Spis treści:
- 1 Was ist ein Thermoelement?
- 2 Wie funktioniert ein Thermoelement?
- 3 Elektrische Messungen von Thermoelementen
- 4 Thermische Schutzhülsen
- 5 Typen von Thermoelementen nach Steckertyp
- 6 Thermoelement-Topologien
- 7 Verlängerungsleitungen für Thermoelemente
- 8 Thermische Isolierung des Thermoelementes
- 9 Konstruktionen von Thermoelementen in Bezug auf die verwendete Erdung und Ummantelung
- 10 Grundlegende Eigenschaften von Thermoelementen für praktische Anwendungen
- 11 Thermoelemente aus Edelmetall
- 12 Thermoelemente - Anwendungen in der Praxis
Eine der wichtigsten nicht-elektrischen physikalischen Größen, die mit elektrischen Methoden gemessen werden können, ist die Temperatur. Um die Temperatur elektrisch zu messen, muss ein Thermoelement verwendet werden.
Was ist ein Thermoelement?
Ein Thermoelement ist ein spezieller Messwandler, in dem thermische Energie von einer externen Quelle in elektrische Energie thermische Energie wird. Der Aufbau eines Thermoelementes basiert auf der Verbindung zweier Leitungen aus unterschiedlichen Metallen zu einer Verbindungsstelle. An der Verbindungsstelle dieser Anschlüsse wird unter dem Einfluss von Temperaturänderungen eine Spannung, die so genannte thermoelektrische Kraft erzeugt.
Das Konzept des Thermoelementes beruht auf dem Seebeck-Effekt: Werden verschiedene Metalle punktförmig miteinander verbunden, so entsteht an ihrer Verbindungsstelle aufgrund der Temperaturänderung eine kleine messbare Spannung. Der Wert dieser Spannung hängt von der Größe der Temperaturänderung und den Eigenschaften der Metalle ab.
Das Thermoelement besteht aus zwei isolierten Leitungen, die mit einem Messgerät verbunden sind. Thermoelemente werden als Sicherheitsmessgerät und Sensor zur Messung der Temperatur in verschiedenen Prozessen und Anlagen eingesetzt. Sie sind resistent gegen raue Umweltbedingungen. Die Wahl des Thermoelements hängt vom Temperaturbereich, der Umgebungsatmosphäre und der Art des Mediums ab, in dem die Messungen vorgenommen werden. Die spezifische Größe und Form des Thermoelements richtet sich nach der Anwendung und der erforderlichen Genauigkeit und Reaktionsgeschwindigkeit.
Wie funktioniert ein Thermoelement?
Wenn die beiden Leitungen des Thermoelements zu einem Stecker verbunden werden, wird eine der Leitungen mit dem Thermoelementkörper verbunden und misst die Temperatur. Man spricht hier von einer Heiß– oder Messverbindung. Der zweite Anschluss wird bei einer bekannten Temperatur am Körper angebracht und ist der Referenzanschluss oder kalte Anschluss.
Ein Thermoelement misst eine unbekannte Temperatur und vergleicht sie mit einer bekannten Referenztemperatur. Die Idee des Thermoelementes beruht auf drei Funktionsprinzipien, die von Seebeck, Peltier und Thomson entdeckt wurden. Der Seebeck-Effekt tritt auf, wenn zwei verschiedene Metalle an zwei Verbindungsstellen miteinander verbunden werden und eine thermoelektrische Kraft an den beiden Verbindungsstellen erzeugt wird. Beim Peltier-Effekt hingegen wird eine thermoelektrische Kraft in einem Stromkreis erzeugt, wenn zwei verschiedene Metalle aufgrund unterschiedlicher Temperaturen miteinander verbunden werden und zwei Übergänge bilden. Beim Thomson-Effekt hingegen wird die Wärme entlang eines Stabes absorbiert, dessen Enden unterschiedliche Temperaturen aufweisen.
Die gemessene Temperatur steht im Zusammenhang mit dem Stromfluss. Der Nebeneffekt ist die Erzeugung von Temperaturschwankungen über die gesamte Länge des Stabes.
Elektrische Messungen von Thermoelementen
Ein typischer Thermoelement-Schaltkreis verwendet zwei verschiedene Leitungen, die zu einem Stecker verbunden sind. Die beiden Übergänge haben unterschiedliche Temperaturen, um die thermoelektrische Kraft zu erzeugen. Der Elektronenfluss in einem Thermoelementkreis überträgt thermische und elektrische Energie. Wenn ein Stück Kupferdraht an einem Ende erhitzt wird, werden Elektronen entlang des Drahtes zum kühleren Ende transportiert und erzeugen ein Temperaturgefälle entlang ihres Flussweges. Dadurch wird die Wärme in Strom umgewandelt.
Das von Alessandro Volta und Thomas Seebeck entdeckte Prinzip gilt auch für das Thermoelement. Wenn die Steckverbinder unterschiedliche Temperaturen aufweisen, wird ein elektrisches Signal auf Millivolt-Ebene erzeugt, das für das Leitermaterialpaar einzigartig ist und in den Normen der Internationalen Elektrotechnischen Kommission IEC 1977 festgelegt ist. Nach diesen Normen hergestellte Thermoelemente sind unabhängig von ihrem Hersteller oder Herkunftsland austauschbar.
Damit ein Thermoelement seine Funktion korrekt erfüllen kann, muss es über eine Kaltstellenkompensation verfügen, damit die richtige Referenztemperatur eingestellt werden kann. Die beiden Enden des Thermoelements werden auf der gleichen Temperatur gehalten, während die Temperatur der Heißstelle mit der Kaltstelle verglichen wird.
Je dicker der Thermodraht ist, desto höhere Temperaturen kann er messen, dieser hat aber eine längere Ansprechzeit. Wenn die Temperatur der Thermoelementanschlüsse gleich ist, wird an den Anschlüssen eine gleiche und entgegengesetzte elektromotorische Kraft erzeugt, so dass kein elektrischer Strom fließen kann. Wenn die Steckverbinder unterschiedliche Temperaturen haben, ist das elektromagnetische Feld ungleich Null und es fließt Strom durch den Stromkreis, ebenso wie Wärme durch den Kupferdraht fließt.
Der Fluss des elektromagnetischen Feldes durch den Stromkreis hängt von den physikalischen Eigenschaften der Metalle und der Temperatur der beiden Verbindungsstellen ab, die mit einem Temperaturmessgerät gemessen wird. Das elektromagnetische Feld in einem Thermoelementkreislauf ist sehr schwach im Vergleich zu dem elektromagnetischen Feld, das selbst von kleinen elektrischen Haushaltsgeräten erzeugt wird, und erfordert ein empfindliches Instrument zur Bestimmung des erzeugten elektromagnetischen Feldes. Ein Mess- oder Ablesegerät wird benötigt, um das Signal auf Millivoltniveau zu verstärken, die Spannung als Temperaturwert zu interpretieren und den Wert anzuzeigen.
In der Regel werden Galvanometer und spannungsausgleichende Potentiometer verwendet. Am häufigsten werden zu diesem Zweck Kalibrierungspotentiometer verwendet. Mit Hilfe von Potentiometern, also einem einstellbaren Spannungsteiler, kann die Potenzialdifferenz indirekt gemessen werden, indem die unbekannte Spannung mit einer Referenzspannung verglichen wird. Sie können auch ein Galvanometer verwenden, das sehr kleine Werte des elektrischen Stroms misst.
Damit ein Thermoelement eine absolute Messung vornehmen kann, muss es auf einen bekannten Temperaturwert, z. B. den Gefrierpunkt, am anderen Ende des Sensorkabels bezogen werden. Die Wärmeschweißnaht ist die Messeinheit, während die Kaltschweißnaht der Bezugspunkt ist, an dem sich das Kaltschweißkompensationssystem befindet. Die Temperatur der kalten Verbindung kann variieren, ist aber ein Richtwert. Eine kalte Verbindung kann durch Eintauchen in Wasser oder Eis repariert werden, um eine konstante Temperatur zu erhalten. Das Messmedium, z. B. die Umgebungsluft, kann die Referenztemperatur beeinflussen.
Thermische Schutzhülsen
Die Thermische Schutzhülse dient dem Schutz des Thermoelements vor dem Messmedium durch ein geschlossenes Rohr oder einen massiven Stab, der in das Messmedium eingebracht wird. Thermische Schutzhülsen werden für Flüssigkeits- und Druckleitungen in Raffinerien oder chemischen Anlagen verwendet, um die Lebensdauer von Thermoelementen zu verlängern.
Durch die Verwendung von Thermischen Schutzhülsen kann das Thermoelement ohne Unterbrechung des Messvorgangs ausgetauscht werden. Je nach Zielanwendung werden verschiedene Arten von Thermischen Schutzhülsen verwendet – dazu gehören gerade Thermische Schutzhülsen, gestufte Schutzhülsen und auch konische Thermische Schutzhülsen. Thermische Schutzhülsen werden auch danach eingeteilt, wie sie mit dem Thermoelement oder Thermistor verbunden sind. Zu diesen Verbindungsarten gehören Schweißmuffen-, Flansch- und Gewindeverbindungen.
Typen von Thermoelementen nach Steckertyp
Der Unterschied zwischen den Thermoelementen hängt von der Art der Legierung ab, die zur Herstellung der Leitungen verwendet wird. Die Wahl des Metalldrahtes hängt von dem zu messenden Temperaturbereich, der Arbeitsumgebung und der mechanischen Festigkeit ab.
Es gibt drei Arten von Anschlusspunkten für Thermoelemente – freiliegende, nicht geerdete oder isolierte und geerdete.
Bei dem freiliegenden Stecker liegen die Leitungen außerhalb der Thermoelementhülse. Sie reagieren sehr schnell auf Temperaturänderungen, sind aber leicht zu beschädigen. Die beste Anwendung für Thermoelemente mit freiliegender Anschlussstelle ist dort, wo eine schnelle Reaktion erforderlich ist und ein geringes Risiko der Beschädigung des Messfühlers besteht.
Im Gegensatz dazu sind bei einem geerdeten Steckverbinder die Leitungen verbunden und mit einem Außenmantel verschweißt, der eine dichte Verbindung bildet. Da die Leitungen mit der Abschirmung verbunden sind, sind sie nicht isoliert und können für elektromagnetische Felder empfindlich sein. Sie werden zur Messung von Temperaturen in korrosiven Umgebungen verwendet und sind die am häufigsten verwendete Anschlussart.
Die isolierte Verbindung verwendet Magnesiumoxid-Isoliermaterial, um den Sensor vor elektromagnetischen Feldern zu schützen. Die Reaktionszeit eines ungeerdeten Thermoelements ist langsamer als die einer geerdeten oder freiliegenden Verbindungsstelle.
Thermoelement-Topologien
Die vier gebräuchlichsten Arten von Thermoelementen sind Standard-, Mittel-, thermoelektrische und dreieckige Schaltungen.
In der Standardausführung hat das durchschnittliche Thermoelement mindestens zwei Thermoelemente, die parallel zur Kaltstelle angeschlossen sind. Wenn alle Widerstände gleich sind, ist das elektromagnetische Feld gleich der durchschnittlichen Temperatur der einzelnen Verbindungsstellen.
Ein Thermoelement in Dreiecksanordnung ist ein sogenanntes Differenzthermoelement, bei dem zwei ähnliche Leitungen mit einer anderen Leitung mit Messanschlüssen bei unterschiedlichen Temperaturen verbunden sind. Die thermoelektrische Kraft ist die Spannungsdifferenz zwischen zwei Knotenpunkten, die als Temperaturdifferenz bezeichnet wird. Bei dieser Konfiguration muss einer der Thermoelementanschlüsse ungeerdet sein und über eine Differenzmesseinrichtung verfügen. Bei der Standardmethode hat ein einzelnes Thermoelement verschiedene Leitungen und einen Messanschluss.
Eine weitere Topologie ist der thermoelektrische Stapel, der aus einer Reihe verbundener Thermoelemente besteht, wobei die thermoelektrische Kraft die Summe der einzelnen Verbindungsstellen der einzelnen Thermoelemente ist.
Verlängerungsleitungen für Thermoelemente
Die Verlängerungsleitungen verbinden die Sensorleitung mit dem Messgerät und bestehen aus denselben Metallen wie die Thermoelementleitungen. Sie bestehen in der Regel aus Kupferlegierungen und haben einen ähnlichen thermischen Koeffizienten der thermoelektrischen Kraft wie das Thermoelement.
Thermische Isolierung des Thermoelementes
Es werden verschiedene Möglichkeiten der Wärmeisolierung für Thermoelement-Sensoren verwendet. Eine davon ist die Isolierung aus Keramik, die in gewerblichen Öfen verwendet wird und die Umgebungstemperatur von Feuerstellen, Öfen und Grills überwacht.
Ihr Temperaturbereich reicht von -50°C bis 1200°C. Es werden auch Leiterumhüllungen verwendet, die über der Primärisolierung angebracht werden können und notwendig sind, wenn ein zusätzlicher mechanischer Schutz erforderlich ist.
Die Isolierhülle aus Vinyl oder Nylon besteht aus einer Mischung aus Nylon und Polyethylen. Der Leitermantel wirkt als mechanische Barriere und verhindert Kurzschlüsse.
Glasfaser eignet sich auch gut für Hochtemperaturanwendungen und ist für den Einsatz bei Umgebungstemperaturen geeignet, bei denen das Potenzial für so genannte Hotspots besteht – Punkte mit örtlich deutlich erhöhter Temperatur. Kapton hingegen hat hervorragende physikalische, elektrische und mechanische Eigenschaften über einen weiten Temperaturbereich und wird in Anwendungen eingesetzt, bei denen extreme Temperaturen und Vibrationen auftreten. Es behält seine mechanischen Eigenschaften auch unter härtesten Bedingungen bei.
Polyethylen wird ebenfalls verwendet, da es kostengünstig ist und hervorragende elektrische Eigenschaften besitzt. Außerdem hat es einen hohen Flammpunkt und ist steifer als Vinyl – ein Material mit guter Flexibilität und universellen elektrischen Isoliereigenschaften.
Teflon ist auch ein ausgezeichnetes Abschirmungsmaterial, das eine hohe Beständigkeit gegenüber aggressiven Chemikalien aufweist und eine sehr gute elektrische Isolierung bietet, aber teuer ist und eine geringe Beständigkeit gegenüber mechanischen Einwirkungen aufweist.
Konstruktionen von Thermoelementen in Bezug auf die verwendete Erdung und Ummantelung
Es gibt verschiedene Typen von Thermoelementen für unterschiedliche Anwendungen, die mit einem Buchstabensystem gekennzeichnet sind. Es gibt eine breite Palette von Thermoelementtypen mit eigenen Eigenschaften und Temperaturbereichen. Der Unterschied zwischen den verschiedenen Typen hängt von ihrer Haltbarkeit, ihrem Temperaturbereich, ihrer Widerstandsfähigkeit und ihren Anwendungen ab.
Das am häufigsten verwendete Thermoelement ist ein geerdetes Element, das vor allem wegen seiner schnellen Ansprechzeit gewählt wurde, die bis zur Hälfte der Zeit eines ungeerdeten Thermoelementes beträgt. Zwei Leitungen sind an der Seite der Metallabdeckung der Sonde angeschweißt, und die Sondenspitze schließt den Stromkreis.
Nicht geerdete Thermoelemente sind in der Regel die zweitbeste Wahl und haben einen nicht geerdeten, vom Mantelmaterial isolierten Anschluss. Aufgrund ihrer Isolierungsmethode sind ungeerdete Thermoelemente langsamer, aber haltbarer und bieten eine größere Sicherheit bei der Übertragung des Messsignals an das Messgerät, und aufgrund ihres Aufbaus gibt es keine Erdungsschleifenprobleme.
Die am wenigsten verbreitete Art von Thermoelementen ist dagegen das freiliegende Thermoelement, das aus dem Mantel herausragt und der Umgebung ausgesetzt ist. Es hat die längste Ansprechzeit und sein Einsatzbereich ist auf trockene Umgebungen mit geringer Korrosionsanfälligkeit und atmosphärischem Druck beschränkt, da das Risiko von Schäden durch diese und ähnliche Faktoren erhöht ist.
Grundlegende Eigenschaften von Thermoelementen für praktische Anwendungen
Thermoelemente werden durch einzelne Buchstabensymbole gekennzeichnet, mit denen die Spannungseigenschaften des Thermoelements in Abhängigkeit von der Temperatur abgelesen werden können. Die am häufigsten verwendeten Thermoelemente sind die mit den Kennzeichnungen C, E, T, N, J und K. Sie enthalten unedle Metalle wie Eisen, Kupfer, Nickel, Platin, Rhodium und Chrom. Für die Bildung eines Thermoelements müssen zwei Metalle miteinander verbunden werden, um eine elektrothermische Verbindung bei unterschiedlichen Temperaturen zu bilden.
Thermoelement Typ C
Thermoelemente vom Typ C bestehen aus Wolfram als positivem Schenkel und Rhenium als negativem Schenkel. Sie werden in Anwendungen eingesetzt, in denen Temperaturen bis zu 2315°C erreicht werden. Thermoelemente vom Typ C werden in chemisch neutralen Umgebungen oder im Vakuum eingesetzt, um oxidationsbedingte Ausfälle zu vermeiden. Sie haben Schutzmäntel aus Molybdän, Tantal und Inconel mit Isolatoren aus Aluminium und Magnesiumoxid.
Thermoelement Typ E
Thermoelemente vom Typ E bestehen aus einer Nickel-Chrom-Legierung als positiven Schenkel und Konstantan als negativen Schenkel. Sie haben einen Temperaturbereich von -201°C bis 900°C und können bei extremen Minusgraden eingesetzt werden und sind rot oder violett gefärbt.
Thermoelement Typ J
Thermoelemente vom Typ J verwenden Eisen für den positiven Schenkel und Konstantan für den negativen Schenkel. Sie werden in Umgebungen mit hoher Oxidationsbelastung, im Vakuum sowie in neutralen und chemisch reduzierenden Umgebungen eingesetzt. Thermoelemente vom Typ J müssen genau überwacht werden, da ihr Eisenschenkel rosten kann. Der Betriebstemperaturbereich für das Thermoelement Typ J liegt zwischen 0°C und 37°C und seine Farbe ist rot oder weiß.
Thermoelement Typ K
Thermoelemente vom Typ K werden aus einer Chromel–Legierung für den positiven Schenkel und einer Alumel-Legierung für den negativen Schenkel hergestellt. Alumel ist eine Legierung, die hauptsächlich aus Nickel mit geringen Anteilen von Aluminium, Silizium und Mangan besteht. Thermoelemente vom Typ K werden in neutralen oder oxidierenden Umgebungen im Temperaturbereich von -184°C bis 1260°C eingesetzt. Die Farbcodierung für das Thermoelement vom Typ K ist rot oder gelb. Diese Art von Thermoelement ist häufig in Lötkolben und Lötstationen für die Elektronikmontage und -reparatur zu finden.
Thermoelement Typ N
Das N-Typ-Thermoelement verwendet Nicrosil, eine Nickel-Chrom-Legierung, als positiven Schenkel und Nisil , eine Legierung aus Nickel, Silizium und Magnesium, als negativen Schenkel. Diese Typen von Thermoelementen haben einen Temperaturbereich von 0°C bis 1260°C und sind rot oder orange gefärbt.
Thermoelement Typ T
Thermoelemente vom Typ T verwenden Kupfer als positiven Schenkel und Konstantan als negativen Schenkel. Der Temperaturbereich für das T-Typ-Thermoelement ist -201°C bis 371°C und die Kodierung ist rot oder blau.
Thermoelemente aus Edelmetall
Edelmetall-Thermoelemente oder Platin-Thermoelemente sind die Typen B, R, S und P. Sie zeichnen sich durch ihre Genauigkeit auch bei sehr hohen Temperaturen und eine lange Lebensdauer aus.
Das Thermoelement vom Typ B wird in Hochtemperaturanwendungen eingesetzt und hat die höchste Temperaturgrenze aller Thermoelemente mit der höchsten Genauigkeit und thermischen Stabilität. Sein Temperaturbereich liegt zwischen 1371°C und 1704°C.
Das Thermoelement vom Typ R wird für Hochtemperaturanwendungen verwendet und enthält einen höheren Anteil an Rhodium als das Thermoelement vom Typ S, was es teurer macht. Das Thermoelement vom Typ R hat die gleiche Leistung wie das Thermoelement vom Typ S und kann aufgrund seiner Stabilität und hohen Genauigkeit für Niedrigtemperaturanwendungen verwendet werden. Es hat einen Temperaturbereich von -45°C bis 1371°C.
Das S-Typ-Thermoelement wird bei sehr hohen Temperaturen in der Biotechnologie und der pharmazeutischen Industrie eingesetzt. Aufgrund seiner Genauigkeit und Stabilität kann es auch für Tieftemperaturanwendungen eingesetzt werden. Sein Betriebstemperaturbereich reicht von -50°C bis 1482°C.
Das P-Typ-Thermoelement hingegen hat die gleiche Hochtemperaturkurve wie das K-Typ-Thermoelement und kann in oxidierenden Umgebungen in einem Temperaturbereich bis zu 1260°C eingesetzt werden.
Thermoelemente - Anwendungen in der Praxis
Thermoelemente werden aufgrund ihres großen Temperaturmessbereichs, ihrer langen Lebensdauer und ihrer niedrigen Herstellungs- und Anschaffungskosten häufig als Temperatursensoren eingesetzt. Man findet sie in Haushaltsgeräten, Industrieanlagen, in Kraftwerksanlagen zur Stromerzeugung, in Kontrollsystemen in Öfen, in der Lebensmittelindustrie bei der Verarbeitung von Lebensmitteln und Getränken, in Automobilsensoren, Flugzeugtriebwerken, Raketen und Raumfahrzeugen. Die geringe Größe der Thermoelemente, ihre kurze Ansprechzeit sowie ihre Schock- und Vibrationsfestigkeit machen sie ideal für die Temperaturkontrolle und -messung.
Thermoelemente in der Lebensmittelindustrie
Thermoelemente sind ideal für die Lebensmittelindustrie, da sie innerhalb von Sekunden genaue Messwerte liefern. Lebensmittel können in jeder Phase der Produktion kontrolliert werden. Bei diesen Thermoelementen handelt es sich um zweiteilige Geräte mit einer manuellen Ablesung und einer abnehmbaren Sonde. An der Spitze der Sonde befinden sich zwei miteinander verbundene Leitungen. Flachkopfsonden messen Oberflächentemperaturen, während Nadelsonden Innenmessungen vornehmen und die Temperatur der Luft in den Öfen messen.
Thermoelemente in 3D-Drucker-Extrudern und bei der Herstellung thermoplastischer Produkte
Extruder von 3D-Druckern und Spritzgussformen erfordern hohe Temperaturen und Drücke. Die Spitze des Sensors sollte unter hohem Druck in geschmolzenen Kunststoff getaucht werden.
Das Thermoelement misst die Temperatur und wird direkt im Prozess installiert. Diese Geräte zeichnen sich durch Genauigkeit und kurze Ansprechzeiten aus und können mit einer Thermoelement-Sonde vom Typ K ausgestattet werden.
Thermoelemente in Öfen
Die Kontrollleuchte ist für die Zündung des Ofenbrenners verantwortlich. Das Thermoelement unterbricht die Gaszufuhr, wenn es keine Flamme erkennt, und verhindert, dass Gas in den Herd gelangt, wenn die Zündflamme aus ist. Es reduziert die Gasbildung im Ofen und macht das System viel sicherer.
Das Thermoelement für geschmolzenes Metall kann in Umgebungen mit Nichteisenmetallen zur Messung von Temperaturen bis zu 1260°C verwendet werden. Mit Hilfe eines Thermoelementes kann die Temperatur von Flüssigmetallen während der Schmelzvorbereitung – Warmhalten, Entgasen und Gießen – überwacht und geregelt werden.
Das Thermoelement in Gasgeräten wie Herden und Brennern signalisiert dem Gasventil, dass die Flamme brennt, damit es offen bleibt. Das Thermoelement wird in der Mitte der Zündflamme angebracht. Indem er die Hitze der Flamme erfasst, erzeugt er eine Spannung, die das Gas in Bewegung hält. Wenn die Flamme erlischt, verschwindet die Thermospannung und schließt das Gasventil.
