Ein Thermoelement ist ein Paar elektrischer Leiter aus unterschiedlichen Metallen, die an einem Ende miteinander verbunden sind und aufgrund des thermoelektrischen Effektes zur Temperaturmessung geeignet sind.DIN EN 60584-1:2014-07: Thermoelemente – Teil 1: Thermospannungen und Grenzabweichungen (IEC 60584-1:2013) Im Prinzip liefert das Thermoelement elektrische Energie aus Wärme bei einer Temperaturdifferenz entlang des elektrischen Leiters. Die dabei an den anderen Enden der metallischen Leiter auftretende elektrische Spannung heißt Thermospannung. Sie ist vergleichsweise klein und liegt im Bereich einiger 10 µV pro 1 °C Temperaturdifferenz. Selbst bei hohen Temperaturdifferenzen über 1000 °C und ausgewählten Materialien mit hoher Empfindlichkeit liegen die erreichbaren elektrischen Spannungen unter oder in der Größenordnung um 0,1 V. Mehrere in Reihe geschaltete Thermoelemente bilden eine Thermokette, welche eine um den Faktor der Anzahl höhere elektrische Spannung liefert.VDI/VDE-Richtlinie 3511 Blatt 2: Technische Temperaturmessungen – Berührungsthermometer, 1996.Frank Bernhard (Hrsg.): Technische Temperaturmessung Band III: Physikalische und meßtechnische Grundlagen. Springer, 2004, S. 765. mini|Symbol des Thermoelements für Schaltpläne gemäß NormungDIN EN 60617-8:1997, Nr. 08-06-01 und -02 mit Angabe der Polarität oder Kennzeichnung des negativen Pols durch breitere Linie mini|Spitze eines geschweißten Thermoelementes vom Typ J
Grundlagen mini|hochkant=2|Schematische Messschaltung mit einem Thermoelement Seebeck-Effekt mini|hochkant=2|alternativtext=|Thermospannungen verschiedener Thermopaare. Als thermoelektrischen oder Seebeck-Effekt bezeichnet man das Auftreten einer elektrischen Spannung auf Grund eines Temperaturgefälles entlang eines elektrischen Leiters. Diese Spannung oder Potentialdifferenz ist eine Funktion der Temperaturdifferenz entlang des Leiters und für jedes Leitermaterial anders. Die Kennlinien sind nur näherungsweise linear.
Um eine elektrische Spannung an den beiden Leiterenden messen zu können, muss der Rückleiter aus einem andersartigen Material als der Hinleiter ausgeführt sein, wie in der schematischen Messschaltung dargestellt. Bei demselben Material in beiden Leitern entstünden jeweils betragsmäßig gleich hohe Potentialdifferenzen, die sich in einem geschlossenen Stromkreis gegenseitig aufheben würden. Die Verbindungsstelle eines Thermoelements, die der zu messenden Temperatur ausgesetzt ist, bekommt die Funktion einer Messstelle, der Übergang auf die zum Spannungsmessgerät führenden (Kupfer-)Leitungen bekommt die Funktion einer Vergleichsstelle. (Jede weitere temperaturbedingte Potentialdifferenz längs der Zuleitungen fällt bei gleichen Leitungen aus der Spannungsmessung heraus.)
Jede Thermospannung steht für eine Temperaturdifferenz zwischen Mess- und Vergleichsstelle. Um die tatsächliche Temperatur der Messstelle bestimmen zu können, muss die Temperatur der Vergleichstelle bekannt sein, siehe weiter unten. Diese Temperatur muss auch deshalb bekannt sein, weil wegen des nicht linearen Zusammenhangs je nach Vergleichsstellentemperatur zu jeder Thermospannung eine andere Temperaturdifferenz gehört.
Die Empfindlichkeit eines einzelnen Leiters kann in der Messanordnung nicht gemessen werden; sie wird im Vergleich zu einem Bezugsmaterial, üblich ist Platin, als thermoelektrischer Koeffizient angegeben. Diese zu einer festen Temperatur angegebenen, nach Größe sortierten Materialdaten bilden die thermoelektrische Spannungsreihe. Die Werte dieser thermoelektrischen Koeffizienten hängen vom Legierungsverhältnis bzw. Reinheitsgrad der verwendeten Metalle ab. Durch gezielte Beimengungen lassen sich Materialien mit reproduzierbaren, einigermaßen langzeitstabilen thermoelektrischen Koeffizienten herstellen.
Zu Anwendungen des Seebeck-Effektes außerhalb der Messtechnik siehe Thermoelektrischer Generator.
Mathematische Beschreibung mini|Thermoelement vom Typ K mit verpolungssicherem Stecker.Je nach Hersteller bestehen auch dessen Kontaktstifte und die Kupplungen aus hochreinem Thermomaterial. Herstellerunterlage zu Steckverbindern Herstellerunterlage zu Thermoelement-Steckern
Der Zusammenhang zwischen elektrischer Spannung und Messstellentemperatur bei der Vergleichsstellentemperatur ist für einige Materialpaare durch Normung in Referenzfunktionen festgelegt, und zwar in mehreren unterschiedlichen Gleichungen für unterschiedliche Temperaturbereiche.[ Karen Garrity (2000), NIST ITS-90 Thermocouple Database - SRD 60, National Institute of Standards and Technology, (Accessed 2022-10-02) ] Die Kennlinien sind gekrümmt, die Gleichungen sind kompliziert, die Zusammenhänge werden deshalb auch in Tabellen dargestellt.
In einem kleinen Teilbereich der Temperatur kann mit einer linearen Näherung gearbeitet werden. Im folgenden Beispiel wird die Spannung an einem Thermoelement Typ K angegeben. Dieses besteht aus einer Nickel-Chrom-LegierungDatenblatt der NiCr-Legierung und aus Nickel. Mit den thermoelektrischen Koeffizienten und ergibt sich:
mit
Die Koeffizienten sind allerdings ihrerseits temperaturabhängig, wie auch der Seebeck-Koeffizient des Thermoelementes, der die Empfindlichkeit angibt.
Die Auflösung der Referenzfunktionen nach ist bei linearem Ansatz mathematisch elementar. Für den nichtlinearen Fall gibt die DIN-Norm sowie A Basic Guide to Thermocouple Measurements, Application Report, SBAA274 – September 2018 Texas Instruments, zuletzt aufgerufen am 2. Oktober 2022 diese inversen Funktionen ebenfalls an.
Werkstoffe für Messzwecke mini|Biegbares Mantelthermoelement in Edelstahlmantel von 0,5 mm ⌀ mini|hochkant=1.8|Industrielles Thermoelement in Schutzrohr mit Anschlusskopf. Die aufgebrochene Stelle zeigt die Thermodrähte samt Isolation im Schutzrohr des Messeinsatzes (meistens aus Keramik), der in einem äußeren Schutzrohr steckt (aus Keramik oder Metall, je nach Anwendungsfall) Bei der Auswahl einer Materialpaarung zu Messzwecken strebt man eine hohe Thermospannung, hohe Linearität und hohe Korrosionsfestigkeit bei hohen Temperaturen an. Diese Ziele sind nicht mit einer einzigen Kombination erreichbar. Daher werden je nach Einsatzzweck unterschiedliche Materialpaarungen verwendet.
International genormt sind zehn Thermoelementtypen, die jeweils durch einen Großbuchstaben gekennzeichnet werden. Weit verbreitet sind: Nickel-Chrom / Nickel (Typ K; häufigster Typ mit Thermospannungen zwischen −6,458 mV bei −270 °C und 52,410 mV bei 1300 °C) mit einer Empfindlichkeit von etwa 40 µV/°C (oberhalb 0 °C) Eisen / Kupfer-Nickel (Typ J; in der Industrie vielfach eingesetzter Typ mit Thermospannungen zwischen −8,095 mV bei −210 °C und 69,553 mV bei 1200 °C) mit etwas höherer Empfindlichkeit, aber weniger linear Platin-Rhodium / Platin (Typen R und S; für Temperaturen bis ca. 1750 °C, bis etwa 20 mV) mit einer Empfindlichkeit von 5…12 µV/°C je nach Temperatur Der jeweils positive Leiter wird zuerst angegeben; er weist ein positives Potential gegenüber dem anderen Leiter auf bei einer positiven Temperaturdifferenz, bei der die Messstelle wärmer ist als die Vergleichsstelle.
Darüber hinaus sind zwei Hochrein-Thermoelemente Gold-Platin und Platin-Palladium genormt,DIN EN 62460:2009-05 Temperatur – Tabellen der elektromotorischen Kraft (EMK) für Kombinationen von Reinelement-Thermoelementen (IEC 62460:2008) deren Handhabung aber schwierig ist.
Markennamen wie Chromel oder Konstantan werden in der Normung nicht mehr verwendet.
Für die Messung hoher Temperaturen ist die Normung durch die Aufnahme von Thermoelementen auf Wolfram-Basis bis 2500 °C ausgeweitet worden. Für die Messung niedriger Temperaturen sind Thermoelemente auf Gold-Basis entwickelt worden,Franz X. Eder: Arbeitsmethoden der Thermodynamik: Band 1: Temperaturmessung. Springer, 1981, S. 252 ff. deren Thermospannungen aber für eine einheitliche Festlegung (noch) nicht genügend reproduzierbar sind.
Zum Schutz vor kontaminierenden, korrosiven oder abrasiven Einflüssen aus der Umgebung werden Thermoelemente für den industriellen Einsatz als Mantelthermoelement oder als Messeinsatz mit Schutzrohr hergestellt. Der Messeinsatz wird zur leichten Austauschbarkeit – selbst bei laufendem Betrieb – in einem äußeren Schutzrohr mit Anschlusskopf betrieben.
Für alle Materialien gibt es das Problem der Alterung, insbesondere in der Nähe der maximalen Temperatur. Bei Betrieb in diesem Bereich ist die Lebensdauer begrenzt.
Geschichte Das erste Thermoelement wurde 1821 von Thomas Johann Seebeck beschrieben. 1826 empfahl Antoine César Becquerel als Ergebnis seiner Forschung zur Thermoelektrizität die Verwendung eines Thermoelementes aus Platin und Palladium und führte somit als erster den Werkstoff Platin in die thermoelektrische Messtechnik ein, der bis heute der gebräuchlichste Werkstoff zum Bau von Edelmetall-Thermoelementen ist. 1885 entwickelte Henry Le Chatelier das erste Thermoelement, das in der praktischen Messtechnik Anwendung fand. Sein positiver Schenkel bestand aus einer Platin-Rhodium-Legierung mit einem Rhodiumanteil von 10 %, der negative Schenkel bestand aus reinem Platin. Dieses Thermoelement, das auch als Le-Chatelier-Thermoelement bezeichnet wird, ist in unveränderter Zusammensetzung bis heute das gebräuchlichste Edelmetall-Thermoelement und als Typ S genormt.
In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts fanden vor allem Thermoelemente aus unedlen Metallen Einzug in die Praxis. Zahlreiche Paarungen wurden erforscht, um eine möglichst stabile, lineare und hohe Thermospannung zu erzeugen. In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurden die Platin-Rhodium-Thermoelemente weiterentwickelt, wobei man den Rhodiumanteil beider Schenkel variierte, um für verschiedene Einsatzbedingungen die ideale Legierung zu finden.
Ebenfalls wurden weitere Thermoelemente entwickelt, um höhere Genauigkeiten zu erzielen und den Temperatureinsatzbereich zu erweitern. Letzteres wurde vor allem durch die Entwicklung der Wolfram-Rhenium-Thermoelemente (W-Re-) erzielt, die das erste Mal 1962 zur Messung der Wasserstofftemperatur in einem Atomreaktor eingesetzt wurden. Mit diesem Thermoelement war es erstmals möglich, Temperaturen über 2.000 °C berührend zu messen. 1963 erlangten die W-Re-Thermoelemente Bekanntheit, als die NASA ankündigte, sie für die Temperaturmessung am Hitzeschild des Apollo-Raumschiffs einzusetzen, um dessen Temperatur beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre zu messen, wobei Temperaturen von 2.300 °C auftreten. Durch weitere Modifikationen an den W-Re-Thermoelementen gelang es 1967, 3.000 °C zu überschreiten.László von Körtvélyessy: Thermoelement-Praxis. Vulkan, 1998.
Vergleich verschiedener Thermoelemente Die folgende Tabelle gibt charakteristische Daten (weitgehend aus) und die Kennzeichnung verschiedener Typen von Thermoelementen an.
Wegen einer zu erwartenden Drift wird empfohlen, eine obere – vom Drahtdurchmesser abhängige – Einsatztemperatur einzuhalten. Bei dieser wird für die Typen K, J, N, E, T eine kontinuierliche Einsatzdauer von 10.000 h in sauberer Luft erwartet, bei den Edelmetalltypen R, S, B von 2.000 h. Bei den Angaben in Klammern wird eine verkürzte Einsatzdauer von 250 h bzw. 50 h erwartet.
Bei den Angaben zur Grenzabweichung steht für die Celsius-Temperatur der Messstelle. Von den zwei Angaben gilt die jeweils größere, und zwar als Betragsangabe. Beispielsweise kann ein Thermoelement mit der Angabe „1,5 °C oder 0,004“ die Temperatur bei 1000 °C mit einer Abweichung bis −4 °C oder bis +4 °C messen. Die garantierten Grenzabweichungen gelten nur für als zusammengehörig gekennzeichnete Thermodrähte im Anlieferungszustand.