Ratgeber
Temperaturen lassen sich relativ leicht messen. Mit einem klassischen Thermometer beispielsweise. Sollen aber Mess- und Ablesepunkt weit voneinander entfernt liegen, hilft nur die Messung über Sensoren. Zu den populärsten gehören Thermoelemente. Wie diese funktionieren und welche Parameter für die Beschaffung relevant sind, das erfahren Sie in unserem Ratgeber.
Thermoelemente gehören zu den Temperaturmessgeräten. Sie dienen zur Messung der Temperatur an einem bestimmten Punkt und der Anzeige beziehungsweise Verwertung der Messergebnisse über einige Meter hinweg.
Im Gegensatz zu anderen Methoden der Temperaturmessung – zum Beispiel über einen wärmeempfindlichen Widerstand wie den Thermistor – benötigt ein klassisches Thermoelement keine eigene Stromversorgung. Er selbst ist die Spannungsquelle und lässt sich daher als Wandler der elektromotorischen Kraft, kurz EMK, definieren.
Das Element besteht aus zwei Drähten aus verschiedenen Metallen, die an einem Ende fest verbunden sind. Der verbundene Teil bildet den Temperaturfühler für die Temperatur. Erzeugt wird die Spannung durch die Temperaturdifferenz zwischen der Messstelle und dem offenen Ende der Drähte.
Das Funktionsprinzip des Thermoelements hängt von zwei Effekten ab: dem Seebeck- und dem Thomson-Effekt.
Der Seebeck-Effekt
Der Seebeck-Effekt bezeichnet die elektromotorische Kraft oder EMK, die sich zwischen zwei Punkten eines elektrisch leitenden Materials entwickelt, wenn ein Temperaturunterschied zwischen ihnen besteht. Das Verhältnis zwischen der Thermospannung und der Temperaturdifferenz ist der Seebeck-Koeffizient. Ein Thermoelement misst die Potenzialdifferenz zwischen einem heißen und einem kalten Ende für zwei unterschiedliche Materialien. Diese Potenzialdifferenz ist proportional zur Temperaturdifferenz zwischen dem heißen und dem kalten Ende.
Die Seebeck-Koeffizienten variieren im Allgemeinen als Funktion der Temperatur und hängen stark von der Zusammensetzung des Leiters ab. Für gewöhnliche Materialien bei Raumtemperatur kann der Seebeck-Koeffizient zwischen minus 100 Mikrovolt pro Kelvin und plus 1.000 Mikrovolt pro Kelvin liegen.
Eine Umkehr des Seebeck-Effekts führt zum Peltier-Effekt: Fließt ein elektrischer Strom durch ein Thermoelement, wird an einem Ende der Drähte Wärme erzeugt und am anderen Ende absorbiert. Nutzen lässt sich der Peltier-Effekt damit sowohl zur Erwärmung als auch zur Kühlung, je nach eingesetztem Ende des Drahts.
Der Thomson-Effekt
Wenn zwei ungleiche Metalle zusammenkommen und zwei Übergänge bilden, wird die Spannung aufgrund des Temperaturgefälles über die gesamte Länge des Leiters induziert. Benannt ist der Effekt nach William Thomson, besser bekannt als Lord Kelvin. Er beschreibt die Erwärmung oder Abkühlung eines stromdurchflossenen Leiters mit einem Temperaturgefälle.
Der eigentliche Sensor des Elements besteht aus zwei ungleichen Metallen, die an einer Stelle dauerhaft miteinander verbunden sind, beispielsweise durch Schweißen. Die häufigsten dafür eingesetzten Metalle sind Eisen, Nickel, Chrom und Kupfer sowie deren Legierungen. Die Verbindungsstelle wird in drei Typen unterteilt.
Nicht geerdete Verbindung
Bei der nicht geerdeten Verbindungsstelle ist die Sonde vollständig von einem meist metallischen Schutzmantel umgeben. Dieser Typ wird in der Regel für Temperaturmessungen unter hohem Druck verwendet. Außerdem reduziert die Isolierung der Sonde das von der Thermospannung erzeugte magnetische Streufeld.
Geerdete Verbindung
Bei dieser Art von Verbindung sind die Metalle und der Schutzmantel miteinander verschweißt und mit dem Erdpotenzial verbunden. Die geerdete Verbindung dient häufig zur Messung der Temperatur in korrosiver Umgebung und bietet zugleich einen Widerstand gegen Störfelder.
Freiliegende Verbindung
Sie ist dann zu empfehlen, wenn eine schnelle Reaktion auf Temperaturänderungen erforderlich ist, beispielsweise zur Messung der Gastemperatur.
Die absolute Temperatur lässt sich über den Sensor eines Thermoelements nur dann messen, wenn am Ende der Messleitung eine Referenzmessung stattfindet, üblicherweise die der Umgebungstemperatur. Denn nur, wenn die Temperaturen an der Verbindungsstelle und am Referenzpunkt ungleich sind, entsteht eine Potenzialdifferenz. Die Größe der im Stromkreis induzierten EMK hängt von den für die Herstellung des Thermoelements verwendeten Materialien ab.
Die angebotenen Elemente bestehen nahezu immer lediglich aus dem eigentlichen Sensor beziehungsweise dem Messfühler und zwei Drähten mit offenen Enden.
Da das Element lediglich eine Spannung erzeugt, muss diese zunächst in eine Relation zur Umgebungstemperatur gebracht werden. Das kann beispielsweise durch einen Thermistor mit einer nachgeschalteten Elektronik am Ableseort geschehen, die den Referenzwert direkt in Temperaturen umsetzt und diese auf einem Display anzeigt. Möglich ist auch die direkte Verwertung der Thermospannung durch eine Prozesssteuerung mit vorheriger Verstärkung. Ein Messgerät wie ein Multimeter zeigt lediglich die vom Element erzeugte Thermospannung an.
Wichtigstes Kriterium für die Auswahl ist der Messbereich. Die weitaus meisten Thermoelemente sind von minus 200 bis zu plus 1200 Grad Celsius einsetzbar. Es gibt aber auch Typen, die nur von minus 50 bis plus 200 Grad messen und daher ein genaueres Messergebnis liefern. Solche Elemente sind zum Beispiel für das Messen der Vorlauftemperatur in Heizungssteuerungen beliebt.
Grundsätzlich unterschieden werden bei Thermoelementen die Typen L, J und K. Am häufigsten eingesetzt wird der J-Typ. Er bietet ebenso wie der L-Typ im Vergleich mit dem K-Typ zwar einen kleineren Temperaturbereich und ist bei hohen Temperaturen nicht ganz so langlebig, bietet dafür aber die gleiche Zuverlässigkeit.
Kommt es auf eine möglichst genaue Messung an, bieten sich kalibrierte Thermoelemente an, zertifiziert zum Beispiel durch eine DAkkS-akkreditiertes Labor. Allerdings sind diese Fühler oft um ein Mehrfaches teurer als nichtkalibrierte Typen.
Je nach Montageort kommen auch unterschiedliche Formen der Messstelle in Betracht. So gibt es neben kurzen und langen Fühlern aus widerstandsfähigen Isoliermaterialen wie Edelstahl auch Elemente, die sich über eine Schraubschelle mit Zugentlastung direkt an ein Rohr anschließen lassen.
Wichtig ist zudem die Länge der Messleitung. Übliche Kabellängen sind 2 bis 4 Meter.