Ratgeber
In der Messtechnik haben die robusten Thermoelemente einen festen Platz. Sie überwachen als Temperatursensoren zuverlässig die Temperaturwerte in Industrieanlagen und eignen sich besonders für die Messung hoher Temperaturen. Auch in Forschung und Entwicklung sind sie unverzichtbare Elemente. Doch wie unterscheidet sich ein Thermoelement von einem normalen Thermometer und wie genau funktioniert es?
Zwei aus unterschiedlichen Materialien gefertigte Drähte, die an einer Seite miteinander verbunden sind, stellen den Kern eines Thermoelements dar. Der Punkt, an dem die Drähte sich treffen, fungiert dabei als Messpunkt. An der gegenüberliegenden Seite wird ein Messgerät angeschlossen, welches die Signale des Thermoelements auslesen kann. Die Funktionsweise lässt sich durch den sogenannten Seebeck-Effekt erklären:
Werden zwei Drähte, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen, an einem Ende miteinander verbunden, kann man an den nicht verbundenen Enden eine Spannung messen. Diese nichtlineare Thermospannung liegt immer vor, wenn sich die Verbindungsstelle der beiden Drähte auf einem anderen Temperaturniveau befindet als an den beiden Drahtenden. Die gemessene Thermospannung kann nun als Mass für die Temperaturdifferenz zwischen Messstelle und den Anschlüssen des Messgerätes (Vergleichsstelle) verwendet werden. Damit die tatsächliche vorherrschende Temperatur am Messpunkt berechnet werden kann, muss die aktuelle Temperatur der Vergleichsstelle bekannt sein.
Verschiedene Bauarten
Thermoelemente lassen sich in drei Bauarten einteilen, wobei das Drahtthermoelement die einfachste Version darstellt. Der Messpunkt liegt dabei frei. Entsprechende Sensoren verfügen über eine sehr schnelle Reaktionszeit und können besonders kompakt gefertigt werden. Die verwendete Isolierung bestimmt in diesem Fall den maximal zulässigen Temperaturbereich.
Die am häufigsten anzutreffende Variante eines Thermoelements ist das Mantelthermoelement. Diese Varianten besitzen eine Ummantelung aus Metall, die häufig aus Edelstahl oder Inconel besteht und die die beiden Messdrähte und den Messpunkt umschliesst. Für Umgebungen, in denen ein Schutzmantel aus Metall nicht verwendet werden kann, sind zudem Sensoren mit einer Ummantelung aus Keramik erhältlich. Durch den Mantel sind entsprechende Temperatur-Sensoren auch in aggressiven Milieus und bei hohen Temperaturen einsetzbar. Speziell für die Verwendung bei extrem hohen Temperaturen von deutlich über 2000 °C sind spezielle Fühler mit Ummantelungen aus Platin, Molybdän oder Tantal erhältlich.
Wie der Name bereits vermuten lässt, werden Oberflächen-Thermoelemente direkt an einer geeigneten Oberfläche fixiert, um dort Temperaturmessungen vornehmen zu können. Für eine valide Messung ist es erforderlich, dass die Temperatur-Sonde komplett plan aufliegt. Dazu kann die Befestigung beispielsweise mit einem Ringkabelschuh oder einem Klebesockel erfolgen.
Unterschiedliche Typen von Thermoelementen
Neben den Bauarten erfolgt die Unterteilung von Thermoelementen nach den verschiedenen Metallkombinationen der beiden Drähte. Es gibt eine Vielzahl verschiedener Typen, nachfolgenden stellen wir zwei der am häufigsten genutzten Versionen vor: Aufgrund ihres grossen Temperaturbereichs sind Thermoelemente vom Typ K besonders verbreitet. Je ein Draht besteht hier aus Nickel-Chrom (NiCr) und Nickel-Aluminium (NiAl). Dieser Typ ist in einem Messbereich von - 270 bis +1300 °C einsetzbar. Fühler vom Typ T bestehen dagegen aus Kupfer (Cu) und Kupfer-Nickel (CuNi), der Messbereich liegt bei -270 bis + 350 °C. Fühler dieses Typs eignen sich insbesondere für Umgebungen mit niedrigen Temperaturen. Aufgrund der Materialzusammensetzung oxidieren sie nicht in feuchten Umgebungen.
Unser Praxistipp: Drahtdicke beachten
Der Typ eines Thermoelements gibt Auskunft über den Temperaturbereich, in dem es eingesetzt werden kann. Geht man exemplarisch von einem Typ K Sensor aus, liegt der Einsatzbereich zwischen - 270 bis +1300 °C. Die Dicke des Drahtes ist entscheidend für die Frage, ob die maximale Temperatur von 1300 °C abgedeckt werden kann, was bei einem Modell mit dünnem Draht nicht der Fall ist.
Beim Kauf eines Thermoelements gibt es einiges zu beachten: Unter anderem spielt der Temperaturbereich, indem die Messungen durchgeführt werden sollen, eine wichtige Rolle. Ebenso wichtig ist die Umgebung, in der der Sensor eingesetzt werden soll. Achten Sie darauf, dass das Thermoelement sowie der Kabelmantel ausreichend beständig gegen alle auftretenden Einflüsse wie beispielsweise Chemikalien sind.
Welches Messgerät soll ich verwenden?
Theoretisch könnte man bereits mit einem einfachen Multimeter die Thermospannung eines Temperaturfühlers auslesen und anschliessend mit einer Umrechnungstabelle die Temperatur ermitteln. In der Praxis empfiehlt sich jedoch der Einsatz eines Multimeters, das für den Betrieb mit entsprechenden Sensoren ausgelegt ist und den Umstand berücksichtigt, dass Thermoelemente kein lineares Signal proportional zur Temperatur ausgeben.
Was ist ein Thermistor?
Thermistoren bestehen aus einem Halbleitermaterial, dessen Widerstand mit steigender oder fallender Temperatur verändert. Da das Verhalten bei einer Änderung der Temperatur reproduzierbar ist, kann der Widerstandswert für die Berechnung der Temperatur genutzt werden. Es wird hierbei zwischen den sogenannten Heissleitern (NTC) und Kaltleitern (PTC) unterschieden. Während bei einem PTC der Widerstand zusammen mit der Temperatur ansteigt, ist es bei einem NTC genau andersherum: je höher die Temperatur, desto niedriger der Widerstand. Thermistoren verfügen darüber hinaus über eine sehr hohe Genauigkeit und sind zudem extrem widerstandsfähig. Im Vergleich zu Thermoelementen liegt keine Thermospannung an und der Temperaturbereich, in dem sie arbeiten können, fällt deutlich kleiner aus.