Thermoelemente

Was ist Temperatur

Die „Temperatur“ als solche ist eine physikalische Grösse, die den Gesetzen der Thermodynamik unterliegt. Die physikalische Masseinheit der Temperatur(Symbol T) wird Kelvin (Symbol K)genannt. Ein Kelvin ist definiert als ein Bruchteil der thermodynamischen Temperatur des Tripelpunktes des Wassers und entspricht 1/273,16.
Für Temperaturen oberhalb des Eispunktes ist es vorteilhafter, die Celsius-Temperatur (Symbol ) zu verwenden. Sie wird in Grad Celsius gemessen (Symbol °C).Für die Umrechnung Kelvin – Grad Celsius gilt: = T – 273,15, wobei 273,15 die thermodynamische Temperatur des Eispunktes angibt. Da es ausserhalb hoch spezialisierter Laboratorien extrem schwierig ist, thermodynamische Thermometer (Gasdilatation, Strahlung) zu verwenden, gab die Idee,andere physikalische Phänomene, wie etwa:

• die Änderung des elektrischen Widerstandes in Metall,
• die elektromotorische Kraft in

Thermoelementen, zu benutzen, den Anstoss zur Entwicklung geeigneter Sensoren. Um die Relation zwischen Temperatur und  elektrischer Leitfähigkeit der Sensoren zu finden, müssen diese bei verschiedenen Temperaturebenen eingesetzt und verglichen werden. Auf diese Weise wurden spezifische Temperaturskalen entwickelt. Diese Skalen werden oftmals durch so genannte „Fixpunkte“ repräsentiert, an denen reine Elemente ihren physikalischen Zustand andern:

• schmelzen (fest in flüssig),
• gefrieren (flüssig in fest),
• sieden (flüssig in gasförmig),
• Tripelpunkt (flüssig, fest und gasförmig).

Interpolationen zwischen diesen Punkten werden mit Hilfe von speziellen Thermometern durchgeführt, die für bestimmte Temperaturbereiche extrem präzise sind. Für die IST 90 bedeutet das:

• 0,65 bis 5 K: Sättigungsdampfdruck 3He, 4He,
• 3 bis 24,5 K (Ne): Helium-Gasthermometer,
• 13,84 (H2) bis 961,78°C (Ag): Platin-Widerstandssensoren,
• ≥ 961,78°C: Pyrometer (Planck’sches Gesetz).

Geschichtlicher Hintergrund

Die technische Ausnutzung des thermoelektrischen Effekts zur Temperaturmessung hat mit Seebeck und Peltier begonnen. Noch immer ist die Entwicklung und Erprobung neuer Werkstoffe für Thermoelemente nicht abgeschlossen. Generell kann jede Kombination zweier Leitermaterialien benutzt werden, um ein Thermoelement herzustellen. Wenn zwei unterschiedliche Materialien zu einem Thermoelement verschweisst werden und dieser Punkt erwärmt wird, entsteht eine EMK (Elektromotorische Kraft), die Thermospannung. Mit Hilfe der Thermospannung wird die Temperatur zur Messgrösse. Die Empfindlichkeit des Thermoelementes ergibt sich als die algebraische Summe der Thermospannungen beider Leiter. Die Empfindlichkeit ist sehr hoch, wenn die Thermospannungswerte sehr unterschiedlich sind. Die ersten, von Le Chatelier entwickelten Thermoelemente hatten den Nachteil, dass die Thermopaare aus reinem Metall bestanden.
Schon geringfügige Verunreinigungen (bei der Herstellung als auch am Einsatzort) beeinträchtigen die Qualität des Thermoelementes. Beider Fertigung musste grösste Sorgfalt auf Reinheit und Reinhaltung des Metalls gelegt werden, wodurch ein sehr aufwendiger Herstellungsprozess notwendig war.
Anfang letztes Jahrhundert entwickelte die amerikanische Firma Hoskins das NickelChrom / Nickel Aluminium Thermoelement  (Typ K), bei dem jedes Bein des Thermopaares aus einer Legierung besteht .Geringe Verunreinigungen dieser Materialien haben fast keine nachteiligen Auswirkungen auf die Thermospannungscharakteristik, weshalb die Entwicklung dieser neuartigen Thermoelemente ein grosser Fortschritt war. Trotz dieses Vorteils vermochte dieser den Typ T und J in den unteren Messbereichen nicht vollständig zu verdrängen. Der Vorteil einer relativ hohen Thermospannung kommt einer höheren Temperaturauflösung gleich. Die messtechnische Erfassung der Temperatur ist in vielen Bereichen der Technik und Industrie nicht wegzudenken. Eine lange bewährte Methode der Temperaturmessung erfolgt durch Thermoelemente.

Des Weiteren vereinfacht eine beinahe lineare Thermospannung in dem benötigten Temperaturbereich den Einsatz von Thermoelementen, wie z.B. dem Typ K. Im Laufe der Zeit haben sich eine begrenzte Anzahl Thermopaare durchgesetzt. Diese Thermoelemente sind in den Industrieländern genormt worden. In der Norm DIN EN 60584 sind die Grundwerte der Thermospannung und die zulässigen Grenzabweichungen festgelegt. Die Thermopaarkombinationen umfassen den Temperaturbereich von -200°C bis +2.300°C.Thermoelemente verdanken ihre breite Anwendung der genauen und raschen Erfassung der Temperatur, dem einfachen Aufbau, der leichten Handhabung und Austauschbarkeit sowie der kostengünstigen Herstellung. Sie sind hitzebeständig, druckfest und verhältnismässig unempfindlich gegen äussere Störeinflüsse. Besondere technische Anforderungen, wie z.B. in Nuklearreaktoren, in der Weltraumforschung oder im medizinischen Bereich führten zur Entwicklung von Mantelthermoelementen mit besonders kleinen Abmessungen, hohem Isolationswiderstand und Resistenz gegen aggressive Medien. Alle diese extremen Anforderungen werden von den Miniatur- Mantelthermoelementen erfüllt.