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Temperatur

Thermoelement

 

Wie geht das?

 

Messung mit Thermoelementen

 

Ist in einem elektrischen Leiter ein Temperaturgefälle vorhanden, erzeugt der Wärmefluss einen Elektronenfluss und eine EMK wird in diesem Bereichgeneriert. Die Größe und Richtung der EMK (Elektromotorische Kraft) wird von Größe und Richtung des Temperaturgefälles und dem Material des elektrischen Leiters bestimmt (Seebeck Effekt). Die Spannung an den Enden des Leiters ist die Summe der in diesem Leiter erzeugten Einzel-EMK's.

 

In einem Thermoelement der Praxis werden daher zwei Materialien (Thermopaar)mitunterschiedlichen EMK/Temperatur - Charakteristika kombiniert, um eine brauchbare Ausgangsspannung zu erzielen.

 

·      Messstelle

·      Thermopaar

·      Ausgleichsleitung

·      Vergleichsstelle

·      Kupferleitung

 

 

Es wird die EMK, erzeugt von der Temperaturdifferenz zwischen der Messtemperatur und der Temperatur der Sog. Freien Enden der Thermoschenkel, die sich u.U. im Anschlusskopf befinden, gemessen. Da der Anschlusskopf in den meisten Fällen Temperaturschwankungen ausgesetzt ist, müssen diese Temperaturen entweder mit Hilfe des Kopftransmitters erfasst werden (interne Temperaturkompensation)oder die weiterführende elektrische Leitung muss die gleichen thermoelektrischen Eigenschaften aufweisen wie das Thermopaar selbst. Dieses Bindeglied ist die Ausgleichs- bzw. Thermoleitung.

 

Die jenige Stelle, an der das Auswertegerät angeschlossen ist, bzw. die Referenztemperaturerfasst wird, ist die Vergleichsstelle.

 

Wie bereits zuvor erläutert, erzeugt das Thermopaar ein Signal, das sich auf die Temperaturen der zwei Verbindungsstellen bezieht. Damit das Ganze als Absolutwertmessung funktioniert, muss die Vergleichsstelle entweder gemessen und entsprechend korrigiert werden, oder sie muss auf einer bekannten Temperaturkonstantgehalten werden. Eine Möglichkeit für die letztere Version (noch häufig in Laboratorien in Gebrauch) ist das Eintauchen der Vergleichsstelle in ein Gefäß mit schmelzendem Eis.

 

 

Abb.: Vergleichsstelle

 

Im industriellen Einsatz hat sich bewährt, die Temperatur der Vergleichsstelle mit einem Temperaturfühler zu erfassen, und mittels der Elektronik des Auswertegerätes entsprechend zu korrigieren.

 

Thermoelementwerkstoffe

 

Nahezu alle elektrischen Leiter haben thermoelektrische Eigenschaften. In internationalen Standards sind die Werkstoffe zur Temperaturmessung festgelegt. Thermopaare(Thermoelemente)sind für Temperaturbereiche von -270 bis über 2300°C verfügbar.

 

Die standardisierten Thermoelemente sind in dreiunterschiedliche Klassen eingeteilt .Die Grenzabweichungen der Thermospannungen gelten für ein Thermopaar mit Leitern, üblicherweise von 0,25 bis 3mm Æ , unter der Voraussetzung, dass die Vergleichsstelle 0 °C ist, und die Messstelle der entsprechenden Temperatur ItI ausgesetzt ist. Üblicherweise wird im industriellen Bereich die Klasse 2verwendet. Nachfolgend die Auflistung der Grenzabweichungen nach DIN EN 60584T.2

 

 

Toleranzklasse gemäß: Europäische Norm EN 60584-2 : 1996

 

Typ

Klasse 1

Klasse 2

K (NiCr - Ni)

40 °C bis 375°C +/- 1,5 K

375°C bis 1000°C +/- 0,4 %

-40°C bis 333°C +/-2,5 K

333°C bis 1200°C +/- 0,75%

N (NiCrSi - NiSi)

-40 °C bis 375°C +/- 1,5 K

375°C bis 1000°C +/- 0,4 %

-40°C bis 333°C +/-2,5 K

333°C bis 1200°C +/- 0,75%

J (Fe - CuNi)

-40 °C bis 375°C +/- 1,5 K

375°C bis 750°C +/- 0,4 %

-40°C bis 333°C +/-2,5 K

333°C bis 750°C +/- 0,75%

R (Pt13%Rh - Pt)

0 °C bis 1100°C +/- 1,5 K

1100°C bis 1600°C +/- 0,4 %

0°C bis 600°C +/-1,0 K

600°C bis 1600°C +/- (0,3%-2,3°C)

S (Pt10%Rh - Pt)

0 °C bis 1100°C +/- 1,0 K

1100°C bis 1600°C
+/- (0,3 %-2,3°C)

0°C bis 600°C +/-1,5 K

600°C bis 1600°C +/- 0,25%

T (Cu - CuNi)

-40 °C bis 125°C +/- 0,5 K

125°C bis 350°C +/- 0,4

-40°C bis 133°C +/-1,0 K

133°C bis 350°C +/- 0,75%

B (Pt30%Rh - Pt6%Rh)

--------------------------

600°C bis 1700°C +/-0,25%

E (NiCr - CuNi)

-40 °C bis 375°C +/- 1,5 K

375°C bis 800°C +/- 0,4 %

-40°C bis 333°C +/-2,5 K

333°C bis 900°C +/- 0,75%

 

Hochgenaue Messungen

 

Der Fakt, dass das Ausgangssignal eines Thermoelementes das Ergebnis einer räumlichen Entfernung mit Temperaturgradienten ist, birgt wichtige Implikationen, wenn hohe Genauigkeit gefragt ist. Es ist für hoch genaue Messungen erforderlich, jedes Thermoelement für sich gegen eine -besser mindestens drei - bekannte Bezugstemperaturen zu kalibrieren. Diese Kalibration kann in einem Flüssigkeitsbad oder einem Ofen mit Isothermen Konditionen erfolgen.

 

 

Abb. Thermonormen für Ausgleichsleitung