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Funktionsweise von Thermoelementen

Zur Messung hoher Temperaturen ideal geeignet
Was beim Einsatz von Thermoelementen zu beachten ist

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In der industriellen Temperatur-Messtechnik kommen neben den Widerstandsthermometern vor allem Thermoelemente zum Einsatz. Sie eignen sich vor allem bei Temperaturen bis etwa 1700 °C in thermischen Prozessen. Ein Thermoelement besteht aus zwei elektrischen Leitern unterschiedlicher Metalle, die an einem Ende miteinander verbunden und aufgrund des thermoelektrischen Effektes zur Messung hoher Temperaturen ideal geeignet sind. Die an den anderen Enden der metallischen Leiter auftretende elektrische Spannung ist gering und liegt im Bereich einiger 10 µV pro 1 °C Temperaturdifferenz.


Inhaltsverzeichnis
1. Die geltenden Normen
2. Thermoelement-Typen
3. Ungenaue Messergebnisse durch Alterungserscheinungen
4. Der K-Effekt

Ein Thermoelement besteht aus zwei Drähten unterschiedlicher Metalle, die an einem Ende zu einem Thermopaar verbunden sind, wobei der Verbindungsknoten die eigentliche Messstelle bildet. Bei Erwärmung dieses Knotens lässt sich eine Spannung messen, die der Temperatur der Messstelle annähernd proportional ist. Ein Thermoelement misst jedoch keine absolute Temperatur, sondern erfasst die Differenztemperatur zwischen der Messtelle sowie einer erforderlichen Kaltstelle. Dieser sogenannte Thermoelektrische oder Seebeck-Effekt beruht zum Einen auf der unterschiedlichen Elektronendichte der beiden verschiedenen metallischen Materialien der verwendeten Drähte, zum Anderen auf dem Temperaturunterschied zwischen Messstelle und Kaltstelle. Da die Spannungsmessung meist in der Umgebungstemperatur stattfindet, wäre der angezeigte Spannungswert um den Betrag der Spannung der Umgebungstemperatur zu niedrig. Um den Wert für die absolute Messstellentemperatur zu erhalten, kommt die sogenannte Kaltstellenkompensation zur Anwendung. Zumindest im Labor wird diese Kaltstellenkompensation noch immer mittels eines Eisbades durchgeführt, das als Kaltstelle des Thermoelements 0 °C anzeigt. In vielen Geräten mit Thermoelementeingang ist zur Auswertung eine elektronische Kaltstellenkompensation im Schaltkreis des Gerätes eingebaut.

Die geltenden Normen

Jedes Metall zeichnet sich durch eine materialspezifische Elektronegativität aus, also der Tendenz der Atome, eher Elektronen aufzunehmen oder abzugeben. Um möglichst hohe Thermospannungen zu erzielen, werden spezielle Materialpaarungen zur Bildung von Thermoelementen verwendet, deren Einzel-Elektronegativitäten möglichst weit auseinander liegen. Diesen Materialpaarungen sind jedoch durch die maximale Einsatztemperatur des Thermoelements physikalische Grenzen gesetzt. Thermoelemente werden in verschiedenen Normen beschrieben. Die IEC 60584-1 beschreibt Grundwerte und Grenzabweichungen der Thermospannungen bei festgelegten Thermopaaren, die IEC 60584-3 definiert Thermoleitungen und Ausgleichsleitungen und die im Nordamerikanischen Raum gebräuchliche ASTM E230 gibt Auskunft über die Standardspezifikation standardisierter Thermoelemente.

Thermoelement-Typen

NiCr-NiAl-Thermoelemente des Typs K sind geeignet für den Einsatz in oxidierender oder in Schutzgasatmosphäre bis zu Temperaturen von 1200 °C. In schwefelhaltiger Atmosphäre ist jedoch ein Schutz erforderlich. Da ihre Oxidationsneigung gering ist, kommen sie in der Regel bei Temperaturen über 550 °C zum Einsatz. Thermoelemente des Typs J bestehen aus Eisen sowie Kupfer-Nickel. Fe-CuNi-Thermoelemente sind geeignet für den Einsatz im Vakuum, in oxidierenden und reduzierenden Atmosphären oder in Schutzgasatmosphären. Sie werden für Temperaturmessungen bis 750 °C eingesetzt.

Thermoelemente des Typs N sind aus Nickel-Chrom-Silizium und Nickel-Silizium aufgebaut. NiCrSi-NiSi-Thermoelemente eignen sich für oxidierende Atmosphären sowie Schutzgasatmosphären. Sie können in trockener Reduktionsatmosphäre bis zu 1200 °C eingesetzt werden. Bei schwefelhaltiger Atmosphäre ist ein Schutz erforderlich. Typ-N-Thermoelemente arbeiten hoch genau bei hohen Temperaturen. Quellenspannung und Temperaturbereich entsprechend dem Typ K. Zum Einsatz kommen sie vor allem dann, wenn höhere Lebensdauer und größere Stabilität gefordert werden.

NiCr-CuNi-Thermoelemente des Typs E aus Nickel-Chrom und Kupfer-Nickel sind für den Einsatz in oxidierender oder Schutzgasatmosphäre bis zu 900 °C geeignet. Sie zeichnen sich durch die höchste erzielbare Quellenspannung pro °C aus. Cu-CuNi-Thermoelemente (Kupfer und Kupfer-Nickel) des Typs T sind geeignet für Temperaturen unter 0 °C mit einer Temperaturobergrenze von 350 °C. Sie können in oxidierender, reduzierender oder Schutzgasatmosphäre verwendet werden und rosten nicht in feuchter Atmosphäre.

Edelmetall-Thermoelemente basieren auf Platin-Rhodium-Legierungen unterschiedlicher Zusammensetzungen. Bei Typ S kommen Paare aus Platin legiert mit 10 % Rhodium sowie Platin zum Einsatz. Thermoelemente des Typs S sind für den dauerhaften Gebrauch in oxidierender oder Schutzgasatmosphäre bei Temperaturen bis zu 1600 °C geeignet. Bei ihrem Einsatz ist jedoch auf eine mögliche Versprödung durch Verunreinigungen zu achten. Ähnliches gilt für Thermoelemente des Typ R. Sie bestehen aus Platin mit 13 % Rhodium sowie reinem Platin.

Thermoelemente des Typs B bestehen aus den Paaren Platin mit 30 % Rhodium sowie Platin mit 6 % Rhodium. Sie können sowohl in oxidierenden oder Schutzgasatmosphären eingesetzt werden, lassen sich aber auch kurzzeitig im Vakuum nutzen. Sie messen Temperaturen bis 1700 °C. Thermoelemente der Typen R, S und B werden normalerweise in einseitig geschlossenen keramischen Schutzrohren eingesetzt. Kommen metallische Schutzrohre zum Einsatz, ist ein einseitig geschlossenes keramisches Innenrohr erforderlich. Edelmetall-Thermoelemente sind anfällig für Verunreinigungen, sodass empfohlen wird, diese mit keramischem Material zu umgeben.

Ungenaue Messergebnisse durch Alterungserscheinungen

Oxidationsvorgänge führen bei nicht ausreichend geschützten Thermoelementen bzw. bei blanken Thermodrähte zu einer Verfälschung der Kennlinie. Eindiffundierende Fremdatome führen zu Veränderungen der Ursprungslegierungen und damit ebenfalls zu Verfälschungen der Kennlinie. Darüber hinaus kann der Einfluss von Wasserstoff zur Versprödung der Thermoelemente und zur Veränderung der Messgenauigkeit führen. Thermoelemente aus unedlen Materialien altern und verändern dadurch ihre Temperatur-Thermospannungskennlinie. Dagegen zeigen PtRh-Pt-Thermoelemente der Typen R und S bis 1400 °C praktisch keine Alterung. Sie sind jedoch sehr empfindlich gegenüber Verunreinigungen. So können Silizium und Phosphor die Eigenschaften des Platins sehr schnell verändern. In Gegenwart von Platin kann bereits in schwach reduzierender Atmosphäre Silizium aus den Isolierkeramiken freigesetzt werden. Die Reduktion von SiO2 zu Si führt zu einer Verunreinigung des Pt-Schenkel des Thermoelementes und verursacht schon in Silizium-Anteilen von wenigen ppm Messfehler von 10 °C und mehr.

Mantelthermoelemente und Thermoelement-Fühler

Bedingt durch das bessere Verhältnis von Gesamtmaterialvolumen zur Oberfläche steigt die Langzeitstabilität der Edelmetall-Thermopaare mit zunehmendem Thermodraht-Durchmesser. Die Sensoren der Typen S, R und B stehen deshalb auch mit einem Thermodraht-Durchmesser von 0,35 mm oder 0,5 mm zur Verfügung. Der Ni-Schenkel des Typ K-Elementes wird häufig durch Schwefel, z. B. in Rauchgasen, geschädigt. Thermoelemente der Typen J und T altern nur geringfügig, weil zunächst der Reinmetallschenkel oxydiert. Generell gilt, dass die Alterungserscheinungen mit steigenden Temperaturen zunehmen.

Bei dem als Grünfäule bekannten Effekt treten bei Typ-K-Thermoelementen beim Einsatz im Temperaturbereich zwischen 800 und 1050 °C erhebliche Veränderungen der Thermospannung auf. Die Ursache ist eine Chromverarmung bzw. Oxidation des Chroms im NiCr-Schenkel. Voraussetzung dafür ist eine geringe Konzentration von Sauerstoff oder Wasserdampf in der direkten Umgebung des Thermoelementes. Folge ist eine erhebliche Drift des Messwerts durch die sinkende Thermospannung.

Bei Sauerstoffmangel und reduzierender Atmosphäre wird dieser Effekt verstärkt, da sich keine vollständige Oxidation auf der Oberfläche des Thermoelements ausbilden kann. Das Thermoelement wird letztendlich durch diesen Vorgang zerstört. Der Name Grünfäule kommt von der grünlichen schimmernden Färbung an der Bruchstelle des Drahtes. Das Thermoelement Typ N ist bedingt durch seinen Siliziumgehalt in dieser Beziehung im Vorteil. Hier bildet sich unter gleichen Bedingungen eine schützende Oxidschicht auf seiner Oberfläche aus.

Der K-Effekt

Der NiCr-Schenkel eines Typ-K-Thermoelementes hat bezüglich der Ausrichtung im Kristallgitter unterhalb von 400 °C eine geordnete Ausrichtung. Wird das Messelement weiter erhitzt, so findet im Temperaturbereich zwischen 400 und 600 °C ein Übergang in einen ungeordneten Zustand statt. Oberhalb von 600 °C stellt sich wieder ein geordnetes Kristallgitter ein. Bei einem zu schnellen Abkühlen dieser Thermoelemente kommt es im Bereich von 600 bis 400 °C wieder zum unerwünschten ungeordneten Kristallgitter. In der Kennlinie von Typ K ist aber ein durchgängig geordneter Ausrichtungszustand vorausgesetzt und mit Werten hinterlegt. Ein Thermospannungsfehler von bis zu etwa 0,8 mV (etwa 5 °C) in diesem Bereich ist die Folge. Der K-Effekt ist reversibel und wird durch Glühen oberhalb 700 °C mit anschließender langsamer Abkühlung größtenteils wieder abgebaut.

Kontakt:
Wika Alexander Wiegand SE & Co. KG
Alexander-Wiegand-Straße 30
63911 Klingenberg
Tel: +49 9372 132-0
info@wika.de
www.wika.de

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