Thermoelement

Aufbau und Funktionsprinzip

Ein Thermoelement ist ein Paar elektrischer Leiter aus unterschiedlichen Metallen, die an einem Ende miteinander verbunden sind. Aufgrund des thermoelektrischen Effektes eignet es sich zur Temperaturmessung. Entlang des elektrischen Leiters entsteht bei einer Temperaturdifferenz elektrische Energie. An den anderen Enden tritt eine vergleichsweise kleine elektrische Spannung auf, die Thermospannung. Sie beträgt typischerweise einige 10 µV pro 1 °C Temperaturdifferenz. Selbst bei Temperaturdifferenzen über 1000 °C liegen die erreichbaren Spannungen unter oder in der Größenordnung von 0,1 V.

Der thermoelektrische oder Seebeck-Effekt bezeichnet das Auftreten einer elektrischen Spannung aufgrund eines Temperaturgefälles entlang eines elektrischen Leiters. Die Spannung hängt von der Temperaturdifferenz und vom Leitermaterial ab; die Kennlinien sind nur näherungsweise linear.

Für die Messung müssen Hin- und Rückleiter aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Bei gleichen Materialien würden sich die gleich großen Potentialdifferenzen in einem geschlossenen Stromkreis aufheben. Die heiße Verbindungsstelle ist die Messstelle, die Übergänge zu den Leitungen des Spannungsmessgeräts bilden die Vergleichsstelle. Eine Thermospannung beschreibt daher zunächst nur die Temperaturdifferenz zwischen Mess- und Vergleichsstelle. Zur Bestimmung der tatsächlichen Messstellentemperatur muss die Vergleichsstellentemperatur bekannt sein.

Die Empfindlichkeit eines einzelnen Leiters wird nicht isoliert gemessen, sondern gegenüber einem Bezugsmaterial, üblicherweise Platin, als thermoelektrischer Koeffizient angegeben. Diese nach Größe geordneten Materialdaten bilden die thermoelektrische Spannungsreihe. Legierungsverhältnis und Reinheitsgrad beeinflussen die Koeffizienten. Gezielte Beimengungen können reproduzierbare und einigermaßen langzeitstabile Eigenschaften erzeugen.

Spannung, Kennlinien und Berechnung

Für bestimmte Materialpaare ist der Zusammenhang zwischen Thermospannung U_th und Messstellentemperatur t_M bei einer Vergleichsstellentemperatur t_V = 0 °C durch genormte Referenzfunktionen U_th = f(t_M) festgelegt. Wegen der gekrümmten Kennlinien gelten dabei mehrere Gleichungen für unterschiedliche Temperaturbereiche. Die Zusammenhänge werden deshalb auch in Tabellen angegeben.

In einem kleinen Temperaturbereich kann die Kennlinie näherungsweise linear behandelt werden. Für ein Thermoelement Typ K aus Nickel-Chrom-Legierung und Nickel gilt:

U_th = (k_NiCr − k_Ni) · Δt

mit

Δt = t_M − t_V.

Die Koeffizienten k_NiCr und k_Ni sind temperaturabhängig. Ebenso ist der Seebeck-Koeffizient des gesamten Thermoelements temperaturabhängig; er beschreibt die Empfindlichkeit als dU_th/dt_M. Bei einem linearen Ansatz lässt sich die Referenzfunktion mathematisch einfach nach t_M = f(U_th) auflösen. Für den nichtlinearen Fall stellen die DIN-Norm und die dazugehörigen inversen Funktionen die notwendige Umrechnung bereit.

Materialien, Typen und Genauigkeit

Bei der Auswahl eines Thermoelements strebt man eine hohe Thermospannung, hohe Linearität und hohe Korrosionsfestigkeit bei hohen Temperaturen an. Diese Ziele lassen sich nicht mit einer einzigen Materialkombination erreichen. International sind zehn Thermoelementtypen durch Großbuchstaben gekennzeichnet. Der positive Leiter wird jeweils zuerst genannt; bei einer positiven Temperaturdifferenz besitzt er gegenüber dem anderen Leiter das positive Potential.

Wichtige Typen sind:

• Typ K: Nickel-Chrom/Nickel (NiCr-Ni), der häufigste Typ. Thermospannungen von −6,458 mV bei −270 °C bis 52,410 mV bei 1300 °C; Empfindlichkeit etwa 40 µV/°C oberhalb 0 °C.
• Typ J: Eisen/Kupfer-Nickel (Fe-CuNi), industriell vielfach eingesetzt. Thermospannungen von −8,095 mV bei −210 °C bis 69,553 mV bei 1200 °C; etwas empfindlicher, aber weniger linear als Typ K.
• Typ R: Platin-Rhodium/Platin (Pt13Rh-Pt), und Typ S: Platin-Rhodium/Platin (Pt10Rh-Pt). Sie sind für Temperaturen bis etwa 1750 °C geeignet, liefern bis etwa 20 mV und besitzen je nach Temperatur eine Empfindlichkeit von 5…12 µV/°C.

Weitere genormte Hochrein-Thermoelemente sind Gold-Platin und Platin-Palladium; ihre Handhabung ist schwierig. Für hohe Temperaturen wurde die Normung um Wolfram-Thermoelemente bis 2500 °C erweitert. Goldbasierte Thermoelemente für niedrige Temperaturen wurden entwickelt, ihre Thermospannungen sind aber noch nicht genügend reproduzierbar für eine einheitliche Festlegung. Markennamen wie Chromel und Konstantan werden in der Normung nicht mehr verwendet.

Die Tabelle des Artikels nennt außerdem Typ N (NiCrSi-NiSi), E (NiCr-CuNi), T (Cu-CuNi), B (Pt30Rh-Pt6Rh), C (W5Re-W26Re), A (W5Re-W20Re) und AuFe-NiCr mit ihren jeweiligen definierten Temperaturbereichen und Grenzabweichungen. Für Typ K gilt beispielsweise: definiert von −270 bis +1300 °C; in Klasse 1 beträgt die Grenzabweichung in −40 bis 1000 °C 1,5 °C oder 0,004·|t|, in Klasse 2 in −40 bis 1200 °C 2,5 °C oder 0,0075·|t|. Von den beiden Angaben ist jeweils die größere als Betragsangabe maßgeblich. Bei 1000 °C bedeutet „1,5 °C oder 0,004·|t|“ deshalb eine mögliche Abweichung bis −4 °C oder bis +4 °C.

Wegen zu erwartender Drift soll eine obere, vom Drahtdurchmesser abhängige Einsatztemperatur eingehalten werden. Für K, J, N, E und T wird bei dieser Temperatur in sauberer Luft eine kontinuierliche Einsatzdauer von 10.000 h erwartet; für Edelmetalltypen R, S und B sind es 2.000 h. Die Angaben in Klammern beziehen sich auf eine verkürzte Einsatzdauer von 250 h beziehungsweise 50 h. Die garantierten Grenzabweichungen gelten nur für als zusammengehörig gekennzeichnete Thermodrähte im Anlieferungszustand. Für tiefe Temperaturen können bei T, E, K und N bis −200 °C Grenzabweichungen der Klasse 3 garantiert werden, wenn selektiertes Material verwendet wird.

Ordnungszustände und Alterung

Bei NiCr-Ni-Thermoelementen können sich abhängig von Temperatur und Abkühlungsgeschwindigkeit unterschiedliche Ordnungszustände der NiCr-Legierung bilden. Der K-Zustand ist der geordnete, der U-Zustand der ungeordnete Zustand. Beide erzeugen reproduzierbare Thermospannungen, die sich jedoch um bis zu 5 K unterscheiden können.

Die NiCr-Legierung besitzt ein kubisch-flächenzentriertes Kristallgitter. Im K-Zustand bilden Chrom-Atome die Ecken, während Nickel-Atome im Zentrum der Flächen liegen. Dieser Zustand stellt sich immer bei Temperaturen über 600 °C ein. Wird das Thermoelement im Bereich von 600 … 400 °C mit mehr als 100 K/h abgekühlt, entstehen Störungen im Kristallgitter: Nickel-Atome liegen an den Ecken und Chrom-Atome im Flächenzentrum. Diese Anordnung heißt U-Zustand. Bei höheren Abkühlgeschwindigkeiten haben die Atome keine Zeit, aus dem geordneten Zustand auszubrechen.

In der messtechnischen Praxis kühlen Thermoelemente meist zu langsam ab, sodass sich unterhalb 600 °C gewöhnlich der K-Zustand einstellt. Durch Zugabe von Silizium lässt sich der Effekt so weit vermindern, dass er messtechnisch vernachlässigbar ist. Dies wurde beim Typ N (NiCrSi-NiSi) umgesetzt.

Bei hohen Temperaturen und reaktiven Ofenatmosphären verändert Alterung die thermoelektrischen Koeffizienten und damit die Thermospannung. Je nach Typ und Einsatztemperatur kann sie steigen oder sinken. Ein gealtertes Thermoelement ist nicht mehr homogen; entscheidend sind die Metalleigenschaften im Bereich des Temperaturgradienten. Wird ein fest eingebautes, gealtertes Thermoelement etwas aus dem Ofen gezogen, gelangt das im Ofen gealterte Metall in den gesamten Temperaturgradienten, wodurch der Messfehler stark zunimmt. Wird es dagegen tiefer in den Ofen geschoben, kann es wieder genau anzeigen.

Vergleichsstelle und Kaltstellenkompensation

Da ein Thermoelement grundsätzlich nur eine Temperaturdifferenz misst, ist für eine Temperaturmessung eine Kaltstellenkompensation (CJC, cold junction compensation) erforderlich. Im einfachsten Fall wird die Vergleichsstellentemperatur gemessen. Bei einer linearen Näherung liest man die zur Thermospannung gehörende Temperaturdifferenz aus einer Tabelle ab und addiert die Vergleichsstellentemperatur.

Bei einer nichtlinearen Kennlinie muss die Bezugstemperatur der Tabelle berücksichtigt werden, meistens 0 °C bei 0 mV. Weicht die Vergleichsstellentemperatur von dieser Bezugstemperatur ab, wird die gemessene Spannung vor der Tabellenumrechnung um den Tabellenwert der Vergleichsstellentemperatur korrigiert. Wichtig ist: Teilspannungen dürfen zur Gesamtspannung addiert werden; die zugehörigen Temperaturwerte dürfen bei einer gekrümmten Kennlinie jedoch nicht einfach zur Gesamttemperatur addiert werden.

Die Vergleichsstelle kann mit Thermoleitungen oder Ausgleichsleitungen an einen entfernten Ort, etwa eine Messwarte, verlegt werden. Thermoleitungen bestehen aus den identischen Thermomaterialien. Ausgleichsleitungen verwenden preiswertere Materialien mit denselben thermoelektrischen Eigenschaften in einem begrenzten Temperaturbereich.

Zur Kompensation kann ein zweites, gegenpolig in Reihe geschaltetes Thermoelement desselben Typs dienen, dessen Temperatur auf einem bekannten Wert gehalten wird, etwa 0 °C in Eiswasser oder 50 °C in einem Vergleichsstellen-Thermostat. Alternativ erzeugt eine Kompensationsschaltung mit Temperatursensor eine entsprechende Spannung, beispielsweise für den Bereich 0 bis 50 °C bezogen auf 20 °C. Moderne Auswerteeinheiten messen die Thermospannung und die Klemmstellentemperatur zusätzlich, beispielsweise mit einem Pt100, und korrigieren den Wert digital. Das Thermoelement muss direkt oder über geeignete Thermo- beziehungsweise Ausgleichsleitungen angeschlossen werden; andere Leitermaterialien würden die Vergleichsstelle verlagern und Fehlmessungen verursachen.

Typische Anwendungen und Entwicklung

Für industrielle Anwendungen werden Thermoelemente als Mantelthermoelemente oder als Messeinsätze mit Schutzrohr gefertigt. Schutzrohre aus Keramik oder Metall schützen vor kontaminierenden, korrosiven und abrasiven Einflüssen. Messeinsätze können mit Anschlusskopf in einem äußeren Schutzrohr betrieben und auch während des laufenden Betriebs leicht ausgetauscht werden.

Mehrere in Reihe geschaltete Thermoelemente bilden eine Thermokette. Ihre Thermospannung steigt mit der Anzahl der Elemente. Thermoketten werden in empfindlichen Infrarotdetektoren und Laser-Leistungsmessern eingesetzt. Dabei messen sie die Temperaturdifferenz entlang eines Wärmeleiters, indem die Verbindungsstellen abwechselnd näher oder weiter von der Absorptionsfläche entfernt angeordnet sind.

In Gasherden und Gas-Durchlauferhitzern überwacht ein Thermoelement die Flamme. Die erwärmte Flamme erzeugt den Strom, der ein elektromagnetisches Brennstoffventil offenhält. Erlischt die Flamme, kühlt das Thermoelement ab, das Ventil schließt und die Brennstoffzufuhr wird unterbrochen. Das System benötigt keine Hilfsenergie, reagiert aber träge, sodass eine gewisse Gasmenge ausströmen kann. In Heizungsanlagen wurden solche Thermosicherungen deshalb durch schneller reagierende Zündsicherungen ersetzt, die die Ionisierung beziehungsweise Leitfähigkeit der Flamme überwachen, dafür aber Hilfsenergie benötigen. Ein Thermoelement dieser Thermosicherung liefert im heißen Zustand etwa 30 … 40 mV und einen Strom von mehreren Ampere. Beim Abkühlen fällt die Magnethaltung innerhalb 30 Sekunden ab.

Historisch wurde das Prinzip 1821 von Thomas Johann Seebeck beschrieben. Antoine César Becquerel empfahl 1826 Platin-Palladium; 1885 entwickelte Henry Le Chatelier das erste praktisch eingesetzte Thermoelement. Seine Zusammensetzung mit einem positiven Schenkel aus Platin-Rhodium mit 10 % Rhodium und einem negativen Schenkel aus reinem Platin ist als Typ S genormt. Wolfram-Rhenium-Thermoelemente ermöglichten ab 1962 berührende Messungen über 2.000 °C, wurden 1963 für das Hitzeschild des Apollo-Raumschiffs angekündigt und überschritten durch weitere Modifikationen 1967 erstmals 3.000 °C.