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Thermoelement


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Thermoelemente messen Temperaturen im Bereich -200 °C 1600 °C. Sie basieren auf der Thermospannung wenn die Verbindungsstelle zweier verschiedener Metalle einer höheren oder tieferen Temperatur als die liegt. Es findet eine Ladungstrennung nach dem Seebeck-Effekt statt. Es entsteht eine Gleichspannungsquelle. Die nennt man Thermospannung .

Die Besonderheit des Seebeck-Effektes ist die dieses Efektes: Peltier-Effekt . Wird ein Strom durch das Thermoelement so kühlt es sich ab: Peltierelement. In Fall findet eine Temperaturtrennung statt. Dieser Fall heute aber nur bei kleinen Wärmeleistungen Anwendung ist deshalb nur zur Kühlung elektronischer Komponenten

Stellung einiger Elemente in der thermoelektrischen Spannungsreihe der Temperatur 0 °C.  Pb ist das gewählte Bezugselement und daher gleich 0 V
Sb Fe Zn Cu Ag Pb Al Pt Ni Bi
+35 +16 +3 +2 8 +2 7 0 -0 5 -3 1 -1 9 -70 10¯6 V/K

Beispiele für industriell genutzte Thermoelemente. Der ist der Plus-Schenkel:

  

Thermopaar

kurz

Bezeichnung

Typ Temperatur bereich in °C Spannung in mV bei
500 °C T max
Nickel/Chrom - Nickel/Al NiCr-Ni/Al K 0 ..+1100 20 644 45 119
Kupfer - Konstantan Cu-CuNi T -185 ...+300 14 862
Eisen - Konstantan  Fe-CuNi J +20 ...+700 27 393 39 132
Nickel/Chrom - Konstantan NiCr-CuNi E 0 ... +800 37 005 61 017
Platin/10%Rhodium - Platin Pt10Rh - Pt S 0 ... +1550 4 233 16 182
Platin/13%Rhodium - Platin Pt13Rh - Pt R 0 ... +1600 4 471 18 849
    

Inhaltsverzeichnis

Messsignaltransport und -aufbereitung

Vom Thermoelement mit Ausgleichsleitern zur Vergleichsstelle den Übergangsstellen zum Kupferleiter entstehen ebenfalls neue Es kann daher immer nur die Spannungsdifferenz zwischen Messstelle und der Übergangsstelle = Vergleichsstelle werden. Es muss dann folgende Korrektur berücksichtigt

Korrektur der Grundwerte wenn die Vergleichsstellentemperatur von °C abweicht

 

Verminderung in mV bei

Thermopaar

20 °C

50 °C

Cu-Konstantan 0 80 2 05
Fe-Konstantan 1 05 2 65
NiCr-Ni 0 80 2 02
PtRh-Pt 0 113 0 29

Für eine genaue Messung muss die bekannt sein. Selten wird jedoch die Vergleichsstelle am Messort montiert. Die Messthermospannung wird um neuen Thermospannungen zu erzeugen mit dem selben wie der jeweilige Thermoschenkel weitergeleitet oder wenn Material sehr teuer ist mit einem Leiter einer preiswerteren Legierung = Ausgleichsleiter. Dieser hat geringen Umgebungstemperaturen < 50 °C die selben Eigenschaften und erzeugt daher beim Übergang auf Metall keine neue Thermospannung auf Kupfer jedoch gleiche wie die original Thermoschenkel.

Vergleichsstelle

Die Bedingung für eine exakte Temperaturmessung Thermoelementen ist dass die Vergleichsstellentemperatur bekannt ist. bieten sich 2 Prinzipien an:

  1. Konstante Vergleichsstellentemperatur
  2. Messung der Vergleichsstellentemperatur

1. Vergleichsstelle mit konstanter Vergleichsstellentemperatur
1.1 Die Schwankung der Vergleichstellentemperatur ist geringfügig oder sie ist verhältnismäßig klein zur Keine besondere technische Einrichtung notwendig.

1.2 Die Vergleichsstelle wird mit einer z. B. Eis-Wasser-Bad auf 0 °C gebracht Kühlschrank. Nachteil: großer Aufwand.

1.3 Die Vergleichsstelle wird auf 50 erwärmt und mit einem Bi-MetallThermometer konstant gehalten. einfach alter industrieller Standard.

2. Vergleichsstelle mit Messung der Vergleichsstellentemperatur
2.1 Kompensationsmessdose
In der Kompensationsdose befindet sich eine welche von einer netzbetriebenen Spannungsquelle versorgt wird. der Messspannung und der Thermospannung welche an Vergleichstelle entsteht wird eine entgegengesetzten Spannung mit Brückenschaltung addiert welche so groß ist dass Thermospannung der Vergleichsstelle kompensiert wird. Um Fehler Temperaturschwankungen der Vergleichsstelle zu vermeiden wird mit NTC-Widerstand in der Brückenschaltung  genau eine entgegengesetzte zur Thermospannungsschwankung hinzu addiert.

Eine Kompensationsmessdose kann daher immer nur ein bestimmtes Thermopaar ausgelegt sein. Alter industrieller

2.2 Aktueller industrieller Standard mit IC
Die kleine Thermospannung wird nicht mehr ihrer Originalgröße analog übertragen sondern in ein Einheitssignal gewandelt oder nach der Wandlung digital einen Bus übertragen. Das Wandlungssystem übernimmt die der Vergleichsstelle. Auch hier entsteht der obig Fehler durch den Übergang von dem Thermomaterial Kupferleiter/-klemmen. Die ICs welche die Thermospannung aufbereiten die Temperatur vor Ort welche auch der entspricht sodass die dort entstehende Thermospannung für bestimmtes Thermopaar wieder korregiert werden kann. Ein für AD594 findet sich auf http://www.analog.com/UploadedFiles/Data_Sheets/421725987AD594_5_c.pdf .

Drahtbruchsicherung

In industriellen Prozessen ist es notwendig Ausfall von Sensoren zu erkennen. Ein Drahtbruch durch mechanische Beschädigung oder thermische Ermüdung erfolgen.

Polynome zur Berechnung der Grundwertreihe (Thermospannung Typ K)

Die Thermospannung U th der Grundwertreihe wird nach DIN EN Teil 1 bzw. IEC 584 Teil 1 einer Gleichung mit mehreren Polynomen errechnet. Für > 0 °C gilt das Polynom:

<math>U_{th} = b0 + \sum (b_i \cdot + c_0 \cdot e^{c_1 \cdot (t - 9686)^2}\;in\;10^{-6}\;\mathrm{V}</math>.

Für Temperaturen < 0 °C gilt Polynom:

<math>U_{th} = \sum (a_i \cdot t^i)\;in\;10^{-6}\;\mathrm{V}</math>

Faktor 0 °C bis 1372 °C

i

a1

3 9450128025E+01

1
a2 2 3622373598E-02 2
a3 -3 2858906784E-04 3
a4 -4 9904828777E-06 4
a5 -6 7509059173E-08 5
a6 -5 7410327428E-10 6
a7 -3 1088872894E-12 7
a8 -1 0451609365E-14 8
a9 -1 9889266878E-17 9
a10 -1 6322697486E-20 10
  0 °C bis 1372 °C  
b0 -1 7600413686E+01  
b1 +3 8921204975E+01 1
b2 +1 8558770032E-02 2
b3 -9 9457592874E-05 3
b4 +3 1840945719E-07 4
b5 -5 6072844889E-10 5
b6 5 6075059059E-13 6
b7 -3 2020720003E-16 7
b8 9 7151147152E-20 8
b9 -1 2104721275E-23 9
     
c0 1 1859760000E+02  
c1 -1 1834320000E-04  

Die Anwendung ergibt z. B. für °C eine Thermspannung von -3553 63 * V und für +100 °C die Spannung 23 * 10-6 V.



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