Was ist ein Thermoelement sensor? Funktion, Typ und Anwendung von Thermoelementen

Ein Thermoelement ist ein Sensor zur Temperaturmessung. Es besteht aus zwei verschiedenen Metallen, die an einem Ende verbunden sind. Wenn die Verbindung der beiden Metalle erhitzt oder abgekühlt wird, wird eine Spannung erzeugt, die mit der Temperatur korreliert werden kann. Thermoelement legierungen sind allgemein in Drahtform erhältlich.
Ein Thermoelement sensor ist ein elektrisches Gerät, das aus zwei unterschiedlichen elektrischen Leitern besteht, die eine elektrische Verbindung bilden. Ein Thermoelement erzeugt durch den Seebeck-Effekt eine temperaturabhängige Spannung, die als Temperaturmessung interpretiert werden kann. Thermoelemente werden häufig als Temperatursensoren verwendet.

Kommerzielle Thermoelemente sind kostengünstig, austauschbar, werden mit Standardsteckern geliefert und können einen großen Temperaturbereich messen. Im Gegensatz zu den meisten anderen Methoden der Temperaturmessung sind Thermoelemente selbstversorgt und benötigen keine externe Erregung. Die Haupteinschränkung bei Thermoelementen ist die Genauigkeit; Systemfehler von weniger als einem Grad Celsius (°C) können schwer zu erreichen sein.

Welche verschiedenen Arten von Thermoelementen gibt es?

Ein Thermoelement ist in verschiedenen Kombinationen von Metallen oder Kalibrierungen erhältlich. Die vier gebräuchlichsten Kalibrierungen sind J, K, T und E. Es gibt Hochtemperatur kalibrierungen, die R, S, C und GB sind. Jede Kalibrierung hat einen anderen Temperatur- und Umgebungsbereich, obwohl die maximale Temperatur mit dem Durchmesser des im Thermoelement verwendeten Drahts variiert. Obwohl die Thermoelement kalibrierung den Temperaturbereich vorschreibt, wird der maximale Bereich auch durch den Durchmesser des Thermoelement drahts begrenzt. Das heißt, ein sehr dünnes Thermoelement erreicht möglicherweise nicht den vollen Temperaturbereich. Die Tabelle enthält internationale Farbcodes für Thermoelement legierungen, Temperaturbereiche und Fehlergrenzen für fast alle Thermoelement typen.

Thermoelemente sind in Wissenschaft und Industrie weit verbreitet. Zu den Anwendungen gehören die Temperaturmessung für Öfen, Gasturbinenabgase, Dieselmotoren und andere industrielle Prozesse. Thermoelemente werden auch in Haushalten, Büros und Unternehmen als Temperaturfühler in Thermostaten sowie als Flammenfühler in Sicherheitseinrichtungen für gasbetriebene Geräte verwendet.


Wie wähle ich einen Thermoelement typ aus?
Da ein Thermoelement weite Temperaturbereiche misst und relativ robust sein kann, werden Thermoelemente sehr häufig in der Industrie eingesetzt. Die folgenden Kriterien werden verwendet, um ein Thermoelement auszuwählen:

Temperaturbereich
Chemische Beständigkeit von Thermoelement oder Mantelmaterial
Abrieb- und Vibrationsbeständigkeit
Installation anforderungen (müssen möglicherweise mit vorhandener Ausrüstung kompatibel sein; vorhandene Löcher können den Sondendurchmesser bestimmen)

Woher weiß ich, welche Art von Gewerkschaft ich wählen soll?
Ummantelte Thermoelement sonden sind mit einer von drei Anschlussarten erhältlich: geerdet, ungeerdet oder freigelegt. An der Spitze einer Erdungssonde sind die Thermoelement drähte physisch an der Innenseite der Sondenwand befestigt. Dadurch wird eine gute Wärmeübertragung von außen durch die Sondenwand zum Thermoelement-Anschluss erreicht. Bei einer ungeerdeten Sonde ist die Thermoelement verbindung von der Sondenwand getrennt. Die Reaktionszeit ist langsamer als die geerdete Ausführung, aber die nicht verbundene Ausführung bietet eine elektrische Isolierung (siehe Tabelle unten).

Isolations widerstand bei Raumtemperatur Ungeerdetes Thermoelement
Nenndurchmesser des Mantels	angelegte Gleichspannung min.	Isolation widerstand min.
Menos de 0.90 mm (0.03 pulg.)	50 V	100 M Ohmios
0.80-1.5 mm (0.030 a 0.059 pulg.)	50 V	500 M Ohmios
Mayor de 1.5 mm (0.059 pulg.)	500 V	1000 M Ohmios

Das Thermoelement in der Ausführung mit freiliegender Verbindung tritt an der Spitze des Mantels aus und ist der Umgebung ausgesetzt. Dieser Typ bietet die beste Reaktionszeit, ist jedoch auf den Einsatz in trockenen, nicht korrosiven und drucklosen Anwendungen beschränkt.

Wie ist die Reaktionszeit?

Eine Zeitkonstante ist definiert als die Zeit, die ein Sensor benötigt, um unter bestimmten Bedingungen 63,2 % eines Temperatursprungs zu erreichen. Damit sich der Sensor 100 % des Tonhöhenänderung werts nähert, sind fünf Zeitkonstanten erforderlich. Ein Thermoelement mit exponierter Sperrschicht reagiert am schnellsten. Je kleiner der Durchmesser der Sondenhülse ist, desto schneller ist die Reaktion, aber die maximale Temperatur kann niedriger sein. Beachten Sie jedoch, dass die Sondenhülse manchmal nicht dem vollen Temperaturbereich des Thermoelement typs standhält.

Material	Maximale Temperatur	Anwendungs Atmosphäre
		Oxidationsmittel	Wasserstoff	Leer	Untätig
304 Edelstahl	900 °C (1650 °F)	Sehr gut	Gut	Sehr gut	Sehr gut
Inconel 600	1148 °C (2100 °F)	Sehr gut	Gut	Sehr gut	Sehr gut

Thermoelemente Typen

Bestimmte Kombinationen von Legierungen haben sich als Industriestandards durchgesetzt. Die Auswahl der Kombination richtet sich nach Kosten, Verfügbarkeit, Zweckmäßigkeit, Schmelzpunkt, chemischen Eigenschaften, Stabilität und Leistung. Unterschiedliche Typen eignen sich am besten für unterschiedliche Anwendungen. Sie werden normalerweise auf der Grundlage des erforderlichen Temperaturbereichs und der erforderlichen Empfindlichkeit ausgewählt. Thermoelemente mit geringer Empfindlichkeit (B-, R- und S-Typ) haben entsprechend geringere Auflösungen. Andere Auswahlkriterien umfassen die chemische Inertheit des Thermoelement materials und ob es magnetisch ist oder nicht. Die Standard-Thermoelement typen sind unten aufgeführt, wobei die positive Elektrode zuerst angenommen wird, gefolgt von der negativen Elektrode.

Nickel legierungs-Thermoelemente
Charakteristische Funktionen für Thermoelemente, die Zwischen temperaturen erreichen, wie sie durch die Thermoelemen ttypen E, J, K, M, N, T aus Nickel legierung abgedeckt werden. Gezeigt werden auch die Edelmetall legierung Typ P und die reinen Edelmetall kombinationen Gold-Platin und Platin-Palladium.


Typ E
Typ E (Chromel-Konstantan) hat eine hohe Ausgangsleistung (68 µV/°C), wodurch er sich gut für den kryogenen Einsatz eignet. Außerdem ist es nicht magnetisch. Der breite Bereich ist -270 °C bis +740 °C und der schmale Bereich -110 °C bis +140 °C.

Typ J
Typ J (Eisen-Konstantan) hat einen eingeschränkteren Bereich (−40 °C bis +750 °C) als Typ K, aber eine höhere Empfindlichkeit von etwa 50 µV/°C. Der Curie-Punkt des Bügeleisens (770 °C) bewirkt eine sanfte Änderung der Kennlinie, die die obere Temperaturgrenze bestimmt. Beachten Sie, dass der europäisch/deutsche Typ L eine Variante des Typs J ist, mit einer anderen Spezifikation für den EMF-Ausgang.

Typ K
Typ K (Chromel-Alumel) ist das gebräuchlichste Allzweck-Thermoelement mit einer Empfindlichkeit von ca. 41 µV/°C.[11] Er ist kostengünstig und im Bereich von −200 °C bis +1350 °C (−330 °F bis +2460 °F) ist eine Vielzahl von Sonden erhältlich. Typ K wurde zu einer Zeit spezifiziert, als die Metallurgie weniger fortgeschritten war als heute, und folglich können die Eigenschaften zwischen den Proben erheblich variieren. Eines der konstituierenden Metalle, Nickel, ist magnetisch; Thermoelemente aus magnetischem Material zeichnen sich dadurch aus, dass sie beim Erreichen des Curie-Punkts des Materials eine Leistungsabweichung aufweisen, die bei Thermoelementen des Typs K bei etwa 185 °C auftritt.

Sie funktionieren sehr gut in oxidierenden Atmosphären. Trifft jedoch eine überwiegend reduzierende Atmosphäre (zB Wasserstoff mit wenig Sauerstoff) auf die Drähte, oxidiert das Chrom in der Chromel-Legierung. Dies reduziert die EMK-Ausgabe und das Thermoelement liest niedrig. Dieses Phänomen wird aufgrund der Farbe der betroffenen Legierung als Grünfäule bezeichnet. Obwohl nicht immer auffallend grün, entwickelt der Chromeldraht eine silbrig-melierte Haut und wird magnetisch. Eine einfache Möglichkeit, dieses Problem zu überprüfen, besteht darin, zu sehen, ob die beiden Drähte magnetisch sind (normalerweise ist Chromel nicht magnetisch).

Wasserstoff in der Atmosphäre ist die übliche Ursache für Grünfäule. Bei hohen Temperaturen kann es durch feste Metalle oder ein intaktes Metallschutzrohr diffundieren. Selbst eine das Thermoelement isolierende Hülle aus Magnesiumoxid hält den Wasserstoff nicht fern.


Typ M
Typ M (82%Ni/18%Mo–99,2%Ni/0,8%Co, nach Gewicht) werden in Vakuumöfen aus den gleichen Gründen wie bei Typ C (unten beschrieben) verwendet. Die obere Temperatur ist auf 1400 °C begrenzt. Es wird weniger häufig verwendet als andere Typen.

Typ N
Thermoelemente vom Typ N (Nicrosil-Nisil) sind aufgrund ihrer Stabilität und Oxidationsbeständigkeit für den Einsatz zwischen −270 °C und +1300 °C geeignet. Die Empfindlichkeit beträgt ca. 39 µV/°C bei 900 °C, etwas niedriger im Vergleich zu

Typ K.
Typ-N-Thermoelemente wurden von Noel A. Burley bei der Defense Science and Technology Organization (DSTO) of Australia entwickelt und überwinden die drei wichtigsten charakteristischen Typen und Ursachen der thermoelektrischen Instabilität in den standardmäßigen Grundmetall-Thermoelement materialien:

Typ T
Thermoelemente vom Typ T (Kupfer-Konstantan) eignen sich für Messungen im Bereich von −200 bis 350 °C. Wird oft als Differenzmessung verwendet, da nur Kupferdraht die Sonden berührt. Da beide Leiter nicht magnetisch sind, gibt es keinen Curie-Punkt und damit keine abrupte Kennlinienänderung. Thermoelemente vom Typ T haben eine Empfindlichkeit von ca. 43 µV/°C. Beachten Sie, dass Kupfer eine viel höhere Wärmeleitfähigkeit hat als die im Allgemeinen in Thermoelementkonstruktionen verwendeten Legierungen. Daher ist bei thermisch verankernden Thermoelementen vom Typ T besondere Vorsicht geboten. Eine ähnliche Zusammensetzung findet sich beim veralteten Typ U in der deutschen Spezifikation DIN 43712:1985-01.


Thermoelemente aus Platin/Rhodium legierung
Thermoelemente der Typen B, R und S verwenden Platin oder eine Platin/Rhodium-Legierung für jeden Leiter. Diese gehören zu den stabilsten Thermoelementen, haben jedoch eine geringere Empfindlichkeit als andere Typen, etwa 10 µV/°C. Thermoelemente vom Typ B, R und S werden aufgrund ihrer hohen Kosten und geringen Empfindlichkeit normalerweise nur für Hochtemperaturmessungen verwendet. Für Thermoelemente vom Typ R und S kann HTX-Platindraht anstelle des reinen Platinschenkels verwendet werden, um das Thermoelement zu verstärken und Ausfälle durch Kornwachstum zu verhindern, die bei hohen Temperaturen und rauen Bedingungen auftreten können.

Typ B
Thermoelemente vom Typ B (70 % Pt/30 % Rh–94 % Pt/6 % Rh, nach Gewicht) sind für den Einsatz bis 1800 °C geeignet. Thermoelemente vom Typ B erzeugen die gleiche Leistung bei 0 °C und 42 °C, wodurch ihre Verwendung unter etwa 50 °C begrenzt ist. Die EMK-Funktion hat ein Minimum um 21 °C, was bedeutet, dass die Kaltstellenkompensation leicht durchgeführt werden kann, da die Kompensationsspannung bei typischen Raumtemperaturen im Wesentlichen eine Konstante für eine Referenz ist.

Typ R
Thermoelemente vom Typ R (87% Pt/13% Rh–Pt, nach Gewicht) werden bei 0 bis 1600 °C verwendet.

Typ S
Thermoelemente vom Typ S (90%Pt/10%Rh–Pt, nach Gewicht) werden ähnlich wie Typ R bis 1600 °C eingesetzt. Vor der Einführung der Internationalen Temperaturskala von 1990 (ITS-90) wurden Präzisions-Thermoelemente vom Typ S als praktische Standardthermometer für den Bereich von 630 °C bis 1064 °C verwendet, basierend auf einer Interpolation zwischen den Gefrierpunkten von Antimon , Silber und Gold. Ab ITS-90 haben Platin-Widerstandsthermometer diesen Bereich als Standard thermometer übernommen.