Thermoelemente

Allgemein

Thermoelemente sind Sensoren zur Messung eine Temperatur. Hauptbestandteile der Thermoelemente sind ein Thermopaar, welches die sogenannte Thermospannung erzeugt und ein Anschlussteil zum Beispiel einem Stecker. Thermoelemente finden in vielen Bereichen der Temperaturmessung Verwendung. Sie zeichnen sich durch eine hohe Flexibilität der Bauweise und eines schnellen Ansprechverhalten aus.

Übersicht Thermopaare

Folgende Thermopaare sind in der ISO EN 60584-1 definiert:

Typ	Positiver Draht [plus]	Negativer Draht [minus]	Farbe DIN [plus / minus]	Temperaturbereich [°C]
J	CuNi	Fe	schwarz / weiß	-200 +750
K	NiCr	NiAl	grün / weiß	-200 +1100
N	NiCrSi	NiSi	pink / weiß	-200 +1200
S	PtRh10%	Pt	orange / weiß	0 +1600
R	PtRh13%	Pt	orange / weiß	0 +1600
B	PtRh30%	PtRh6%	grau / weiß	+600 +1700
C	WRe25%	WRe5%	rot / weiß	0 +2200

Es haben sich verschiedene Kombinationen von Metallen/ Legierungen als vorteilhaft erwiesen, da sie einen fast linearen Spannungsverlauf zur Temperatur aufweisen.

Wichtig ist zu wissen, dass die Thermospannung nicht in der Spitze entsteht. Die Spannung entsteht zwischen den beiden Drähten. Der größte Teil der Spannung entsteht im Bereich des höchsten Temperaturunterschiedes, zum Beispiel in dem Übergang von Ofenraum in die Isolation.

Thermospannung

Das Thermoelement besteht aus zwei Drähten, welche aus unterschiedlichen Legierungen bestehen. Jeder dieser Drähte entwickelt eine bestimmte Spannung sobald ein Ende wärmer ist als das andere. Verbindet man nun beide Drähte, so wird die Differenz der jeweiligen Spannung im Draht messbar. Diese Differenz wird als Thermospannung bezeichnet.

Wie ensteht die Thermospannung genau?

In jedem elektrischen Leiter befinden sich freien Elektronen. Sie können sich im Leiter bewegen und ermöglichen so zum Beispiel, dass ein elektrischer Strom fließen kann.

Physikalisch stark vereinfacht gesprochen beanspruchen diese freie Elektronen einen bestimmten Raum, der mit der Temperatur wächst.

In einem gleichmäßig erwärmten Kupferleiter ist dieser Raum in etwa gleich groß. Schematisch wird dies im Bild 1 gezeigt.

Nun erwärmt man ein Ende des Leiters.

Dadurch vergrößert sich der Bewegungsraum der freien Elektronen in diesem Bereich. Auf Grund des Effektes, dass sich gleiche Ladungen abstoßen „drängen“ die stärker erhitzten Elektronen die restlichen zum kalten Ende.

In Folge entsteht ein Mangel an Elektronen an dem erwärmten Ende und ein Überschuss am kalten. Es entsteht so eine Spannung.

Wichtig zu wissen: Die Höhe der Spannung wird hauptsächlich die chemischen Zusammensetzung des Drahtes und des Temperaturunterschiedes beeinflußt!

Doch mit der einzelnen Spannung des Draht kann kein Signal erzeugt werden. Folglich benötigt man einen zweiten Draht. Beide Drähte sollten an der Stelle mit der höchsten Temperatur verbunden sein.

Der Spannungsunterschied zwischen den beiden Drähten dient als Signal und wird als Thermospannung definiert.

Bild 1 : Beispiel eines gleichmäßig warmen Kupferleiters bei Raumtemperatur.

Bild 2: Beispiel des obigen Kupferleiters, dessen Ende nun erhitzt wird.

Thermospannung entsteht zwischen zwei unterschiedlichen, vebundenen Metallen

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