Thermoelement

Thermoelemente werden sehr häufig als Temperatursensoren verwendet, da sie klein und robust sind. Obwohl sie etwas schwierig in der Anwendung sind, werden sie doch in vielen Applikationen verwendet, da sie relativ billig sind.

Das Prinzip eines Thermoelements beruht auf dem Seebeck-Effekt: Die Zahl der freien Elektronen in einem Metall hängt sowohl von der Art des Metalls als auch von dessen Temperatur ab. Falls zwei ungleiche Metalle miteinander in Kontakt kommen, bildet sich an der Kontaktstelle eine Potentialdifferenz aus, deren Höhe vom Unterschied der Zahl der freien Elektronen in beiden Metallen abhängt. Die Potentialdifferenz bewegt sich üblicherweise im mV-Bereich.

Der Tatsache, dass Thermospannungen an jeder Kontaktstelle von beliebigen verschiedenen Metallen auftreten, muss besonderes Augenmerk geschenkt werden, wenn man ein Messsystem mit Thermoelementen aufbaut. Der einfachste Weg den unerwünschten Einfluss von Thermospannungen zu unterdrücken, besteht im Konstanthalten der Temperatur aller Kontakte im Messkreis (ausgenommen der Kontakt, der zur Messung dient). Da dies jedoch meist nur umständlich oder aufwendig zu erreichen ist, verwendet man üblicherweise eine spezielle Elektronik, die die sogenannte Kaltstellen-Kompensation durchführt. Dabei wird der Messspannung eine der Umwelttemperatur entsprechende, entgegengesetzt gepolte Spannung addiert.

Thermoelemente haben typischerweise einen Ausgangspegel von wenigen Millivolt und eine Empfindlichkeit von ca. 10 µV/°C. Diese niedrigen Spannungen benötigen spezielle Maßnahmen, um sie auf einen Pegel zu bringen, der von AD-Wandlern oder anderen Messgeräten weiterverarbeitet werden kann. Die Kennlinie eines Thermoelements ist nichtlinear.

Die unten stehende Tabelle führt ein paar allgemein gebräuchliche Thermopaare an.

Typ	Zusammensetzung	Temperaturbereich ΔT [°C]	Spannungshub ΔU [V]
B	PtRh-PtRh	40 - 1800	13.6
E	Chromel-Constantan	0 - 980	75.0
J	Iron-Constantan	-180 - 760	49.7
K	Ni-CrNi	-180 - 1300	57.9
L	Fe-CuNi	-180 - 850	57.1
R	Pt-Pt,13%Rh	0 - 1600	18.8
S	Pt-Pt,10%Rh	0 - 1600	16.7
T	Cu-Constantan	-180 - 350	23.0
U	Cu-CuNi	-180 - 550	36.1