Thermoelemente

Allgemeines

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

Übersicht Thermopaare

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

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 freien 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. Aufgrund 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 durch die chemische Zusammensetzung des Drahtes und des Temperaturunterschiedes beeinflusst!

Doch mit der einzelnen Spannung des Drahts 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.