Thermoelemente

Thermoelemente werden sehr häufig für Temperaturmessungen eingesetzt, die wiederum zu den häufigsten Prüfaufgaben gehören. Auch im täglichen Leben benutzen wir Thermoelemente, beispielweise wenn wir beim Grillen die Fleischtemperatur wissen wollen (Abb. 1a).

Aufbau eines Thermoelements

Ein Thermoelement (Abb. 1b) ist ein Paar elektrischer Leiter aus unterschiedlichen Metallen, die an einem Ende miteinander verbunden sind. An den freien Enden wird bei einer Temperaturdifferenz entlang der Leiter eine elektrische Spannung erzeugt (das Seebeck-Effekt), aus sich die Temperatur ermitteln lässt. Diese Spannung ist vergleichsweise klein und liegt im Bereich einiger 10 µV pro 1°C Temperaturdifferenz.  Die verschiedenen Thermopaare dienen, entsprechend ihren Eigenschaften, für Messungen in unterschiedlichen Temperaturen. Insgesamt stehen viele Sensoren für Temperaturen von -270°C bis 3300°C zur Verfügung. Sie sind für technische Anwendungen genormt und werden mit Buchstaben bezeichnet. Der jeweils positive Leiter wird zuerst angegeben; er weist ein positives Potential gegenüber dem anderen Leiter.

                                        Abb.1 Thermoelemente a) Einsatzbeispiel, b) Ausführung basierend auf NiCr-Legierungen                                                                      

Typische Thermopaare

Ein Thermoelement benötigt also immer zwei Metalle, genauer gesagt ein aufeinander abgestimmtes Metall-Paar. Welche Metalle sind dafür geeignet? Betrachten wir hier beispielsweise vier bekannte Thermopaare.

Nickel/Chrom – Nickel (Typ K)
Diese Metall-Paarung wird am meisten eingesetzt. Von allen unedlen Thermoelementen weist sie den größten Einsatzbereich und eine gute Langzeitstabilität auch in oxidierender Umgebung auf. Die Empfindlichkeit des Thermopaares von durchschnittlich 40 μV/°C ist auch beachtlich.
In der Praxis werden für dieses Thermoelement zwei magnetische Legierungen mit den Handelsnamen Chromel und Alumel verwendet (Abb. 1b). Chromel ist eine Legierung aus 90% Nickel und ca. 9,5% Chrom, der restliche Anteil besteht aus Eisen und Silizium. Chromel bildet die elektrisch positive Seite des Thermoelements. Alumel ist eine Legierung bestehend aus 91% Nickel, 2 % Silizium, 4 % Aluminium und 3 % Mangan besteht und die negative Seite des Thermoelements ist.
Bei Nickelbasierten-Thermoelementen stellen sich unterschiedliche Ordnungszustände ein. Man spricht in diesem Zusammenhang vom K-Zustand (geordneter Zustand) und dem U-Zustand (ungeordneter Zustand).

Bei Thermoelementen auf Nickel-Basis muss eine Besonderheit berücksichtigt werden. Es geht um die Änderung des Verhaltens vom ferromagnetischen zum paramagnetischen Zustand, die von der Temperatur und Abkühlungsgeschwindigkeit der Legierung hervorgerufen wird. Dieses Verhalten ist auch für andere Nickellegierungen sowie für andere magnetische Metalle bekannt.

Diese Zustandsänderung tritt nach Überschreiten einer bestimmten Temperatur, der Curie-Temperatur auf. Bei reinem Nickel tritt der paramagnetische Zustand ab 372°C auf. Auch die Nickel- Chrom Legierung besitzt zwei Zustände, die sie annehmen kann. Man unterscheidet zwischen dem ferromagnetischen „K-Zustand“ und dem paramagnetischen „U-Zustand“. In beiden Zuständen wird eine reproduzierbare Thermospannung erzeugt, aber die Abweichungen können bis zu 5°C betragen, wobei im K -Zustand höhere Werte angezeigt werden.

Kupfer-Konstantan (Typ T)
Das zweite verbreitete Thermopaar besteht aus Kupfer und Konstantan und ist für Temperaturmessungen bis 400°C geeignet. Diese unedle Metall-Paarung hat Bedeutung in der Messung von tiefen Temperaturen, wo sie bis ca. –250°C häufig verwendet wird. Die Empfindlichkeit des Thermopaares ist von stark von der Temperatur abhängig, so beträgt z.B. der Wert der Thermospannung bei 20°C ca. 40 μV/K und bei 370°C schon 60 μV/K.

Kupfer (Kupfer) ist ein seit Jahrtausenden wohl bekanntes Metall. Für den Einsatz in Thermoelementen spricht weniger seine Stellung in der thermoelektrischen Spannungstabelle sondern seine Häufigkeit. Obwohl der Schmelzpunkt von Kupfer bei ca. 1100°C liegt, ist es nicht für Messungen bis zu diesem Wert geeignet, da es bei höheren Temperaturen nicht beständig gegen Luftsauerstoff ist.

Als „Konstantan“ wird eine Legierung aus 55% Kupfer und 45% Nickel bezeichnet. In geringen Mengen sind auch Eisen, Mangan und Kobalt enthalten. Diese Zusatzelemente haben nur thermoelektrische Bedeutung und verbessern die Genauigkeit der Thermospannung. Konstantan wird insbesondere in der Elektrotechnik verwendet, wo es aufgrund seines äußerst geringen Temperaturkoeffizienten kaum seinen ohmschen Widerstand ändert (daher auch der Name). Sein höherer Schmelzpunkt als Kupfer spielt beim Thermoelement keine Rolle, da sein Einsatz ohnehin durch den Kupferanteil begrenzt ist.
Durch die Ähnlichkeit beider Metalle lässt diese Paarung sich sehr gut verlöten, was die Fertigung der Thermoelemente erleichtert.

Eisen – Konstantan (Typ J)
Eisen (Eigenschaften von Eisen) ist ebenfalls ein lange bekanntes Metall und wird in vielfältigster Weise eingesetzt. Reines Eisen zeichnet sich durch einige Eigenschaften aus, die es von den vielen anderen Metallen unterscheidet. Dazu gehören seine allotrope Modifikationsfähigkeit und die magnetische Eigenschaft.

Eisen bietet durch seinen höheren Schmelzpunkt einen größeren Temperaturmessbereich in reduzierender oder oxidierender Atmosphäre oder auch im Vakuum als ein auf Kupfer basierendes Thermoelement. Korrosionsanfälligkeit von Eisen stellt aber einen Nachteil dar. So sollen Thermoelemente des Typus J nicht unter 0°C verwendet werden, da dann erschweren die Korrosion und Nachlassen der mechanischen Eigenschaften den Einsatz. Auch Messungen in schwefelhaltiger Atmosphäre über 500°C sind, bedingt durch die Affinität des Eisens zum Schwefel, zu vermeiden. Dazu kommt noch, dass durch die Veränderung der thermoelektrischen Charakteristik in Anwesenheit von Sauerstoff und Wasser die Messung mit diesen Thermoelementen nicht langzeitstabil ist.

Die beiden Partner des Thermoelements Eisen-Konstantan lassen sich miteinander verlöten. Thermoelemente des Typs J werden überwiegend industriell eingesetzt. Ihr Messbereich liegt zwischen -250°C und +700°C. Sie verfügen über einen hohen Temperaturspannungskoeffizienten, die entstehende Thermospannung besitzt einen mittleren Wert von 53 µV/°C.
Ähnlich wie bei nickelbasierten Thermoelementen müssen auch bei den eisenbasierten Sensoren besondere Eigenschaften beachtet werden. Die Änderung der magnetischen Eigenschaften von Eisen bei ca. 740°C und seine Gitterumwandlung bei 911°C beeinflussen stark die Höhe der Thermospannung und schränken den Temperaturbereich.
Die Verbreitung der Thermoelemente des Typs J ist vor allem durch ökonomische Gründe erklärbar. Für Temperaturen bis 700°C gibt es andere Messverfahren (z. B. Widerstandsmessung), die zwar nicht so präzise, aber auch kostengünstig sind.

Platin/Rhodium – Platin/Rhodium (Typ B)
Nach drei Thermopaaren aus unedlen Metallen betrachten wir nun eine sehr edle Metall-Paarung, die auf Platin und Rhodium basiert.
Dieses Thermopaar zeigt erwartungsgemäß die höchste Beständigkeit und Einsatztemperatur der üblichen Thermoelemente. Die positive Seite bildet eine Legierung aus 94% Platin und 6% Rhodium und die negative eine Legierung aus 70% Platin mit 30% Rhodium. Jedoch ist die entstehende Thermospannung bei einer Kombination aus den gleichen Metallen sehr gering und so beträgt ihr Mittelwert nur ca. 6 μV/°C.

Platin ist ein seltenes, schmiedbares und schweres Edelmetall. Sein hoher Schmelzpunkt von 1772°C prädestiniert es für Hochtemperaturmessungen. Die edelmetalltypische chemische Trägheit verbunden mit der exzellenten Korrosionsbeständigkeit lassen auch Messungen in aggressiver Umgebung zu. Platin zeigt ein ständig paramagnetisches Verhalten und seine thermoelektrischen Eigenschaften sind über weite Temperaturbereiche sehr stabil.

Rhodium  ist ein Übergangselement der Platingruppe (dazu unser Link Rhodium - teuer und glänzend), zeigt noch bessere Eigenschaften als Platin selber. Sein Schmelzpunkt liegt um ca. 200°C über dem von Platin und seine bessere Härte bewirkt eine Steigerung der Festigkeit bei Platinlegierungen.

Rhodium ist sogar noch beständiger als Platin und reagiert erst bei 600°C mit Sauerstoff. Allerdings zerfällt sein Oxid schnell bei höheren Temperaturen. In Thermoelementen wird Rhodium vor allem wegen der Vergrößerung der Thermospannung zulegiert. Seine Zugabe im positiven sowie im negativen Paar verbessert auch die Standzeit des Thermoelements. Als Nebeneffekt vergrößert sich der Schmelzpunkt der positiven Thermoelement-Seite, in der Rhodium mit 6% vertreten ist, auf 1820°C, was den maximalen Temperaturwert festlegt.

Thermoelemente des Typs B sind für Messungen von 0 bis 1800°C geeignet und sehr genau. Sie werden gern in Hochtemperaturöfen zur Regelung der Prozesstemperatur eingesetzt.
Neben dem Typ B werden auch Thermopaare aus Platin-Rhodium-Legierung und aus reinem Platin (Typen R und S) verwendet.

Übrigens: Markennamen wie „Chromel“ oder „Konstantan“ werden in der Normung nicht mehr verwendet. Und bei alle Materialien für Thermoelemente gibt es das Problem der Alterung, insbesondere in der Nähe der maximalen Temperatur. Im Betrieb in diesem Bereich ist ihre Lebensdauer deutlich begrenzt. <<

Fotos von Bozena Arnold

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