Die Funktion von Thermoelementen (TCs) beruht darauf, dass zwei unterschiedliche Metalle oder Legierungen miteinander verbunden werden. Durch ihre Unterschiede bei Wärmeleitfähigkeit und Elektronenbewegung wird eine kleine Spannung im Verhältnis zur Temperaturdifferenz zwischen der Messstelle und der Vergleichsstelle erzeugt, die als thermoelektrischer oder Seebeck-Effekt bezeichnet wird. An der Messstelle oder „Heißstelle“ sind die Metalle miteinander verschweißt und an der Vergleichsstelle oder „Kaltstelle“ wird die Spannung gemessen. Da es sich um eine Differenzmessung handelt, muss die Temperatur der Kaltstelle bekannt sein, damit die tatsächliche Temperatur bestimmt werden kann.
Die von Thermoelementen erzeugte Spannung ist sehr klein und erfordert daher eine hochgenaue Elektronik im Temperaturtransmitter. Zu den genormten Paarungen von Thermoelementen gehört unter anderem der Typ K (Chromel und Alumel). Er ist sehr beliebt und erzeugt ein Signal von 45 mV bei einer Differenz von 1000 °C (1832 °F). Für höhere Temperaturen werden Thermoelemente aus Edelmetallen, z. B. der Typ S (Platin und Platin-Rhodium), verwendet, die ein Signal von 15 mV bei 1500 °C (2732 °F) erzeugen.
Studien zeigen, dass bei Thermoelementen pro Jahr eine Drift von 3 bis 6 % auftreten kann. Diese Drift entwickelt sich, weil die durch den Unterschied zwischen zwei Legierungen erzeugte Seebeck-Spannung im Lauf der Zeit abnimmt, da sich die Materialien mischen. Dies kann durch die Gasphase oder Diffusion geschehen und die Genauigkeit der Messung beeinträchtigen. Die einzige Lösung, um eine stets genaue Temperaturmessung sicherzustellen, besteht darin, die TC-Sensoren in kritischen Anwendungen regelmäßig auszutauschen.
Für Hochtemperaturmessungen empfehlen wir Thermoelemente! Hochtemperatur bedeutet über 600 Grad Celsius. Sie sind recht einfach aufgebaut. Sie sehen hier dieses alte Messgerät. Es hat keine Batterie, gar nichts. Einfach nur das Thermoelement. Wir haben hier zwei zusammengeschweißte Metalle, und wenn ich sie erhitze, sehen Sie, wie das analoge Messgerät nach oben geht, wir sehen also hohe Temperaturen. Wenn ich das lange genug mache, sehen wir die rot glühenden Thermoelemente. Machen Sie das nicht zu Hause oder im Büro! Ich kann das machen, aber bitte, tun Sie es nicht. Also, Thermoelemente. Wie funktionieren sie? Man verbindet einfach zwei verschiedene Metalle miteinander. Das ist mehr oder weniger der Trick an der Sache. Zwei Metalle oder zwei Legierungen. Durch die Veränderungen der Wärmeleitfähigkeit und der von der Wärme abhängigen Möglichkeit, dass sich Elektronen durch das innere Gefüge eines Metalls bewegen,
wird eine von der Temperatur abhängige kleine Spannung erzeugt. Dies ist ein thermoelektrischer Effekt, nach seinem Entdecker auch als Seebeck-Effekt bezeichnet. Es ist wirklich einfach herzustellen. Man schweißt einfach zwei Metalle zusammen, das ist eine Heißstelle. Auf der anderen Seite, an der Kaltstelle, misst man die erzeugten Minivolt oder Mikrovolt. Die Konstruktion ist sehr robust, aber Sie sehen, dass dies keine direkte Temperaturmessung ist. Es ist eine differenzielle Temperaturmessung, denn wir haben die Heißstelle und die Kaltstelle, und was gemessen wird, ist die Differenz zwischen beiden. Für die Messung der realen Temperatur müssen wir die Temperatur der Kaltstelle kennen. Wir müssen auch die Kennlinie des Materials kennen, dann können wir berechnen, wie hoch die Temperatur an der Heißstelle ist. Dies ist ein Grundprinzip einer Thermoelement-Messung. Die Spannung am Thermoelement ist recht klein, Mikrovolt oder Minivolt, und dafür braucht man eine ziemlich genaue Elektronik im Temperaturtransmitter.
Es gibt mehrere bereits genormte Paarungen für Thermoelemente, also zwei verschiedene Legierungen oder Metalle. Konzentrieren wir uns auf einige wenige! Der beliebteste ist der sogenannte Typ K, er besteht aus Nickel-Chrom-Nickel. Sie sehen, dass wir hier bei einer Temperaturdifferenz von 1000 Grad ein Signal von 45 Millivolt haben. Das sieht ziemlich linear aus. Für höhere Temperaturen ist Chrom-Nickel nicht mehr geeignet, dann muss man zu Edelmetall-Thermoelementen wechseln, normalerweise Platin. Platin zusammen mit Rhodium. Am beliebtesten ist hier der Typ S. Beim Typ S haben wir Platin auf einer Seite und Platin-Rhodium auf der anderen Seite; und bei einer Differenz von zum Beispiel 1500 Grad Celsius haben wir ein Signal von nur 15 Millivolt. Sie können hier ganz klar sehen, dass es eine Kurve ist. Das ist nicht linear, dazwischen haben wir also ein ziemlich kompliziertes Verhalten. Insbesondere im negativen Temperaturbereich können Sie deutlich sehen, dass das Verhalten dieser Thermoelemente einer Kurve entspricht.
Platin ist natürlich ziemlich teuer. Das nimmt man nur, wenn der Typ K nicht mehr geeignet ist, besonders bei hohen Temperaturen. Man muss davon ausgehen, dass Drift auftritt. In der Literatur heißt es, dass sie innerhalb eines Jahres drei bis sechs Prozess des Messwerts ausmachen könnte. Damit muss man leben! Wie kann das sein? Wie funktioniert das im wirklichen Leben? Die Theorie dahinter ist, dass ein Thermoelement auf der Differenz zwischen zwei neuen Drähten, zwei neuen Legierungen basiert. In diesem Beispiel ist, wenn das Thermoelement neu ist, ein Draht rot, der andere ist blau, weil ihre Legierungen verschieden sind. Dieser Unterschied erzeugt die Seebeck-Spannung, den thermoelektrischen Effekt. Nach einem Jahr in rotglühender Umgebung könnten seltsame Dinge passieren. Weil diese beiden Legierungen Material austauschen. Nach einem halben Jahr, nach einem Jahr, haben wir also nicht mehr Rot und Blau. Wir haben „50 Shades of Violett“, denn das Chrom „wandert“ von einer Seite zur anderen Seite.
Am Ende nähern sich die Legierungen einander an, und deshalb erzeugen Sie weniger thermoelektrische Spannung. Die erzeugte Spannung ist im Ergebnis zu klein, und deshalb haben wir eine negative Abweichung des Sensors. Dies kann durch die Gasphase geschehen, dies kann durch Diffusion zwischen diesen beiden Legierungen gesehen, durch die mineralisolierten Kabel. Es gibt wirklich merkwürdige Effekte. Besonders bei meinen Kundenbesuchen in Glashütten habe ich gesehen, was passieren kann. Was kann man dagegen machen? Tatsächlich gar nichts... diese Diffusion wird von der Temperatur ausgelöst. Die einzige Möglichkeit, wie Sie sicher sein können, dass Ihre Temperaturmessung genau ist – Sie haben ja bei der Norm in der vorherige Folge gesehen, dass sie nur für neue Drähte gilt – Sie müssen die Thermoelemente ziemlich regelmäßig austauschen, wenn Sie sie in einer sicherheitskritischen Anwendung betreiben. Das ist das Einzige, was Sie tun können, austauschen!
