Wenn es um Temperaturmessung geht, sind Thermoelemente eine der beliebtesten Methoden. Aber wie funktionieren sie eigentlich? In diesem Artikel werden wir einen Blick auf die Funktionsweise von Thermoelementen werfen und einige interessante Fakten entdecken.
Ein kurzer Überblick
Ein Thermoelement besteht aus zwei Drähten aus unterschiedlichen Metallen, die an einem Ende zu einem Thermopaar verbunden sind. Dieser Verbindungsknoten bildet die Messstelle. Wenn dieser Knoten erwärmt wird, entsteht eine Spannung, die der Temperatur der Messstelle annähernd proportional ist. Es ist wichtig zu beachten, dass ein Thermoelement keine absolute Temperatur misst, sondern die Differenztemperatur zwischen der Messstelle und einer erforderlichen Kaltstelle erfasst.
Die Funktionsweise
Die Messung der Spannung in einem Thermoelement basiert auf dem sogenannten thermoelektrischen oder Seebeck-Effekt. Dieser Effekt beruht zum einen auf der unterschiedlichen Elektronendichte der beiden metallischen Materialien der verwendeten Drähte und zum anderen auf dem Temperaturunterschied zwischen Messstelle und Kaltstelle. Die Spannungsmessung findet normalerweise in der Umgebungstemperatur statt, daher wäre der angezeigte Spannungswert zu niedrig. Um den tatsächlichen Wert für die Messstellentemperatur zu erhalten, wird eine Kaltstellenkompensation angewendet.
Die geltenden Normen
Um möglichst genaue Messungen zu gewährleisten, werden spezielle Materialpaarungen für Thermoelemente verwendet. Diese Materialpaarungen basieren auf den unterschiedlichen Elektronegativitäten der Metalle. Es gibt verschiedene Normen, die die Eigenschaften und Spezifikationen von Thermoelementen beschreiben, wie zum Beispiel die IEC 60584-1, die die Thermospannungen bei festgelegten Thermopaaren definiert.
Verschiedene Thermoelement-Typen
Es gibt eine Vielzahl von Thermoelement-Typen, die jeweils für unterschiedliche Anwendungen geeignet sind. Beispielsweise sind NiCr-NiAl-Thermoelemente des Typs K für den Einsatz in oxidierenden oder Schutzgasatmosphären bis zu Temperaturen von 1200 °C geeignet. Thermoelemente des Typs J bestehen aus Eisen und Kupfer-Nickel und werden für Temperaturmessungen bis 750 °C eingesetzt.
Ungenaue Messergebnisse durch Alterungserscheinungen
Oxidationsprozesse und eindiffundierende Fremdatome können zu Veränderungen der Kennlinie von Thermoelementen führen und somit zu ungenauen Messergebnissen führen. Thermoelemente aus unedlen Materialien altern und verändern dadurch ihre Temperatur-Thermospannungskennlinie. Doch es gibt auch Thermoelemente, wie PtRh-Pt-Thermoelemente der Typen R und S, die praktisch keine Alterung zeigen.
Der K-Effekt
Ein interessantes Phänomen, das bei Typ-K-Thermoelementen auftritt, ist der sogenannte K-Effekt. Dabei kommt es im Temperaturbereich zwischen 400 und 600 °C zu einer unerwünschten Änderung des Kristallgitters im NiCr-Schenkel des Thermoelements. Dies führt zu einem Thermospannungsfehler. Glücklicherweise ist dieser Effekt reversibel und kann durch Glühen bei Temperaturen über 700 °C größtenteils wieder abgebaut werden.
Insgesamt können wir sagen, dass Thermoelemente eine faszinierende Technologie sind, die in vielen Anwendungen eingesetzt werden. Von der industriellen Temperaturüberwachung bis hin zur Lebensmittelindustrie – Thermoelemente sind vielseitig einsetzbar und liefern zuverlässige Messergebnisse.
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