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Thermoelemente

Thermoelemente lassen sich grundlegen durch Ihre Bauform und durch das verwendete Leitermaterial differenzieren.

2 Grundlagen

Wir arbeiten seit mehr als 25 Jahren mit allen möglichen Kombinationen und möchten Ihnen zum besseren Verständnis kurz das Funktionsprinzip erklären. Ein Thermoelement setzt sich aus zwei metallischen Leitern zusammen. Die Leiter bestehen aus unterschiedlichen Materialien, die an beiden Enden verbunden sind (Abbildung 1). An dem einen Ende befindet sich die Messstelle und am anderen Ende die Vergleichsstelle.

Bei einer Temperaturdifferenz von Messstelle zu Vergleichsstelle entsteht aufgrund der Materialpaarung eine temperaturabhängige Spannung zwischen Leiter A und B, welche als Thermospannung bezeichnet wird. Dieser thermoelektrische Effekt wurde 1821 von Thomas Johann Seebeck entdeckt und nach ihm benannt (Seebeck Effekt). Die Messstelle des Thermoelementes muss für eine Temperaturmessung die Temperatur des zu messenden Mediums annehmen. Ist dies der Fall, kann über die gemessene Spannung die Temperatur bestimmt werden. Für eine korrekte Messung muss die Temperatur der Vergleichsstelle konstant bleiben, um bei einer Temperaturänderung an der Messstelle eine veränderte Thermospannung zu messen. Um eine richtige Messung zu gewährleisten, nutzen heutige Messgeräte drei verschiedene Verfahren.

  • Das erste Verfahren arbeitet mit einem Vergleichsstellenthermostat, welches die Vergleichsstelle konstant auf einer Temperatur von zum Beispiel 50 °C hält. Als Vergleichsstelle ist hier ein zweites Thermoelement mit derselben Materialpaarung verbaut.
  • Das Kompensationsverfahren basiert auf einer temperaturabhängigen Brückenschaltung, die dauerhaft eine Vergleichsstellenspannung einstellt, welche dem eines Thermoelements bei 20 °C gleicht.
  • Zusätzlich gibt es noch die Möglichkeit der digitalen Korrektur. Hierbei wird die Temperatur der Vergleichsstelle mit einem temperaturabhängigen Widerstand gemessen und das Gerät korrigiert numerisch die am Thermoelement gemessene Temperatur.

Entscheidend für eine erfolgreiche und genaue Temperaturmessung ist die Auswahl des auf die Messbedingungen angepassten Thermoelements. Thermoelemente gibt es mit verschiedenen Materialpaarungen, zur Vereinfachung hat jede Materialpaarung einen Typisierungsbuchstaben zugewiesen bekommen. Um das für den jeweiligen Einsatz passende Thermoelement zu finden, wird zuerst anhand des zu messenden Temperaturbereiches ein Typ bestimmt.

2.1 Temperaturbereiche der Thermolemente nach DIN EN 60 584

Norm

Typ

Material

Maximaltemperatur Klasse 1

Definiert bis

DIN EN 60 584

J

Fe-CuNi

+750 °C

+1.200 °C

 

T

Cu-CuNi

+350 °C

+400 °C

 

K

NiCr-Ni

+1.000 °C

+1.372 °C

 

E

NiCr-CuNi

+900 °C

+1.000 °C

 

N

NiCrSi-NiSi

+1.000 °C

+1.300 °C

 

S

Pt10Rh-Pt

+1.600 °C

+1.768 °C

 

R

Pt13Rh-Pt

+1.600 °C

+1.768 °C

 

B

Pt13Rh-Pt6

+1.700 °C (Klasse 2)

+1.820 °C

Am häufigsten verwendet wird der Thermoelementtyp K, da es einen breiten Temperaturbereich abdeckt und die Grenzabweichung gering ist. Die Anschaffungskosten des Typ K Elements sind vergleichsweise niedrig. Die Thermoelementtypen R und S kommen aufgrund der teureren Edelmetalle und der niedrigen Thermospannung nur bei Temperaturen von über +1.000 °C zum Einsatz. Typ B Elemente setzt man erst ab +1.300 °C ein, sie können in einem Schutzrohr sogar bis +1.800 °C betrieben werden.

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Typischer Einsatzbereich

  • keine Angaben

Vorteile

  • Hohe Temperaturen
  • Schnelle Ansprechzeiten

Nachteile

  • Vergleichsstelle
  • Alterungsdrift bei hohen Temperaturen

Bilder zu Thermoelementen und Thermocouples