Thermoelement: Ein einfacher und vielseitiger Temperatursensor
Was ist ein Thermoelement?
Ein Thermoelement ist ein Gerät, das Temperaturunterschiede in eine elektrische Spannung umwandelt, basierend auf dem Prinzip des thermoelektrischen Effekts. Es ist ein Sensor, der die Temperatur an einem bestimmten Punkt oder Ort messen kann. Thermoelemente werden in verschiedenen Bereichen wie Industrie, Haushalt, Handel und wissenschaftliche Anwendungen weit verbreitet eingesetzt, aufgrund ihrer Einfachheit, Haltbarkeit, geringen Kosten und breiten Temperaturbereichs.
Was ist der thermoelektrische Effekt?
Der thermoelektrische Effekt ist das Phänomen, dass durch einen Temperaturunterschied zwischen zwei unterschiedlichen Metallen oder Metalllegierungen eine elektrische Spannung erzeugt wird. Dieser Effekt wurde 1821 vom deutschen Physiker Thomas Seebeck entdeckt, der beobachtete, dass sich ein magnetisches Feld um einen geschlossenen Kreis aus zwei unterschiedlichen Metallen bildet, wenn eine Verbindung erhitzt und die andere abgekühlt wird.
Der thermoelektrische Effekt kann durch die Bewegung freier Elektronen in den Metallen erklärt werden. Wenn eine Verbindung erhitzt wird, gewinnen die Elektronen kinetische Energie und bewegen sich schneller zur kälteren Verbindung. Dies führt zu einem Potentialunterschied zwischen den beiden Verbindungen, der mit einem Voltmeter oder einem Amperemeter gemessen werden kann. Die Größe der Spannung hängt von den verwendeten Metallen und dem Temperaturunterschied zwischen den Verbindungen ab.
Wie funktioniert ein Thermoelement?
Ein Thermoelement besteht aus zwei Drähten aus unterschiedlichen Metallen oder Metalllegierungen, die an beiden Enden miteinander verbunden sind, um zwei Verbindungen zu bilden. Eine Verbindung, die heiße oder Messverbindung genannt wird, wird an der Stelle platziert, wo die Temperatur gemessen werden soll. Die andere Verbindung, die kalte oder Referenzverbindung, wird bei einer konstanten und bekannten Temperatur gehalten, normalerweise bei Raumtemperatur oder in einem Eisbad.
Wenn es einen Temperaturunterschied zwischen den beiden Verbindungen gibt, wird durch den thermoelektrischen Effekt eine elektrische Spannung im Thermoelementkreis erzeugt. Diese Spannung kann mit einem Voltmeter oder einem Amperemeter, das an den Kreis angeschlossen ist, gemessen werden. Durch die Verwendung eines Kalibrierungstables oder einer Formel, die die Spannung mit der Temperatur für ein bestimmtes Thermoelementtyp verknüpft, kann die Temperatur der heißen Verbindung berechnet werden.
Das folgende Diagramm zeigt das grundlegende Funktionsprinzip eines Thermoelements:
Das folgende Video erklärt, wie ein Thermoelement funktioniert:
Welche Arten von Thermoelementen gibt es?
Es gibt viele verschiedene Arten von Thermoelementen, jede mit unterschiedlichen Eigenschaften und Anwendungen. Der Typ des Thermoelements wird durch die Kombination der Metalle oder Metalllegierungen bestimmt, die für die Drähte verwendet werden. Die gängigsten Arten von Thermoelementen werden durch Buchstaben (wie K, J, T, E usw.) nach internationalen Standards bezeichnet.
Die folgende Tabelle fasst einige der wichtigsten Arten von Thermoelementen und ihre Eigenschaften zusammen:
| Typ | Positiver Draht | Negativer Draht | Farbkodierung | Temperaturbereich | Empfindlichkeit | Genauigkeit | Anwendungen |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| K | Nickel-Chrom (90% Ni, 10% Cr) | Nickel-Aluminium (95% Ni, 2% Al, 2% Mn, 1% Si) | Gelb (+), Rot (-), Gelb (gesamt) | -200°C bis +1260°C (-328°F bis +2300°F) | 41 µV/°C | ±2,2°C (0,75%) | Allgemeine Zwecke, breiter Bereich, günstig |
| J | Eisen (99,5% Fe) | Constantan (55% Cu, 45% Ni) | Weiß (+), Rot (-), Schwarz (gesamt) | -210°C bis +750°C (-346°F bis +1400°F) | 50 µV/°C | ±2,2°C (0,75%) | Oxidierende Atmosphären, begrenzter Bereich |
| T | Kupfer (99,9% Cu) | Constantan (55% Cu, 45% Ni) | Blau (+), Rot (-), Braun (gesamt) | -200°C bis +350°C (-328°F bis +662°F) | 43 µV/°C | ±1°C (0,75%) | Niedrige Temperaturen, oxidierende Atmosphären |
| E | Nickel-Chrom (90% Ni, 10% Cr) | Constantan (55% Cu, 45% Ni) | Lila (+), Rot (-), Lila |
| E | Nickel-Chrom (90% Ni, 10% Cr) | Constantan (55% Cu, 45% Ni) | Lila (+), Rot (-), Lila (gesamt) | -200°C bis +870°C (-328°F bis +1598°F) | 68 µV/°C | ±1,7°C (0,5%) | Hohe Genauigkeit, mittlerer Bereich, günstig | | N | Nicrosil (84,1% Ni, 14,4% Cr, 1,4% Si, 0,1% Mg) | Nisil (95,5% Ni, 4,4% Si, 0,1% Mg) | Orange (+), Rot (-), Orange (gesamt) | -200°C bis +1300°C (-328°F bis +2372°F) | 39 µV/°C | ±2,2°C (0,75%) | Allgemeine Zwecke, breiter Bereich, stabil | | S | Platin-Rhodium (90% Pt, 10% Rh) | Platin (100% Pt) | Schwarz (+), Rot (-), Grün (gesamt) | 0°C bis +1600°C (+32°F bis +2912°F) | 10 µV/°C | ±1,5°C (0,25%) | Hohe Temperaturen, hohe Genauigkeit, teuer | | R | Platin-Rhodium (87% Pt, 13% Rh) | Platin (100% Pt) | Schwarz (+), Rot (-), Grün (gesamt) | 0°C bis +1600°C (+32°F bis +2912°F) | 10 µV/°C | ±1,5°C (0,25%) | Hohe Temperaturen, hohe Genauigkeit, teuer | | B | Platin-Rhodium (70% Pt, 30% Rh) | Platin-Rhodium (94% Pt, 6% Rh) | Grau (+), Rot (-), Grau (gesamt) | +600°C bis +1700°C (+1112°F bis +3092°F) | 9 µV/°C | ±0,5% des Messwertes oberhalb von +600°C (+1112°F) | Sehr hohe Temperaturen, geringe Empfindlichkeit |
Was sind die Vor- und Nachteile von Thermoelementen?
Thermoelemente haben viele Vor- und Nachteile im Vergleich zu anderen Temperatursensoren, wie RTDs (Widerstandstemperaturen-Detektoren), Thermistoren oder Infrarotsensoren.
Einige der Vorteile von Thermoelementen sind:
Sie können einen weiten Temperaturbere
