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Thermoelemente

In der Mess- und Regeltechnik werden Thermoelemente zur Messung von Temperaturen eingesetz. Das Messprinzip von Thermoelementen beruht auf dem im Jahre 1821 entdeckten und nach dem Entdecker benannten  Seebeck Effekt. Seebeck beobachtete, dass in einem geschlossenen Kreis zweier unterschiedlicher Metalle ein Strom fließt, sobald sich deren Verbindungsstellen auf unterschiedlichen Temperaturniveaus befanden.

Aufgrund der Erkenntnisse von Seebeck, kann die Erzeugung einer elektrischen Spannung in einem Leiter beschrieben werden, durch den ein Wärmestrom fließt. Die entsprechende Thermospannung aufgrund der unterschiedlichen Metalle entsteht lokal  dort, wo der Temperaturgradient vorhanden ist.

Die durch den Seebeck beschtriebene Thermospannung zwischen den Anschlußstellen kann wie folgt beschrieben werden:

Uth = SthAB *Δ ϑ

SthAB ist hierin der Seebeckkoeffizient der Materialpaarung und Δ ϑ ist die Temperaturdifferenz zwischen den Anschlußstellen.

Δ ϑ = ϑm-ϑv

Über die Messung der Thermospannung Uth kann somit auf die Temperatur ϑm geschlossen werden, wenn die Temperatur ϑv defineirt ist.

Zur Standardisierung von Thermoelementen wurden unter der  Vielzahl möglicher Metallkombinationen bestimmte ausgewählt und deren Eigenschaften
Genormt. Spannungsreihen und zulässige Abweichungen finden sich zu den unten aufgeführten Thermoelementen sowohl in nationalen Standards als auch in europäischen und weltweiten Normen wie z.B. der IEC 584 wieder.

Zur Berechnung der Thermospannung mittels gegebener Themperatur (t90) gilt die folgende Gleichung:

Thermoelement, Berechnung der Spannung

für Thermoelemente vom Typ K gilt oberhalb 0°C eine erweiterte Funktion um magnetische Effekte zu kompensieren. Es gilt:

Formel für Thermoelement Typ K oberhalb 0°C

Umgekehrt läßt sich bei bekannter Thermospannung die Temperatur t90 über die folgende Funktion berechnen:

Berechnung Temperatur eines Thermoelemntes bei bekannter Spannung

 

Grundsätzlich ist immer darauf zu achten, dass meist von einer Vergleichsstellentemperatur von 0°C ausgegangen wird.

Um abweichende Temperaturen zu kompensieren, wird in der Industrie meist ein analoger oder digitaler Temperaturkompensator verwendet. Das Bild zeigt vereinfacht eine analoge Schaltung. Ein Sensor misst die Temperatur des isothermalen Ausgleichsblocks. Durch Addition einer proportionalen Spannung wird das Eingangssignal ins Messgerät entsprechend angepasst.


Kompensation von Temperaturabweichungen an der Vergleischsstelle

Beachten Sie bitte, das Thermoelemente altern. Dieser sogenannte Drift setzt die Thermospannung runter und kann zu erheblichen Abweichungen führen. Eine Vorhersage des Driffts ist nicht möglich. Thermoelemente sollten aus diesem Grund regelmäßig getauscht werden.

PT100 Diagramm

Spannungsverlauf  in mV bei ausgesuchten Thermoelementen über der Temperatur

Darstellung der Kennlinien von PT50, PT100, PT500, PT1000

Ein Klick auf das Diagramm vergrößert die Ansicht

 

 

Grenzabweichungen

Thermoelement Typ Klasse Grenzabweichung
Typ B, PlatinRhodium-Platin (Pt30Rh-Pt6Rh) Klasse-1 600 bis 1700°C ±0,0025 t oder ±1,5°C
Klasse-2 600 bis 1700°C ±0,005 t oder ±4,0°C
Klasse-3  
Typ E, Nickel-Chrom-Konstantan (NiCr-CuNi) Klasse-1 -40 bis 900°C ±0,004 t oder ±1,5°C
Klasse-2 -40 bis 900°C ±0,0075 t oder ±2,5°C
Klasse-3 -200 bis 40°C ±0,015 t oder ±2,5°C
Typ J, Eisen-Konstantan (Fe-CuNi) Klasse-1 -40 bis 750°C ±0,004 t oder ±1,5°C
Klasse-2 -40 bis 750°C ±0,0075 t oder ±2,5°C
Klasse-3  

Typ K, Nickel-Chrom-Nickel (NiCr-Ni)

Typ N, Nicrosil-Nisil (NiCrSi-NiSi)

Klasse-1 -40 bis 1000°C ±0,004 t oder ±1,5°C
Klasse-2 -40 bis 1200°C ±0,0075 t oder ±2,5°C
Klasse-3 -200 bis 40°C ±0,015 t oder ±2,5°C

Typ R, PlatinRhodium-Platin (Pt13Rh-Pt)

Typ S, PlatinRhodium-Platin (Pt10Rh-Pt)

Klasse-1 0 bis 1600°C ±[1+0,003(t-1100°C)] oder ±1,0°C
Klasse-2 0 bis 1600°C ±0,0025 t oder ±1,5°C
Klasse-3  
Typ T, Kupfer-Konstantan (Cu-CuNi) Klasse-1 0 bis 350°C ±0,004 t oder ±0,5°C
Klasse-2 -40 bis 350°C ±0,0075 t oder ±1,0°C
Klasse-3 -200 bis 40°C ±0,015 t oder ±1,0°C

Tabelle 1, Grenzabweichungen von Thermoelementen gemäß DIN EN 60584

Spannungstabelle Typ B Spannungsdiagramm Typ B
Spannungstabelle Typ E Spannungsdiagramm Typ E
Spannungstabelle Typ J Spannungsdiagramm Typ J
Spannungstabelle Typ K Spannungsdiagramm Typ K
Spannungstabelle Typ N Spannungsdiagramm Typ N
Spannungstabelle Typ R Spannungsdiagramm Typ R
Spannungstabelle Typ S Spannungsdiagramm Typ S
Spannungstabelle Typ T Spannungsdiagramm Typ T

 

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