wurde. ⓘ

Anwendungen

Thermoelemente eignen sich für Messungen in einem großen Temperaturbereich von -270 bis 3000 °C (kurzzeitig, in inerter Atmosphäre). Zu den Anwendungen gehören Temperaturmessungen an Öfen, Gasturbinenabgasen, Dieselmotoren, anderen industriellen Prozessen und Nebelmaschinen. Sie sind weniger geeignet für Anwendungen, bei denen kleinere Temperaturunterschiede mit hoher Genauigkeit gemessen werden müssen, z. B. im Bereich 0-100 °C mit einer Genauigkeit von 0,1 °C. Für solche Anwendungen sind Thermistoren, Silizium-Bandlücken-Temperatursensoren und Widerstandsthermometer besser geeignet. ⓘ

Stahlindustrie

Thermoelemente des Typs B, S, R und K werden in der Stahl- und Eisenindustrie in großem Umfang zur Überwachung von Temperatur und Chemie während des gesamten Stahlherstellungsprozesses eingesetzt. Einweg-Thermoelemente vom Typ S werden regelmäßig im Elektrolichtbogenofen verwendet, um die Temperatur des Stahls vor dem Abstich genau zu messen. Die Abkühlungskurve einer kleinen Stahlprobe kann analysiert und zur Schätzung des Kohlenstoffgehalts des geschmolzenen Stahls verwendet werden. ⓘ

Sicherheit von Gasgeräten

Ein Thermoelement (das rechte Rohr) in der Brennereinheit eines Warmwasserbereiters ⓘ

Thermoelementanschluss in Gasgeräten. Die Endkugel (Kontakt) auf der linken Seite ist durch eine Isolierscheibe von der Armatur isoliert. Die Thermoelementleitung besteht aus Kupferdraht, Isolator und äußerem Metallmantel (in der Regel Kupfer), der auch als Erdung dient. ⓘ

Bei vielen gasbetriebenen Heizgeräten wie Öfen und Warmwasserbereitern wird eine Zündflamme verwendet, um den Hauptgasbrenner bei Bedarf zu zünden. Wenn die Zündflamme erlischt, kann unverbranntes Gas freigesetzt werden, was ein Explosionsrisiko darstellt und die Gesundheit gefährdet. Um dies zu verhindern, verwenden einige Geräte ein Thermoelement in einer ausfallsicheren Schaltung, um zu erkennen, wann die Zündflamme brennt. Die Spitze des Thermoelements wird in die Zündflamme gesteckt und erzeugt eine Spannung, die das Versorgungsventil betätigt, das der Zündflamme Gas zuführt. Solange die Zündflamme brennt, bleibt das Thermoelement heiß, und das Zündgasventil wird offen gehalten. Erlischt die Zündflamme, sinkt die Temperatur des Thermoelementes, wodurch die Spannung am Thermoelement abfällt und das Ventil geschlossen wird. ⓘ

Wenn die Sonde leicht über der Flamme angebracht werden kann, kann stattdessen oft ein Gleichrichtersensor verwendet werden. Da sie teilweise aus Keramik bestehen, werden sie auch als Flammenstäbe, Flammenfühler oder Flammenwächterelektroden bezeichnet. ⓘ

Flammenzünder(oben)-und-Flammenfühler ⓘ

Einige kombinierte Hauptbrenner- und Zündgasventile (hauptsächlich von Honeywell) reduzieren den Strombedarf auf den Bereich eines einzelnen Universal-Thermoelementes, das durch eine Zündflamme beheizt wird (25 mV offener Stromkreis, der um die Hälfte abfällt, wenn die Spule an eine 10-12 mV, 0,2-0,25 A Quelle angeschlossen ist), indem die Spule so dimensioniert wird, dass sie das Ventil gegen eine leichte Feder offen halten kann, aber erst nachdem die anfängliche Einschaltkraft durch das Drücken und Halten eines Knopfes durch den Benutzer aufgebracht wurde, um die Feder während des Zündens der Zündflamme zusammenzudrücken. Diese Systeme sind daran zu erkennen, dass in der Anleitung für die Zündung der Zündflamme der Hinweis "Drücken und Halten für x Minuten" enthalten ist. (Der Haltestrombedarf eines solchen Ventils ist viel geringer als der eines größeren Magneten, der für das Einziehen des Ventils aus einer geschlossenen Position ausgelegt ist). Es werden spezielle Prüfgeräte angefertigt, um die Freigabe- und Halteströme des Ventils zu bestätigen, da ein gewöhnliches Milliammeter nicht verwendet werden kann, da es einen größeren Widerstand als die Spule des Gasventils erzeugt. Abgesehen von der Prüfung der Leerlaufspannung des Thermoelements und der Gleichstromdurchgängigkeit im Nahbereich des Kurzschlusses durch die Thermoelement-Gasventilspule ist der einfachste Test für Nichtfachleute der Austausch eines bekanntermaßen guten Gasventils. ⓘ

Einige Systeme, die als Millivolt-Regelsysteme bekannt sind, erweitern das Thermoelementkonzept, um auch das Hauptgasventil zu öffnen und zu schließen. Die vom Pilotthermoelement erzeugte Spannung aktiviert nicht nur das Pilotgasventil, sondern wird auch durch einen Thermostat geleitet, um das Hauptgasventil zu steuern. Hier wird eine größere Spannung benötigt als bei dem oben beschriebenen Zündflammensicherheitssystem, und es wird eine Thermosäule anstelle eines einzelnen Thermoelements verwendet. Ein solches System benötigt für seinen Betrieb keine externe Stromquelle und kann daher auch bei einem Stromausfall funktionieren, vorausgesetzt, alle anderen zugehörigen Systemkomponenten lassen dies zu. Dies gilt nicht für herkömmliche Gebläseöfen, da für den Betrieb des Gebläsemotors eine externe Stromquelle erforderlich ist, aber diese Funktion ist besonders nützlich für Konvektionsöfen ohne Stromanschluss. Ein ähnlicher Sicherheitsmechanismus für die Gasabschaltung, der ein Thermoelement verwendet, wird manchmal eingesetzt, um sicherzustellen, dass der Hauptbrenner innerhalb einer bestimmten Zeitspanne zündet, und um das Gaszufuhrventil des Hauptbrenners zu schließen, falls dies nicht geschieht. ⓘ

Aus Besorgnis über die Energieverschwendung durch die stehende Zündflamme sind die Konstrukteure vieler neuerer Geräte zu einer elektronisch gesteuerten Zündung ohne Zündflamme übergegangen, die auch als intermittierende Zündung bezeichnet wird. Da keine stehende Zündflamme vorhanden ist, besteht bei Erlöschen der Flamme nicht die Gefahr einer Gasansammlung, so dass diese Geräte keine Sicherheitsschalter auf Thermoelementbasis benötigen. Da bei diesen Ausführungen der Vorteil des Betriebs ohne kontinuierliche Stromzufuhr verloren geht, werden in einigen Geräten noch immer Dauerzündungen verwendet. Eine Ausnahme bilden neuere Modelle von Durchlauferhitzern (auch "tankless" genannt), die den Wasserfluss nutzen, um den für die Zündung des Gasbrenners erforderlichen Strom zu erzeugen. ⓘ

Thermopile-Strahlungssensoren

Thermosäulen werden zur Messung der Intensität der einfallenden Strahlung, in der Regel sichtbares oder infrarotes Licht, verwendet, das die heißen Verbindungsstellen erwärmt, während sich die kalten Verbindungsstellen auf einer Wärmesenke befinden. Mit handelsüblichen Thermopile-Sensoren lassen sich Strahlungsintensitäten von nur wenigen μW/cm² messen. So basieren beispielsweise einige Laserleistungsmesser auf solchen Sensoren; diese werden speziell als Thermopile-Lasersensoren bezeichnet. ⓘ

Das Funktionsprinzip eines Thermopile-Sensors unterscheidet sich von dem eines Bolometers, da letzteres auf einer Widerstandsänderung beruht. ⓘ

Herstellung

Thermoelemente können im Allgemeinen bei der Prüfung von Prototypen elektrischer und mechanischer Geräte verwendet werden. Bei Schaltgeräten, die auf ihre Strombelastbarkeit geprüft werden, können beispielsweise Thermoelemente installiert und während eines Wärmelaufs überwacht werden, um zu bestätigen, dass der Temperaturanstieg bei Nennstrom die vorgesehenen Grenzen nicht überschreitet. ⓘ

Stromerzeugung

Ein Thermoelement kann Strom erzeugen, um einige Prozesse direkt zu steuern, ohne dass zusätzliche Schaltungen und Stromquellen erforderlich sind. So kann beispielsweise der von einem Thermoelement erzeugte Strom ein Ventil aktivieren, wenn ein Temperaturunterschied auftritt. Die von einem Thermoelement erzeugte elektrische Energie wird aus der Wärme umgewandelt, die der heißen Seite zugeführt werden muss, um das elektrische Potenzial zu erhalten. Eine kontinuierliche Wärmeübertragung ist notwendig, da der durch das Thermoelement fließende Strom dazu führt, dass sich die heiße Seite abkühlt und die kalte Seite erwärmt (Peltier-Effekt). ⓘ

Thermoelemente können in Reihe geschaltet werden, um eine Thermosäule zu bilden, bei der alle heißen Verbindungsstellen einer höheren und alle kalten Verbindungsstellen einer niedrigeren Temperatur ausgesetzt sind. Das Ergebnis ist die Summe der Spannungen an den einzelnen Verbindungsstellen, was zu einer größeren Spannung und Leistung führt. In einem radioisotopischen thermoelektrischen Generator wird der radioaktive Zerfall transuranischer Elemente als Wärmequelle genutzt, um Raumfahrzeuge auf Missionen anzutreiben, die zu weit von der Sonne entfernt sind, um Sonnenenergie zu nutzen. ⓘ

Mit Kerosinlampen beheizte Thermosäulen wurden zum Betrieb von batterielosen Funkempfängern in abgelegenen Gebieten verwendet. Es gibt kommerziell hergestellte Laternen, die die Wärme einer Kerze nutzen, um mehrere Leuchtdioden zu betreiben, und thermoelektrisch betriebene Ventilatoren zur Verbesserung der Luftzirkulation und Wärmeverteilung in Holzöfen. ⓘ

Prozessanlagen

In der chemischen Produktion und in Erdölraffinerien werden in der Regel Computer zur Aufzeichnung und Grenzwertprüfung der vielen Temperaturen eingesetzt, die mit einem Prozess verbunden sind und in der Regel in die Hunderte gehen. In solchen Fällen wird eine Reihe von Thermoelementleitungen zu einem gemeinsamen Referenzblock (einem großen Kupferblock) geführt, der das zweite Thermoelement jedes Kreislaufs enthält. Die Temperatur des Blocks wird wiederum von einem Thermistor gemessen. Mit einfachen Berechnungen wird die Temperatur an jeder Messstelle ermittelt. ⓘ

Thermoelement als Vakuummeter

Ein Thermoelement kann als Vakuummeter im Bereich von etwa 0,001 bis 1 Torr Absolutdruck verwendet werden. In diesem Druckbereich ist die mittlere freie Weglänge des Gases vergleichbar mit den Abmessungen der Vakuumkammer, und die Strömung ist weder rein viskos noch rein molekular. Bei dieser Konfiguration ist die Thermoelementverbindung in der Mitte eines kurzen Heizdrahtes angebracht, der in der Regel mit einem konstanten Strom von etwa 5 mA gespeist wird, und die Wärme wird mit einer Rate abgeführt, die von der Wärmeleitfähigkeit des Gases abhängt. ⓘ

Die an der Thermoelementverbindung gemessene Temperatur hängt von der Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Gases ab, die wiederum vom Druck des Gases abhängt. Die von einem Thermoelement gemessene Potenzialdifferenz ist im Nieder- bis Mittelvakuumbereich proportional zum Quadrat des Drucks. Bei höheren (viskose Strömung) und niedrigeren (molekulare Strömung) Drücken ist die Wärmeleitfähigkeit von Luft oder jedem anderen Gas im Wesentlichen unabhängig vom Druck. Das Thermoelement wurde erstmals 1906 von Voege als Vakuummeter verwendet. Das mathematische Modell für das Thermoelement als Vakuummeter ist recht kompliziert, wie von Van Atta ausführlich erläutert, kann aber vereinfacht werden zu:

$P={\frac {B(V^{2}-V_{0}^{2})}{V_{0}^{2}}},$

P ist der Gasdruck, B ist eine Konstante, die von der Temperatur des Thermoelementes, der Gaszusammensetzung und der Geometrie der Vakuumkammer abhängt, V₀ ist die Thermoelementspannung bei Nulldruck (absolut) und V ist die vom Thermoelement angezeigte Spannung. ⓘ

Die Alternative ist das Pirani-Messgerät, das in ähnlicher Weise über ungefähr den gleichen Druckbereich arbeitet, aber nur ein Gerät mit zwei Anschlüssen ist, das die Widerstandsänderung eines dünnen, elektrisch beheizten Drahtes mit der Temperatur misst, anstatt ein Thermoelement zu verwenden. ⓘ

Temperaturmessung

Dieses Datenerfassungsgerät kann bis zu 60 Thermospannungen messen ⓘ

Ein offener Einschub für das Datenerfassungsgerät mit 20 angeschlossenen Thermoelementen ⓘ

Temperaturdifferenz

Bei einer Messschaltung – wie im Bild oben in den Grundlagen – entstehen durch Übergänge auf Kupferleiter drei unterschiedliche Materialkombinationen: A→B, B→Cu, Cu→A. Bei derselben Temperatur an beiden Anschlussklemmen fällt das Kupferpotential aus der Rechnung heraus, und es bleibt an dieser Stelle übrig die Potentialdifferenz der Kombination B→A. Damit übernehmen die Anschlussklemmen die Funktion der Vergleichstelle. Mittels sogenannter Thermoleitungen oder Ausgleichsleitungen kann die Vergleichsstelle an einen entfernteren Ort verlegt werden, z. B. in Industrieanlagen bis zur Messwarte. Diese Thermoleitungen bestehen aus identischen Thermomaterialien und die Ausgleichsleitungen aus preiswerteren Materialien, die in einem begrenzten Temperaturbereich dieselben thermoelektrischen Eigenschaften besitzen wie das Thermoelement selbst. ⓘ

Temperatur statt Temperaturdifferenz

Da mit Hilfe eines Thermoelementes nur eine Temperaturdifferenz ermittelt werden kann, ist zur Messung der Temperatur eine Kaltstellenkompensation (engl. cold junction compensation; CJC) notwendig. Im einfachsten Fall muss die Temperatur an der Übergangsstelle (die Vergleichsstellentemperatur) bekannt sein; zur gemessenen Thermospannung wird in einer Tabelle die Temperaturdifferenz abgelesen; diese wird mit der Vergleichsstellentemperatur addiert. Dieses Verfahren ist nur bei Zulässigkeit einer linearen Näherung anwendbar. ⓘ

Für viele Messzwecke ist der Zusammenhang zwischen Thermospannung und Temperaturdifferenz nicht genügend linear. Vor Anwendung der Tabelle ist die Bezugstemperatur zu beachten, ab der die Tabelle berechnet ist (0 mV meistens bei 0 °C). Bei einem Unterschied zwischen Vergleichsstellen- und Bezugstemperatur ist die gemessene Spannung vor der Anwendung der Tabelle zu korrigieren um den Tabellenwert der Spannung, der zur Vergleichsstellentemperatur gehört. Bei gekrümmter Kennlinie gilt zur Einrechnung der Vergleichstelle die Regel:

• Die Addition von Teilspannungen führt korrekt auf die Gesamtspannung. Die Addition der zugehörigen Tabellenwerte der Teiltemperaturen führt nicht auf die Gesamttemperatur! ⓘ

Die Thermospannung kann durch einen geeigneten Verstärker aufbereitet werden, um sie belastbar weiterverbreiten zu können. Handelsübliche Messumformer verstärken, berücksichtigen zusätzlich die (variable) Vergleichsstellentemperatur und nehmen zu einer festgelegten Vergleichsstellentemperatur eine Linearisierung zwischen Ausgangssignal und Temperatur vor (Temperatur-lineares statt Spannungs-lineares Ausgangssignal). ⓘ

Strahlungsmessung

Die Hintereinanderschaltung mehrerer Thermoelemente ergibt eine Thermokette (engl. thermopile). Die thermoelektrische Spannung vervielfacht sich mit der Anzahl der Thermoelemente. Thermoketten werden in empfindlichen Infrarotdetektoren und Laser-Leistungsmessern verwendet. Dabei wird die Temperaturdifferenz entlang eines Wärmeleiters (Scheibe, Kegel) gemessen, indem die Verbindungsstellen der Thermoelemente jeweils abwechselnd näher oder weiter entfernt von der Absorptionsfläche angebracht werden. Bei empfindlichen Aufbauten bilden die Thermoelemente selbst den Wärmeleiter. ⓘ

Überwachung von Feuerungsanlagen

Thermosicherung mit Thermoelement, Leitung mit Kontakt und Magnetschalter ⓘ

In Gasherden und Gas-Durchlauferhitzern dienen Thermoelemente dazu, die brennende Flamme zu überwachen. Das durch die Flamme erwärmte Thermoelement liefert den für das elektromagnetische Offenhalten eines Brennstoffventils notwendigen elektrischen Strom. Verlischt die Flamme, erkaltet das Thermoelement, das Elektromagnetventil schließt, die weitere Brennstoffzufuhr wird unterbrochen. Die Methode hat den Vorteil, dass sie keine Hilfsenergie benötigt. Nachteil dieses Systems ist, dass es sehr träge reagiert und damit eine gewisse Gasmenge ausströmen kann. ⓘ

In Heizungsanlagen wurde diese Thermosicherung wegen ihrer Trägheit durch Zündsicherungen ersetzt, die die Ionisierung der Flamme beziehungsweise deren Leitfähigkeit überwachen. Sie reagieren schneller, benötigen jedoch eine Hilfsenergiequelle. ⓘ

Rechts im Bild ist das übliche Thermoelement einer solchen Thermosicherung zu sehen. Es liefert im heißen Zustand etwa 30 …40 mV Spannung und einen Strom von mehreren Ampere, mit dem ein spezielles Magnetventil (Elektromagnet mit zum Beispiel 16 Milliohm Spulenwiderstand), das zuvor manuell durch Eindrücken eines Knopfes geöffnet wurde, offengehalten werden kann. Beim Abkühlen fällt die Magnethaltung innerhalb 30 Sekunden wieder ab (hörbares Klicken) und das Ventil schließt. ⓘ

Grundlagen

Schematische Messschaltung mit einem Thermoelement ⓘ

Seebeck-Effekt

Hinweis: Der Graph von Typ R ist mit dem von Typ S vertauscht. ⓘ

Als thermoelektrischen oder Seebeck-Effekt bezeichnet man das Auftreten einer Thermo­spannung auf Grund eines Temperatur­gefälles entlang eines elektrischen Leiters. Diese elektrische Spannung oder Potentialdifferenz ist eine Funktion der Temperaturdifferenz entlang des Leiters und für jedes Leitermaterial anders. Die Kennlinien sind nur näherungsweise linear. ⓘ

Um eine elektrische Spannung an den beiden Leiterenden messen zu können, muss der Rückleiter aus einem andersartigen Material als der Hinleiter ausgeführt sein, wie in der schematischen Messschaltung dargestellt. Bei demselben Material in beiden Leitern entstünden jeweils betragsmäßig gleich hohe Potential­differenzen, die sich in einem geschlossenen Stromkreis gegenseitig aufheben würden. Die Verbindungsstelle eines Thermoelements, die der zu messenden Temperatur ausgesetzt ist, bekommt die Funktion einer Messstelle, der Übergang auf die zum Spannungsmessgerät führenden (Kupfer-)Leitungen bekommt die Funktion einer Vergleichsstelle. (Jede weitere temperaturbedingte Potentialdifferenz längs der Zuleitungen fällt bei gleichen Leitungen aus der Spannungsmessung heraus.) ⓘ

Jede Thermospannung steht für eine Temperatur­differenz zwischen Mess- und Vergleichsstelle. Um die tatsächliche Temperatur der Messstelle bestimmen zu können, muss die Temperatur der Vergleichstelle bekannt sein, siehe weiter unten. Diese Temperatur muss auch deshalb bekannt sein, weil wegen des nicht linearen Zusammenhangs je nach Vergleichsstellentemperatur zu jeder Thermospannung eine andere Temperaturdifferenz gehört. ⓘ

Die Empfindlichkeit eines einzelnen Leiters kann in der Messanordnung nicht gemessen werden; sie wird im Vergleich zu einem Bezugsmaterial, üblich ist Platin, als thermoelektrischer Koeffizient angegeben. Diese zu einer festen Temperatur angegebenen, nach Größe sortierten Materialdaten bilden die thermoelektrische Spannungsreihe. Die Werte dieser thermoelektrischen Koeffizienten hängen vom Legierungsverhältnis bzw. Reinheitsgrad der verwendeten Metalle ab. Durch gezielte Beimengungen lassen sich Materialien mit reproduzierbaren, einigermaßen langzeitstabilen thermoelektrischen Koeffizienten herstellen. ⓘ

Zu Anwendungen des Seebeck-Effektes außerhalb der Messtechnik siehe Thermoelektrischer Generator. ⓘ

Mathematische Beschreibung

Thermoelement vom Typ K mit verpo­lungs­sicherem Stecker.
Je nach Hersteller bestehen auch dessen Kontakt­stifte und die Kupp­lungen aus hoch­reinem Thermomaterial. ⓘ

Der Zusammenhang zwischen elektrischer Spannung $U_{\mathrm {th} }$ und Messstellentemperatur $t_{\mathrm {M} }$ bei der Vergleichsstellentemperatur $t_{\mathrm {V} }=0\,^{\circ }\mathrm {C}$ ist für einige Materialpaare durch Normung in Referenzfunktionen $U_{\mathrm {th} }=f(t_{\mathrm {M} })$ festgelegt, und zwar in mehreren unterschiedlichen Gleichungen für unterschiedliche Temperaturbereiche. Die Kennlinien sind gekrümmt, die Gleichungen sind kompliziert, die Zusammenhänge werden deshalb auch in Tabellen dargestellt. ⓘ

In einem kleinen Teilbereich der Temperatur kann mit einer linearen Näherung gearbeitet werden. Im folgenden Beispiel wird die Spannung an einem Thermoelement Typ K angegeben. Dieses besteht aus einer Nickel-Chrom-Legierung und aus Nickel. Mit den thermoelektrischen Koeffizienten $k_{\mathrm {NiCr} }$ und $k_{\mathrm {Ni} }$ ergibt sich:

$U_{\mathrm {th} }=(k_{\mathrm {NiCr} }-k_{\mathrm {Ni} })\cdot \Delta t$

mit

$\Delta t=t_{\mathrm {M} }-t_{\mathrm {V} }$ ⓘ

Die Koeffizienten sind allerdings ihrerseits temperaturabhängig, wie auch der Seebeck-Koeffizient des Thermoelementes, der die Empfindlichkeit $\mathrm {d} U_{\mathrm {th} }/\mathrm {d} t_{\mathrm {M} }$ angibt. ⓘ

Die Auflösung der Referenzfunktionen nach $t_{\mathrm {M} }=f(U_{\mathrm {Th} })$ ist bei linearem Ansatz mathematisch elementar. Für den nichtlinearen Fall gibt die Norm diese inversen Funktionen ebenfalls an. ⓘ

Vergleich verschiedener Thermoelemente

Die Ordnungszustände von NiCr-Ni-Thermoelementen

Bei NiCr-Ni-Thermoelementen stellen sich unterschiedliche Ordnungszustände ein, die von der Temperatur und Abkühlungsgeschwindigkeit der NiCr-Legierung hervorgerufen werden. Man spricht in diesem Zusammenhang vom K-Zustand (geordneter Zustand) und dem U-Zustand (ungeordneter Zustand). In beiden Zuständen erzeugt das Thermoelement eine reproduzierbare Thermospannung, aber die Abweichungen untereinander können bis zu 5 K betragen. Die NiCr-Legierung weist ein kubisch-flächenzentriertes Kristallgitter auf. Im K-Zustand bilden Chrom-Atome die Ecken und die Nickel-Atome liegen im Zentrum der Flächen. Dieser Zustand stellt sich immer bei Temperaturen über 600 °C ein. Lässt man das Thermoelement mit einer Geschwindigkeit größer als 100 K/h im Bereich von 600 … 400 °C abkühlen, so ergeben sich „Störungen“ im Kristallgitter, d. h. Nickel-Atome an den Ecken der Struktur und Chrom-Atome im Zentrum. Diese Anordnung bezeichnet man als U-Zustand. Bei höheren Abkühlgeschwindigkeiten haben die Atome keine Zeit aus dem geordneten Zustand auszubrechen. Da Temperatur in der messtechnischen Praxis aber eine sehr träge Größe ist, kühlen NiCr-Ni-Thermoelemente in der Regel zu langsam ab, und es stellt sich unterhalb 600 °C der K-Zustand ein. Dieser Effekt kann durch Zulegierung von Silizium soweit minimiert werden, dass er messtechnisch vernachlässigbar ist. Dies ist beim Thermoelement Typ N, NiCrSi-NiSi, realisiert worden, das aber trotzdem nur langsam Einzug in die messtechnische Praxis findet. ⓘ