Thermoelement

Temperaturmessung mit Thermoelement

Thermoelemente messen Temperaturen im Bereich -200°C bis 1600°C. Sie basieren auf der Thermospannung, wenn die Verbindungsstelle zweier verschiedener Metalle auf einer höheren oder tieferen Temperatur als die Umgebungstemperatur liegt. Es findet eine Ladungstrennung nach dem Seebeck-Effekt statt. Es entsteht eine Gleichspannungsquelle. Die Spannung nennt man Thermospannung.

Die Besonderheit des Seebeck-Effektes ist die Umkehrbarkeit dieses Efektes: Peltier-Effekt. Wird ein Strom durch das Thermoelement geschickt, so kühlt es sich ab: Peltierelement. In diesem Fall findet eine Temperaturtrennung statt.

Stellung einiger Elemente in der thermoelektrischen Spannungsreihe bei der Temperatur 0°C.  Pb ist das willkürlich gewählte Bezugselement und daher gleich 0 V gesetzt.
Sb	Fe	Zn	Cu	Ag	Pb	Al	Pt	Ni	Bi
+35	+16	+3	+2,8	+2,7	0	-0,5	-3,1	-1,9	-70	10¯6 V/K

Beispiele für industriell genutzte Thermoelemente. Der erstgenannte ist der Plus-Schenkel:

       

         
       

           

             

               
Thermopaar
             
             
kurz
               
Bezeichnung
             
             
Typ
             
Temperatur bereich °C
             
Spannung in mV bei
           
           

            
500 °C
             
T max
 
           
           

             
Nickel/Chrom - Nickel/Al
             
NiCr-Ni/Al
             
K
             
0 ..+1100
             
20,644
             
45,119
           
           

             
Kupfer - Konstantan
             
Cu-CuNi
             
T
             
-185 ...+300
             

             
14,862
           
           

             
Eisen - Konstantan 
             
Fe-CuNi
             
J
             
+20 ...+700
             
27,393
             
39,132
           
           

             
Nickel/Chrom - Konstantan
             
NiCr-CuNi
             
E
             
0 ... +800
             
37,005
             
61,017
           
           

             
Platin/10%Rhodium - Platin
             
Pt10Rh - Pt
             
S
             
0 ... +1550
             
4,233
             
16,182
           
           

             
Platin/13%Rhodium - Platin
             
Pt13Rh - Pt
             
R
             
0 ... +1600
             
4,471
             
18,849
           
       
       
         

Messsignaltransport und -aufbereitung

Vom Thermoelement mit Ausgleichsleitern zur Vergleichsstelle An den Übergangsstellen zum Kupferleiter entstehen ebenfalls neue Thermospannungen. Es kann daher immer nur die Spannungsdifferenz (Temperaturdifferenz) zwischen Messstelle und der Übergangsstelle = Vergleichsstelle gemessen werden. Es muss dann folgende Korrektur berücksichtigt werden:

       

         

           

             
Korrektur der Grundwerte, wenn die
             Vergleichsstellentemperatur von 0 °C abweicht
         
         

           
 
           

             
Verminderung in mV bei
         
         

           
Thermopaar
           

             
20 °C
           

             
50 °C
         
         

           
Cu-Konstantan
           
0,80
           
2,05
         
         

           
Fe-Konstantan
           
1,05
           
2,65
         
         

           
NiCr-Ni
           
0,80
           
2,02
         
         

           
PtRh-Pt
           
0,113
           
0,29
         
       
  

Für eine genaue Messung muss die Vergleichsstellentemperatur bekannt sein. Selten wird jedoch die Vergleichsstelle direkt am Messort montiert. Die Messthermospannung wird, um keine neuen Thermospannungen zu erzeugen, mit dem selben Materialien wie der jeweilige Thermoschenkel weitergeleitet oder, wenn das Material sehr teuer ist, mit einem Leiter aus einer preiswerteren Legierung = Ausgleichsleiter. Dieser hat bei geringen Umgebungstemperaturen < 50°C die selben thermoelektrischen Eigenschaften und erzeugt daher beim Übergang auf "gleiches" Metall keine neue Thermospannung, auf Kupfer jedoch die gleiche wie die original Thermoschenkel.

Vergleichsstelle

Die Bedingung für eine exakte Temperaturmessung mit Thermoelementen ist, dass die Vergleichsstellentemperatur bekannt ist. Es bieten sich 2 Prinzipien an:

         Konstante Vergleichsstellentemperatur
         Messung der Vergleichsstellentemperatur

1. Vergleichsstelle mit konstanter Vergleichsstellentemperatur

1.1 Die Schwankung der Vergleichstellentemperatur ist nur geringfügig oder sie ist verhältnismäßig klein zur Messtemperatur. Keine besondere technische Einrichtung notwendig.

1.2 Die Vergleichsstelle wird mit einer Kühlung, z.B. Eis-Wasser-Bad auf 0°C gebracht oder Kühlschrank. Nachteil: großer Aufwand.

1.3 Die Vergleichsstelle wird auf 50 °C erwärmt und mit einem Bi-MetallThermometer konstant gehalten. Vorteil: einfach, alter industrieller Standard.

2. Vergleichsstelle mit Messung der Vergleichsstellentemperatur

2.1 Kompensationsmessdose

In der Kompensationsdose befindet sich eine Brückenschaltung, welche von einer netzbetriebenen Spannungsquelle versorgt wird.  Zu der Messspannung und der Thermospannung, welche an der Vergleichstelle entsteht, wird eine entgegengesetzten Spannung mit der Brückenschaltung addiert, welche so groß ist, dass die Thermospannung der Vergleichsstelle kompensiert wird. Um Fehler durch Temperaturschwankungen der Vergleichsstelle zu vermeiden, wird mit einem NTC-Widerstand in der Brückenschaltung  genau eine entgegengesetzte Spannung zur Thermospannungsschwankung hinzu addiert.

Eine Kompensationsmessdose kann daher immer nur für ein bestimmtes Thermopaar ausgelegt sein. Alter industrieller Standard.

2.2 Aktueller industrieller Standard mit IC

Die kleine Thermospannung wird nicht mehr in ihrer Originalgröße analog übertragen, sondern in ein analoges Einheitssignal gewandelt oder nach der Wandlung digital über einen Bus übertragen. Das Wandlungssystem übernimmt die Aufgabe der Vergleichsstelle. Auch hier entsteht der obig erwähnte Fehler durch den Übergang von dem Thermomaterial auf Kupferleiter/-klemmen. Die ICs, welche die Thermospannung aufbereiten, messen die Temperatur vor Ort, welche auch der Kontakttemperatur entspricht, sodass die dort entstehende Thermospannung für ein bestimmtes Thermopaar wieder korregiert werden kann. z.B. AD594 http://www.analog.com/UploadedFiles/Data_Sheets/421725987AD594_5_c.pdf

Drahtbruchsicherung

In industriellen Prozessen ist es notwendig, den Ausfall von Sensoren zu erkennen. Ein Drahtbruch kann durch mechanische Beschädigung oder thermische Ermüdung erfolgen.

Polynome zur Berechnung der Grundwertreihe = Thermospannung für Typ K

Die Thermospannung Uth der Grundwertreihe wird nach DIN EN 60584 Teil1 bzw. IEC 584 Teil 1, mit einer Gleichung mit mehreren Polynomen errechnet. Für Temperaturen > 0 °C gilt das Polynom:

Uth = b0 + Summe( bi* t hochi) + c0 * exp(c1 * (t - 126,9686)hoch2) in 10-6 V.

Für Temperaturen < 0 °C gilt das Polynom: Uth = Summe(ai * t hoch i) in 10-6 V

Faktor	0 °C bis 1372 °C	i
a1	3,9450128500E+01	1
a2	2,3622373598E-02	2
a3	-3,2858906784E-04	3
a4	-4,9904828777E-06	4
a5	-6,7509059173E-08	5
a6	-5,7410327428E-10	6
a7	-3,1088872894E-12	7
a8	-1,0451609365E-14	8
a9	-1,9889266878E-17	9
a10	-1,6322697486E-20	10
	0 °C bis 1372 °C
b0	-1,7600413686E+01
b1	+3,8921204975E+01	1
b2	+1,8558770032E-02	2
b3	-9,9457592874E-05	3
b4	+3,1840945719E-07	4
b5	-5,6072844889E-10	5
b6	5,6075059059E-13	6
b7	-3,2020720003E-16	7
b8	9,7151147152E-20	8
b9	-1,2104721275E-23	9
c0	1,1859760000E+02
c1	1,1834320000E-04

Die Anwendung ergibt z.B. für -100 °C eine Thermspannung von -3553,63*10-6 V und für +100 °C die Spannung +4096,23*10-6 V.