Thermoelemente – robuste Sensoren für einen großen Temperaturbereich

Ein Thermoelement ist ein Temperatursensor, der aus zwei verschiedenen Metalldrähten besteht. Diese sind an einem Ende (der Messspitze oder Hot Junction) miteinander verbunden und bilden einen geschlossenen elektrischen Kreislauf. Wenn sich am Messende dieses Thermopaares die Temperatur verändert, entsteht aufgrund der unterschiedlichen thermoelektrischen Eigenschaften der beiden Metalle eine Thermospannung. Man nennt dies auch den Seebeck-Effekt. Der genaue Spannungsaufbau ist abhängig von den eingesetzten Materialien und von der Temperatur. Wenn man die Eigenschaften der Materialien kennt, kann man über die Messung der Thermospannung die vorherrschende Temperatur bestimmen – auch bei extremen Temperaturen.

Um den Seebeck-Effekt für die Temperaturmessung nutzen zu können, müssen unterschiedliche Metalle miteinander verbunden werden. Ihre Kombination für industrieübliche Anwendungen ist in der DIN EN 60584-1 genormt. Die Thermopaare können aus unedlen Metallen und Legierungen wie beispielsweise Nickel / Nickel-Chrom (Typ K) oder Eisen / Kupfer-Nickel (Typ J) bestehen oder aus Edelmetallen wie zum Beispiel Platin / Platin – 13 % Rhodium (Typ R). Unedle Thermoelemente zeichnen sich durch eine hohe Signalausprägung aus, während edle Thermoelemente deutlich genauer und temperaturbeständiger sind.

Für ein korrektes Messsignal des Thermoelements muss am Übergang des Thermoelements zum Messgerät die Temperatur als Vergleichsstelle bestimmt werden (Cold Junction). Alle Messgeräte für Thermoelemente berücksichtigen diese Kaltstellenkompensation (Cold Junction Compensation – CJC) bereits in der Werkskonfiguration.

Maßgeblich für die Funktion des Thermoelements ist der sogenannte Seebeck-Effekt.

In einem metallischen Leiter mit einer Temperaturdifferenz zwischen beiden Enden werden die frei beweglichen Elektronen aufgrund eines Energieüberschusses vom heißen Ende in Richtung des kalten Endes verschoben. Die entstandene Ladungsverschiebung führt zu einem elektrischen Potenzial zwischen den beiden Enden. Dieser materialspezifische Effekt findet in allen Metallen und Halbleitern statt.
Um den Seebeck-Effekt technisch zu nutzen, werden nun verschiedene Metalle miteinander verbunden. Die Verbindungsstelle der beiden Metalle wird durch eine geeignete thermische Ankopplung auf die Messtemperatur gebracht. Aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen der Messstelle – der Hot Junction – und dem Anschluss ans Messgerät – der Cold Junction – findet in beiden Metallen die Ladungsverschiebung statt. Aufgrund der unterschiedlichen thermoelektrischen Eigenschaften der Metalle ist der Spannungsaufbau verschieden stark ausgeprägt. Die Potenzialdifferenz der beiden Thermomaterialien kann als Thermospannung gemessen werden.

Um die Thermospannung zu standardisieren, wurden sowohl die Materialpaarungen als auch die Vergleichsstelle – das „kalte“ Ende, an dem das Signal gemessen wird – auf 0 °C genormt. Die Vergleichsstellen der meisten Messgeräte in der industriellen Anwendung befinden sich bei Umgebungstemperatur. Dadurch wird weniger Thermospannung durch das Thermoelement ausgebildet, als für die Berechnung der genauen Temperatur nach Norm notwendig ist. Daher messen die Messgeräte die Anschlussklemmentemperaturen und kompensieren die fehlende Thermospannung zu 0 °C rechnerisch – die sogenannte Kaltstellenkompensation (CJC).

Thermoelemente sind elektrische Berührungsthermometer und können prinzipiell in allen industriellen und forschungsrelevanten Messsystemen eingesetzt werden.
Vorrangig werden Thermoelemente bei Anwendungen verwendet, bei denen hohe Temperaturen, starke Erschütterungen oder starke Schwingungen vorherrschen oder kurze Ansprechzeiten gefordert sind. Dabei wird eine größere Abweichung als beispielsweise bei Widerstandsthermometern in Kauf genommen.
Thermoelemente messen punktförmig und können daher für feingliedrige Temperaturprofilmessungen eingesetzt werden.
Thermoelemente können entweder als Eintauchsensoren oder als Oberflächensensoren, als direkter oder isolierter Sensor oder beispielsweise als Handmessgerät mit zwei separierten Prüfspitzen ausgeführt werden. Das ermöglicht ein breites Einsatzgebiet in folgenden Industriezweigen:

• Industrieofenbau
• Anlagen-/Maschinenbau
• Automotive
• Chemieindustrie
• Kraftwerkstechnik
• Glasindustrie
• Lebensmittelindustrie
• etc.

Unter Thermospannung versteht man den elektrischen Potenzialunterschied zwischen dem positiven und dem negativen Leiter eines Thermoelements, der sich aufgrund einer Temperaturdifferenz zwischen der Messspitze und den Anschlusskontakten aufbaut. Diese Spannung entsteht durch den thermoelektrischen Effekt, auch Seebeck-Effekt genannt. Die Spannungsreihen sind für die einzelnen Thermoelementtypen in der DIN EN 60584-1 mit 0 °C als Vergleichsstelle normiert. Befindet sich die Vergleichsstelle auf einem anderen Temperaturniveau, muss die fehlende bzw. die zu viel gebildete Thermospannung rechnerisch kompensiert werden.

Prinzipiell ist es möglich, ein Thermoelement mit seinem Grundmaterial von der Messstelle bis zur Messwarte zu verlegen. Abhängig vom Durchmesser, der Bauweise und dem Thermoelementtyp ist der Sensor allerdings zu unflexibel oder schlicht zu teuer. Man muss sich nur die Kosten und den Aufwand vorstellen, wenn ein Typ-R-Platin-Thermoelement über 100 Meter quer durch die Werkshalle verlegt werden soll oder wenn ein 8,0-Millimeter-Thermoelement der Kabelführung folgend zurechtgebogen werden muss.
Deshalb werden Thermo- oder Ausgleichsleitungen verwendet, um die Distanz zwischen Messstelle bzw. Thermoelement und der Messkarte zu überbrücken. Neben der reinen Signalleitung ist die Leitung auch für die Signalbildung notwendig, damit der Temperaturunterschied zwischen dem kalten Ende des Thermoelements und der Eigentemperatur der Messkarte ausgeglichen werden kann. Die Thermo- und die Ausgleichsleitungen müssen daher ähnliche bis identische thermoelektrische Eigenschaften wie das Thermomaterial des Thermoelements haben.
Während die Thermoleitung das gleiche Thermomaterial als Innenleiter hat, werden für die Ausgleichsleitung Materialien verwendet, die nur ähnliche thermoelektrische Eigenschaften wie das Thermomaterial besitzen.
Durch das gleiche Thermomaterial in der Thermoleitung sind die Genauigkeiten der Messkette höher.
Dennoch haben die Ausgleichsleitungen ihre Daseinsberechtigung, da sie günstiger in der Anschaffung sind. Vor allem bei Edelmetall-Thermoelementen gibt es ausschließlich Ausgleichsleitungen, da eine Thermoleitung nicht wirtschaftlich beschafft werden kann.
Die Farbcodierung der Thermo- und Ausgleichsleitungen ist in der DIN EN 60584-3 genormt.

Das Thermoelement Typ K ist einer von zehn standardisierten Thermoelementtypen der Norm DIN EN 60584-1. Der Typ beschreibt die Thermomaterial-Kombination. Bei einem Thermoelement Typ K wird als positiver Leiter eine Nickel-Chrom-Legierung und als negativer Leiter Nickel verwendet.
Im europäischen Raum wird dieser Typ nach der DIN EN 60584-3 grün gekennzeichnet. Er ist einer der am häufigsten verwendeten Typen in der industriellen Anwendung.

Folgende Thermoelementtypen sind genormt: