Was sind Thermoelemente?

Thermoelemente sind Sensoren, die Temperatur messen, indem sie den Seebeck-Effekt nutzen. Sie bestehen aus zwei verschiedenen Metalllegierungen, die an einem Ende verbunden sind. Bei Temperaturveränderungen entsteht eine Spannung, die gemessen und in eine Temperatur umgerechnet wird.

Wo werden Thermoelemente eingesetzt?

Thermoelemente werden in vielen Bereichen eingesetzt, darunter Medizin, Industrie, Umwelttechnik und Forschungslaboren. Sie dienen zur Temperaturmessung und -regelung in Prozessen wie Heizsystemen, Kühlgeräten, Motoren oder Öfen.

Warum nimmt man zum Eichen von Thermoelementen reine Metalle?

Reine Metalle werden zum Eichen von Thermoelementen verwendet, da sie einen vorhersagbaren und konstanten Temperatur-Leitwert haben. Dies ermöglicht eine genaue Kalibrierung und liefert verlässliche Messergebnisse.

Warum sind mit Thermoelementen nur Temperaturdifferenzmessungen möglich?

Thermoelemente messen die Temperatur, indem sie die Spannungsdifferenz ermitteln, die durch den Seebeck-Effekt entsteht, wenn zwei Metalle oder Halbleiter unterschiedlicher Temperatur miteinander in Kontakt gebracht werden. Daher messen sie immer die Temperaturdifferenz zwischen zwei Punkten, nicht eine absolute Temperatur.

Welchen physikalischen Effekt nutzt ein Thermoelement und wie wirkt dieser sich auf die gemessene Spannung aus?

Ein Thermoelement nutzt den Seebeck-Effekt. Bei diesem fließt ein elektrischer Strom in einem Kreislauf aus zwei verschiedenen Metallen, wenn deren Verbindungsstellen auf unterschiedlichen Temperaturen gehalten werden. Die resultierende Spannung (V) ist die Funktion der Temperaturdifferenz zwischen der heißen und der kalten Seite des Thermoelements.

Wie unterscheiden sich Thermoelemente und Widerstandsthermometer in ihrer Anwendung zur Temperaturmessung?

Widerstandsthermometer ändern ihren elektrischen Widerstand mit der Temperatur und sind besonders für Anwendungen mit hoher Präzision und Stabilität über einen weiten Temperaturbereich geeignet. Thermoelemente hingegen sind robust gegenüber Umgebungseinflüssen und eignen sich besonders für Anwendungen, die eine schnelle Reaktion auf Temperaturänderungen erfordern.

Wie werden Thermoelemente in der Lebensmittelindustrie, in der Automobilindustrie und in der Energieerzeugung eingesetzt?

In der Lebensmittelindustrie werden Thermoelemente verwendet, um die Temperatur in Backöfen, Kühlsystemen und Kochkesseln zu überwachen und zu steuern. In der Automobilindustrie spielen sie eine entscheidende Rolle bei der Temperaturkontrolle in Fahrzeugmotoren. In Kraftwerken werden sie genutzt, um die Temperatur von Gasen, Dämpfen und Flüssigkeiten zu messen und so die Betriebsbedingungen zu regulieren.

Warum ist die Materialwahl bei Thermoelementen von entscheidender Bedeutung?

Die Materialwahl bei Thermoelementen beeinflusst deren Eigenschaften und somit ihre Effizienz und Genauigkeit der Temperaturmessung. Verschiedene Materialpaarungen haben unterschiedliche Seebeck-Koeffizienten und damit einhergehend Temperatur-Spannungs-Beziehungen. Außerdem variiert der Anwendungsbereich je nach Material.

Was sind Thermoelemente und wie funktionieren sie?

Thermoelemente sind Sensoren zur Temperaturmessung, die aus zwei verschiedenen Metalldrähten bestehen, die an einem Ende verbunden sind. Wenn an den offenen Enden eine Temperaturdifferenz auftritt, wird durch den Seebeck-Effekt eine Spannung erzeugt, die gemessen werden kann.

Thermoelemente: Typ K, Funktionsweise, Temperaturbereich

Thermoelemente

In der Welt der Ingenieurwissenschaften sind Thermoelemente ein unverzichtbares Werkzeug. In diesem Artikel wirst du eine umfassende Einführung in die Grundlagen und Anwendungen dieser wichtigen Bauteile erhalten. Von der Definition und einfachen Erklärung von Thermoelementen, über die verschiedenen Typen und ihren Temperaturbereich, bis hin zur praktischen Anwendung und Auswahl des richtigen Materials - hier findest du alle wichtigen Informationen. Insbesondere wird dabei auch auf die elektrische Temperaturmessung mit Thermoelementen und Widerstandsthermometern eingegangen. Es werden auch anschauliche Beispiele zur Funktionsweise von Thermoelementen bereitgestellt.

Los geht’s

Grundlagen der Thermoelemente

Als erstes, ist es wichtig zu verstehen, was Thermoelemente sind. Beginnen wir zunächst mit einer einfachen, aber aussagekräftigen Definition.

Thermoelemente sind Sensoren, die zur Messung der Temperatur eingesetzt werden. Diese bestehen aus zwei verschiedenen Metall- oder Legierungsdrähten, welche an einem Ende miteinander verbunden sind. Wenn nun an den offenen Enden eine Temperaturdifferenz auftritt, wird eine elektrische Spannung erzeugt, welche gemessen werden kann.

Thermoelemente Definition

Ein tief greifendes Verständnis der Thermoelemente erfordert mehr als nur eine einfache Definition. Es geht darum, die physikalischen Grundlagen dieser Temperatursensoren zu ergründen. Das Prinzip, auf dem Thermoelemente basieren, ist der sogenannte Seebeck-Effekt. Der deutsche Physiker Thomas Johann Seebeck entdeckte im Jahr 1821, dass, wenn zwei verschiedene Metalle oder Legierungen in Kontakt miteinander kommen und sich die Temperatur an den Kontaktstellen unterscheidet, eine Temperatur-Spannungs-Beziehung existiert. Dieses Phänomen wird auch als Thermoelektrizität bezeichnet.

Der Betrag der entstehenden Spannung hängt dabei sowohl vom verwendeten Materialpaar als auch von der Größe der Temperaturdifferenz ab. Jedes Materialpaar hat spezifische Eigenschaften, die durch einen Temperatur-Koeffizienten charakterisiert werden. Es gibt eine Vielzahl an verschiedenen Thermoelementtypen, die jeweils für unterschiedliche Temperaturbereiche und Anwendungsfelder geeignet sind.

Thermoelemente einfach erklärt

Ein Thermoelement kann man sich vorstellen wie eine simple elektrische Schaltung. An einem Ende sind zwei verschiedene Metalldrähte miteinander verbunden. Dieser Punkt ist der thermoelektrische Knotenpunkt, welcher häufig auch als Messstelle bezeichnet wird. Betrachtet man die physikalischen Grundlagen genauer, so kann man sagen, dass die entstehende Spannung auf der Bewegung von Elektronen basiert. Wenn eine Temperaturdifferenz auftritt, beginnen die Elektronen zwischen den Metallen zu wandern, und erzeugen somit ein elektrisches Potential. Zur Verdeutlichung dient folgendes Schema:

Verbindung der Drähte (Messstelle)	Wärmequelle	Elektronenbewegung
Thermoelektrischer Knotenpunkt	Wärmezufuhr	Elektronenfluss vom heißen zum kühleren Draht

Darüber hinaus spielt auch die Wahl des Drahtmaterials eine wichtige Rolle. Dieses beeinflusst, wie empfindlich das Thermoelement auf Temperaturänderungen reagiert.

Angenommen, du nutzt ein Thermoelement aus Chromel-Alumel (auch als Typ K bekannt). Dieses ist besonders geeignet für hohe Temperaturen und liefert zuverlässige Messergebnisse im Bereich von -270 °C bis +1370 °C. Wenn nun eine Temperaturdifferenz auftritt, wandern die Elektronen entsprechend des Seebeck-Effekts und erzeugen eine messbare Spannung. Der Bezugspunkt für die Spannung ist dabei die Umgebungstemperatur.

Verschiedene Typen von Thermoelementen

Thermoelemente gibt es in vielen verschiedenen Typen, die jeweils ihre spezifischen Eigenschaften und Anwendungsgebiete haben. Diese Vielfalt macht sie zu einer überragend flexiblen Lösung für die Temperaturmessung in der Industrie, Forschung und vielen weiteren Bereichen. Die unterschiedlichen Thermoelementtypen werden in der Regel nach den Metallen oder Legierungen benannt, aus denen sie bestehen.

Thermoelemente Typ K

Ein weit verbreiteter Typ ist das Thermoelement Typ K, auch als Chromel-Alumel-Thermoelement bekannt. Es besteht aus den Legierungen Chromel (90% Nickel und 10% Chrom) und Alumel (95% Nickel, 2% Aluminium, 2% Mangan und 1% Silizium).

Diese Legierungskombination hat viele Vorteile, was das Thermoelement Typ K besonders vielfältig einsetzbar macht. Es hat einen weiten Temperaturbereich und eine hohe Genauigkeit. Zudem ist es vergleichsweise günstig in der Herstellung. Allerdings sollte beachtet werden, dass das Thermoelement Typ K anfällig für Oxidation ist, insbesondere bei Temperaturen über 1000°C. Besonders häufig kommt das Thermoelement Typ K in der Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik sowie in der Lebensmittelindustrie zum Einsatz.

Thermoelemente Typen und ihr Temperaturbereich

Es gibt eine Vielzahl von Thermoelementtypen, die jeweils für unterschiedliche Temperaturbereiche und Anwendungen geeignet sind. Die genaue Charakteristik jedes Typs ist durch die internationale IEC 60584 Norm einheitlich festgelegt. Unter den gängigen Thermoelementtypen und ihren Anwendungsbereichen zählen:

Typ J (Eisen-Konstantan): -210°C bis 1200°C. Beständig gegen Oxidation und ideal für Vakuum, reduzierende Atmosphären oder inerte Gase.
Typ T (Kupfer-Konstantan): -270°C bis 400°C. Beständig gegen Oxidation und Korrosion, ideal für Anwendungen in chemischer Industrie und Lebensmittelverarbeitung.
Typ E (Chromel-Konstantan): -270°C bis 1000°C. Höchster EMF-Ausgang pro Grad im Vergleich zu anderen Thermoelementen, geeignet für kryogene Anwendungen.
Typ N (Nicrosil-Nisil): -200°C bis 1300°C. Hohe Stabilität und Oxidationsbeständigkeit, ideal für Hochtemperaturanwendungen.

Für jede Anwendung sollte das passende Thermoelement ausgewählt werden, um genaue und zuverlässige Messergebnisse zu erzielen. Um den geeigneten Typ zu ermitteln, kann folgende Tabelle hilfreich sein:

Typ	Maximale Temperatur (°C)	Eigenschaften
Typ K	1370	Weiter Messbereich, hohe Genauigkeit
Typ J	1200	Beständig gegen Oxidation
Typ T	400	Beständig gegen Oxidation und Korrosion
Typ E	1000	Höchster EMF-Ausgang pro Grad
Typ N	1300	Hohe Stabilität und Oxidationsbeständigkeit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Vielfalt der Typen von Thermoelementen es ermöglicht, für jedes technische Problem eine geeignete Lösung zu finden. Es ist wichtig, die jeweiligen Eigenschaften der unterschiedlichen Thermoelementtypen zu kennen und zu beachten, um zuverlässige Messergebnisse zu erhalten.

Praktische Anwendung von Thermoelementen

Vom wissenschaftlichen Labor bis zur industriellen Fertigung: Thermoelemente sind vielseitige Instrumente mit einer breiten Palette von Anwendungen. Da sie Temperaturänderungen in eine elektrische Spannung umwandeln, spielen sie eine wesentliche Rolle in jedem System, das eine präzise Temperaturüberwachung oder -steuerung erfordert.

Temperaturmessung mit Thermoelementen

Die Temperaturmessung ist eine der häufigsten Anwendungen von Thermoelementen. Sie sind die Sensoren der Wahl für viele industrielle Prozesse, von der Überwachung von Hochtemperaturschmelzen in der Metallurgie bis hin zur genauen Kontrolle der Ofentemperatur in der Herstellung von Elektronik. Thermoelemente haben den Vorteil, dass sie eine schnelle Reaktion auf Temperaturänderungen zeigen, was eine präzise Steuerung und Regelung von Heizungs- und Kühlsystemen ermöglicht. Darüber hinaus sind sie robust und unempfindlich gegenüber rauen Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise hoher Druck, Vibrationen oder korrosive Medien.

Mit einer geeigneten Schaltung können Thermoelemente auch zur Temperaturdifferenzmessung verwendet werden. Durch Vergleich der gemessenen Spannung mit einer Referenzspannung kann die Differenz zwischen der Temperatur an der Messstelle und einer Referenztemperatur ermittelt werden.

Elektrische Temperaturmessung mit Thermoelementen und Widerstandsthermometern

Neben Thermoelementen sind auch Widerstandsthermometer ein wichtiges Instrument für die elektrische Temperaturmessung. Beide arbeiten nach unterschiedlichen Prinzipien, haben jedoch ihre jeweiligen Stärken und Schwächen, die je nach Anwendung zu berücksichtigen sind. Als Widerstandsthermometer, auch genannt RTD (Resistance Temperature Detector), verwenden eine spezielle Art von Widerstand, dessen elektrischer Widerstand sich mit der Temperatur ändert. Widerstandsthermometer sind besonders in Bereichen beliebt, in denen hohe Präzision und Stabilität über einen weiten Temperaturbereich gefordert wird. Thermoelemente hingegen sind weniger empfindlich gegenüber Umgebungseinflüssen und eignen sich daher besonders für Anwendungen, die eine schnelle Reaktion auf Temperaturänderungen erfordern. Auf der anderen Seite können Widerstandsthermometer auch bei niedrigen Temperaturen verwendet werden, bei denen Thermoelemente ungenau werden.

Thermoelemente Beispiele

Um zu verdeutlichen, wie vielseitig Thermoelemente in der Praxis eingesetzt werden können, hier einige konkrete Anwendungsbeispiele:

1. Lebensmittelindustrie: Lebensmittelproduzenten nutzen Thermoelemente, um die Temperatur in Backöfen, Kühlsystemen und Kochkesseln zu überwachen und zu steuern. Beispielsweise sorgt ein Thermoelement dafür, dass Backwaren immer bei der optimalen Temperatur gebacken werden, was entscheidend für die Qualität des Endprodukts ist.

2. Automobilindustrie: Thermoelemente spielen eine entscheidende Rolle bei der Temperaturkontrolle in Fahrzeugmotoren. Sie überwachen die Temperatur in verschiedenen Teilen des Motors und sorgen dafür, dass die Betriebstemperaturen optimal gehalten werden, um Motorschäden zu vermeiden und die Effizienz zu maximieren.

3. Energieerzeugung: In Kraftwerken werden Thermoelemente genutzt, um die Temperatur von Gasen, Dämpfen und Flüssigkeiten zu messen. Dies ermöglicht eine exakte Regelung der Betriebsbedingungen und trägt somit zur Energieeffizienz bei.

Das sind nur einige Beispiele für die breite Palette von Anwendungsmöglichkeiten für Thermoelemente in der Praxis. Ihre robuste Bauweise, ihre schnelle Ansprechzeit und ihre Vielseitigkeit machen sie zu einem unverzichtbaren Werkzeug in vielen unterschiedlichen Branchen und Bereichen.

Auswahl und Nutzung von Thermoelementen

Bei der Verwendung von Thermoelementen sind zwei zentrale Aspekte zu berücksichtigen: die Materialien, aus denen das Thermoelement besteht und das grundlegende Prinzip, nach dem es funktioniert. Beide Punkte haben erhebliche Auswirkungen auf die Leistung und Genauigkeit des Thermoelements in seinen spezifischen Einsatzbereichen.

Materialwahl für Thermoelemente

Die Wahl des richtigen Thermoelements ist von entscheidender Bedeutung für die Effizienz und Genauigkeit der Temperaturmessung. Thermoelemente gibt es in verschiedenen Materialpaarungen, und jede Kombination hat ihre charakteristischen Eigenschaften. Die Eigenschaften von Thermoelementen werden stark durch die Materialien beeinflusst, aus denen sie bestehen und daher ist deren Kenntnis entscheidend. Allgemein kann gesagt werden, dass jedes Thermoelement eine spezifische Temperatur-Spannungs-Beziehung hat, die als dessen Seebeck-Koeffizient bekannt ist. Dieser Wert ist temperaturabhängig und wird durch den Typ des Thermoelements bestimmt. Einen Überblick über die verschiedenen Typen und ihre Eigenschaften bietet folgende Tabelle:

Type	Material	Anwendungsbereich	Temperaturbereich
Typ E	Chromel-Konstantan	Höchster EMF-Ausgang, gut für kryogene Anwendungen	-270°C bis 1000°C
Typ J	Eisen-Konstantan	Ideal für Vakuum, reduzierende Atmosphäre	-210°C bis 1200°C
Typ K	Chromel-Alumel	Weit verbreitet, robust, kostengünstig	-270°C bis 1370°C
Typ T	Kupfer-Konstantan	Stabil, gute Genauigkeit, resistent gegen Korrosion	-270°C bis 400°C

Thermoelemente Funktionsweise

Das Grundprinzip der Funktionsweise von Thermoelementen basiert auf der Seebeck-Effekt genannten physikalischen Eigenschaft. Benannt nach dem deutschen Physiker Thomas Johann Seebeck, zeigt dieses Phänomen, dass ein elektrischer Strom in einem Kreislauf aus zwei verschiedenen Metallen fließt, wenn die Verbindungsstellen dieser Metalle auf unterschiedlichen Temperaturen gehalten werden.

Die resultierende Spannung, die durch das Thermoelement erzeugt wird, kann durch die Relation ausgedrückt werden: \[ V = S(T_{hot}-T_{cold}) \] wo - \( V \) ist die generierte Seebeck-Spannung, - \( S \) repräsentiert den spezifischen Seebeck-Koeffizienten des Thermoelement-Materials, und - \( T_{hot} \) und \( T_{cold} \) sind die Temperaturen an der Verbindungsstelle und der freien Ende des Thermoelements. Die Spannung, die von einem Thermoelement gemessen wird, ist eine Funktion der Temperaturdifferenz zwischen der heißen und der kalten Seite des Thermoelements, daher kann durch die Kenntnis einer dieser Temperaturen die andere durch die Messung der Spannung ermittelt werden. Der Seebeck-Koeffizient, der durch den Typ des Thermoelements bestimmt wird, ist der Schlüssel zur genauen Temperaturmessung mit Thermoelementen. Dieser Koeffizient ist temperaturabhängig und muss daher auf eine Referenztemperatur normiert werden.

In der Praxis wird oft die "Cold Junction Compensation" genutzt. Dabei wird die Temperatur an der kalten Verbindungsstelle – meist mittels eines zusätzlichen Temperatursensors – gemessen und dann zur Korrektur der Thermoelementmessung verwendet.

Die korrekte Berechnung und Anwendung des Seebeck-Koeffizienten ist der Schlüssel zur genauen Temperaturmessung mit Thermoelementen. Eine gründliche Kenntnis dieser grundlegenden physikalischen Prinzipien ist daher für den effektiven Einsatz von Thermoelementen unerlässlich.

Thermoelemente - Das Wichtigste

Thermoelemente sind Sensoren, die die Temperatur messen, indem sie eine elektrische Spannung erzeugen, wenn an ihren offenen Enden eine Temperaturdifferenz auftritt.
Der fundamentale physikalische Mechanismus, der den Betrieb von Thermoelementen ermöglicht, ist der Seebeck-Effekt.
Die erzeugte Spannung wird durch die verwendeten Materialien und die Größe der Temperaturdifferenz bestimmt. Verschiedene Thermoelementtypen sind für unterschiedliche Temperaturbereiche und Anwendungen geeignet.
Thermoelement Typ K, oder Chromel-Alumel-Thermoelement, besteht aus den Legierungen Chromel (90% Nickel und 10% Chrom) und Alumel (95% Nickel, 2% Aluminium, 2% Mangan und 1% Silizium). Es ist geeignet für hohe Temperaturen und liefert zuverlässige Messergebnisse im Bereich von -270 °C bis +1370 °C.
Thermoelemente werden in verschiedenen Branchen eingesetzt, darunter die Lebensmittel-, Automotive- und Energieerzeugungsindustrie, zur Überwachung und Regulierung der Temperatur.
Bei der Auswahl eines Thermoelementes sollten die Materialien und das Funktionierungsprinzip des Thermoelementes und deren Auswirkungen auf die Ergebnisse sorgfältig berücksichtigt werden.

Thermoelemente

StudySmarter Redaktionsteam