Thermoelemente messen Temperaturen im Bereich  -250°C bis 1800 (2750)°C.

Grundlagen: Der Seebeck-Effekt

Wird ein elektrischer Leiter an einem Ende erwärmt, so besteht zwischen den beiden Enden ein Temperaturgefälle.  Dies verursacht einen Elektronenfluss in dem Leiter, wodurch eine Ladungstrennung = elektromotorische Kraft = EMK entsteht. Die daraus resultierende Spannungshöhe und Richtung ist von dem Temperaturgefälle und dem Leitermaterial abhängig.  Der Effekt wird nach seinem Erfinder T.J.Seebeck 1822 benannt.  Dabei ist es unerheblich, ob der Temperaturunterschied auf einem langen oder kurzen Leiterstück stattfindet. 

Die Besonderheit des Seebeck-Effektes ist es, dass dieses Prinzip auch umkehrbar ist: Peltier-Effekt. Wird ein Strom durch das Thermoelement geschickt, so kühlt es sich ab: Peltierelement.  In diesem Fall findet eine "Temperaturtrennung" statt. Überlagert wird dieser Effekt durch eine Wärmeentwicklung P = I² * R, so dass ein immer größerer Strom nicht gleichzeitig eine größere Kälteleistung ergibt !

Das Thermoelement = Thermopaar

Die Thermospannung kann man an einem Leiter schlecht messen, da sich dann das eine Ende der Messleitung ebenfalls in der Temperaturzone befindet.

Da bei jedem Übergang von einem auf ein anderes Leitermaterial Thermospannungen entstehen, kann man - wie bei einem galvanischen Element- zwei möglichst unterschiedliche thermoelektrische Leiter in Reihe schließen.  Verwendet man z.B. Fe und Al als Thermopaar, so erhält man eine Thermospannung von 16,5 * 10-6 V/K, verwendet man Fe - Cu, so wären es nur 13,2 * 10-6 V/K.

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Praktische Temperaturmessung mit Thermoelementen

Beispiele für industriell genutzte Thermoelemente.  Das erstgenannte Leitermaterial ist der Plus-Schenkel:

MessSignalTransport und -aufbereitung

Der Zusammenhang zwischen Thermospannung und Temperatur sind nicht ganz linear. Er wird mathematisch durch eine Gleichung (Polynom) höherer (10facher) Ordnung errechnet. 

Berechnung der Thermospannungen = Grundwertreihen 

Das Problem der richtigen Temperaturmessung

MessSignalTransport und -aufbereitung

Warum ist bei der Temperaturmessung mit Thermoelementen eine Vergleichsstelle und ev. Ausgleichsleiter notwendig?

An jeder der Kontaktstellen eines der beiden Thermoschenkel zum Kupferleiter entstehen ebenfalls neue Thermospannungen.  Diese Kontaktspannungen addieren sich positiv oder negativ zu der Thermospannung.  Es kann daher immer nur die Spannungsdifferenz und damit TemperaturDifferenz zwischen Messstelle  und aller Kontaktstellen gemessen werden.

Die Thermospannung wird entweder 

 - mit dem gleichen Material wie die Thermoschenkel zur Vergleichsstelle weiter geleitet

 - oder, wenn die Thermoleiter teuer sind, mit Leitern aus einer speziellen Legierung, welche an der Kontaktstelle zum Thermoelement bei Umgebungstemperaturen keine neue Thermospannung erzeugen.  Diese Leiter werden Ausgleichsleiter genannt.

An der Kontaktstelle vom Thermo- oder Ausgleichsleiter zum Kupferleiter wird eine (Temperatur-) Vergleichsstelle eingerichtet.

Für eine genaue Messung muss die Vergleichsstellentemperatur bekannt sein.  Selten wird jedoch die Vergleichsstelle direkt am Messort montiert.  Die MessThermospannung wird, um keine neuen Thermospannungen zu erzeugen, mit dem selben  Materialien wie der jeweilige Thermoschenkel weitergeleitet oder, wenn das Material sehr teuer ist, mit einem Leiter aus einer preiswerteren Legierung = Ausgleichsleiter.  Dieser hat bei geringen Umgebungstemperaturen < 50°C die selben thermoelektrischen Eigenschaften und erzeugt daher beim Übergang auf "gleiches" Metall keine neue Thermospannung, auf Kupfer jedoch die gleiche wie die original Thermoschenkel.  

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Die Vergleichsstelle

Die Bedingung für eine exakte Temperaturmessung mit Thermoelementen ist, dass die VergleichsstellenTemperatur bekannt ist.  Es bieten sich 2 Prinzipien an:

1. Konstante VergleichsstellenTemperatur
2. Messung der VergleichsstellenTemperatur

1.  Vergleichsstelle mit konstanter VergleichsstellenTemperatur

1.1  Die Schwankung der VergleichstellenTemperatur ist nur geringfügig oder sie ist verhältnismäßig klein zur Messtemperatur.  Keine besondere technische Einrichtung notwendig.

1.2  Die Vergleichsstelle wird mit einer Kühlung,  z.B. Eis-Wasser-Bad auf 0°C gebracht oder Kühlschrank.  Nachteil: großer Aufwand.

1.3  Die Vergleichsstelle wird auf 50 °C erwärmt und mit einem Bi-MetallThermometer konstant gehalten. Vorteil: einfach, alter industrieller Standard.

2.  Vergleichsstelle mit Messung der Vergleichsstellentemperatur

2.1  Kompensationsmessdose  

In der Kompensationsdose befindet sich eine Brückenschaltung, welche von einer netzbetriebenen Spannungsquelle versorgt wird.  Zu der Messspannung und der Thermospannung, welche an der Vergleichstelle entsteht, wird eine entgegengesetzten Spannung mittels der Brückenschaltung addiert, welche so groß ist, dass die Thermospannungen der Vergleichsstelle kompensiert werden.  In einem Brückenzweig befindet sich ein NTC-Widerstand, welcher die Temperatur  der Vergleichsstellen misst und so Änderungen der Thermospannungen ausgleicht.   Eine Kompensationsmessdose kann daher immer nur für ein bestimmtes Thermopaar ausgelegt sein.  Alter industrieller Standard.

2.2  Aktueller industrieller Standard mit IC

Die kleine Thermospannung wird nicht mehr in ihrer Originalgröße analog übertragen, sondern in ein analoges Einheitssignal gewandelt oder nach der Wandlung digital über einen Bus übertragen.  Das Wandlungssystem übernimmt die Aufgabe der  Vergleichsstelle.  Auch hier entsteht der obig erwähnte Fehler durch den Übergang von dem Thermomaterial auf Kupferleiter/-klemmen.  Die ICs, welche die Thermospannung aufbereiten, messen die KontaktTemperatur, so dass die dort entstehende Thermospannung für ein bestimmtes Thermopaar wieder korregiert werden kann. z. B. IC AD 594

Links: 

Praktische und technische Infos können bestellt werden mit dem kostenfreien Handbuch zur Temperaturmessung tcgmbh.de

Daten zu Thermoelemente und Pt100 

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