Thermoelement - Arbeitsprinzip, Typen und Anwendungen

Ein Thermoelement ist ein Temperatursensor, der thermische Energie in elektrische Spannung umwandelt, woraus sich die Temperatur ableiten lässt. Eine genaue Temperaturmessung in industriellen Prozessen gewährleistet den effizienten Betrieb und die Sicherheit der Anlagen. Dieser Artikel befasst sich mit den Eigenschaften, der Funktionsweise, den Typen und den Anwendungen von Thermoelementen.

Inhaltsübersicht

• Thermoelement in Betrieb
• Merkmale
• Material und Typen
• Anwendungen
• Beschränkungen
• Verwendung eines Schutzrohrs mit einem Thermoelement
• FAQ

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Thermoelement in Betrieb

Ein Thermoelement ist ein Sensor zur Messung der Temperatur. Es besteht aus zwei Drähten aus verschiedenen Metallen (Abbildung 2 mit den Bezeichnungen B und C), die an einem Ende verbunden sind. Wenn die Verbindungsstelle der beiden Drähte erhitzt wird, entsteht zwischen den freien Enden der Drähte eine Spannung. Die erzeugte Spannung ist proportional zur Temperaturdifferenz zwischen der Verbindungsstelle und den freien Enden der Drähte.

Messverfahren

Um die Temperatur mit einem Thermoelement zu messen, wird ein Ende an der Stelle platziert, an der die Temperatur gemessen werden soll (die heiße Anschlussstelle, Abbildung 2, mit A gekennzeichnet), und das andere Ende wird an einer bekannten Referenztemperatur platziert (die kalte Anschlussstelle, Abbildung 2, mit D gekennzeichnet). Die vom Thermoelement erzeugte Spannung wird dann gemessen (Abbildung 2, Bezeichnung E), und die Temperatur an der heißen Verbindungsstelle kann anhand einer Kalibriertabelle berechnet werden. Die von einem Thermoelement erzeugte Spannung ist sehr gering, in der Regel nur wenige Millivolt. Daher wird häufig ein Thermoelementverstärker verwendet, um das kleine Spannungssignal des Thermoelements auf einen Pegel zu verstärken, der leicht gemessen werden kann.

Merkmale

Thermoelemente können einen breiten Temperaturbereich messen, von sehr kalt bis extrem heiß. Sie können schnell auf Temperaturschwankungen reagieren. Dadurch eignen sie sich gut für Anwendungen, bei denen schnelle Temperaturmessungen erforderlich sind.

Material und Typen

Thermoelemente werden je nach den verwendeten Materialien in verschiedene Typen eingeteilt. Diese Materialien bestimmen den Temperaturbereich, die Genauigkeit und die Kosten des Thermoelementes.

Tabelle 1: Thermoelementtypen auf der Grundlage ihrer Materialien

Typ	Thermoelektrisches Element	Temperaturbereich (𐩑C)	Temperaturbereich (𐩑F)
B	Platin (6% Rhodium)/Platin (30% Rhodium)	1370 bis 1700	2498 bis 3092
E	Chromel/Konstantan	0 bis 870	32 bis 1598
J	Eisen/Konstantan	0 bis 760	32 bis 1400
K	Chromel/Alumel	0 bis 1260	0 bis 2300
N	Nicrosil/Nisil	0 bis 1260	0 bis 2300
R	Platin (13% Rhodium)/Platin	870 bis 1450	1598 bis 2642
S	Platin (10% Rhodium)/Platin	980 bis 1450	1796 bis 2642
T	Kupfer/Konstantan	-200 bis 350	328 bis 662

Anwendungen

Thermoelemente werden aufgrund ihres großen Temperaturbereichs, ihrer Langlebigkeit und ihrer Einfachheit in verschiedenen Anwendungen zur Temperaturmessung eingesetzt.

• Industrielle Prozesskontrolle: Kontrolle der Temperatur von industriellen Prozessen, wie z. B. chemischen Reaktionen, Öfen und Backöfen
• Wissenschaftliche Forschung: Hochtemperaturmessungen werden in der physikalischen Forschung, der Luft- und Raumfahrttechnik, der Materialwissenschaft und der Umweltüberwachung eingesetzt.
• Für private und gewerbliche Anwendungen: Alltägliche Geräte und Ausrüstungen wie Thermostate, Warmwasserbereiter, Öfen und Herde, HLK-Systeme und Industriekessel
• Allgemeine Temperaturmessung: Überwachung der Temperatur von Flüssigkeiten, Gasen und Feststoffen, Messung von Temperaturgradienten, Aufzeichnung von Temperaturdaten im Zeitverlauf und Steuerung temperaturempfindlicher Prozesse

In einem Stahlwerk zum Beispiel überwachen Thermoelemente die Temperatur von Öfen, die Stahl auf hohe Temperaturen erhitzen, bevor er zu verschiedenen Produkten geformt wird. Eine genaue Temperaturkontrolle ist bei diesem Prozess entscheidend, um die Qualität und die Eigenschaften des Stahls zu gewährleisten. Zur Messung der Temperatur werden Thermoelemente in die Ofenwände oder in den geschmolzenen Stahl eingeführt. Die von den Thermoelementen erzeugte Spannung wird dann an ein Steuersystem weitergeleitet, das die Brennstoffzufuhr zum Ofen anpasst, um die gewünschte Temperatur zu halten.

Beschränkungen

Thermoelemente sind anfällig für elektrische Störungen, die ihren Betrieb beeinträchtigen können. Dies kann durch die Verwendung von abgeschirmten Kabeln und die ordnungsgemäße Erdung des Thermoelements gemildert werden.

Verwendung eines Schutzrohrs mit einem Thermoelement

Schutzhülse

Ein Schutzrohr ist eine zylindrische Vorrichtung zur Abschirmung von Temperaturmessgeräten wie z. B. Thermoelementen bei der Temperaturmessung in rauen Industrieumgebungen. Das Schutzrohr ist eine Schutzbarriere, die das Thermoelement von der Flüssigkeit trennt und die Flüssigkeit von der äußeren Umgebung isoliert. Dies schützt den Temperatursensor vor rauen Prozessbedingungen, verhindert Verschmutzung und erleichtert den Austausch des Sensors.

Wann ist ein Schutzrohr zu verwenden?

Ob für eine bestimmte Anwendung ein Schutzrohr erforderlich ist, hängt von mehreren Faktoren ab.

• Prozessbedingungen: Wenn die Prozessflüssigkeit korrosiv oder erosiv ist oder unter hohem Druck steht, ist ein Schutzrohr erforderlich, um das Thermoelement vor Schäden zu schützen.
• Temperaturbereich: Wenn die Prozesstemperatur hoch ist oder schnell schwankt, kann ein Schutzrohr die Genauigkeit des Thermoelements verbessern.
• Überlegungen zur Wartung: Wenn das Thermoelement häufig ausgetauscht werden muss, kann ein Schutzrohr diesen Vorgang erleichtern und weniger stören.
• Kosten: Schutzrohre können teurer sein als Thermoelemente, daher ist es wichtig, die Kosten des Schutzrohrs gegen seine Vorteile abzuwägen.

Ein Schutzrohr ist möglicherweise nicht erforderlich, wenn die Umgebung unbedenklich ist und der Sensor nicht häufig gewartet oder ausgetauscht werden muss. Ein Schutzrohr ist beispielsweise in einem Warmwasserbereiter für Privathaushalte in der Regel nicht erforderlich, da die Umgebung weniger rau ist und nur mäßige Temperaturen und nicht-korrosives Trinkwasser aufweist, was ein minimales Risiko für das Thermoelement darstellt. Ein Schutzrohr wird jedoch häufig in einer chemischen Verarbeitungsanlage benötigt, da dort korrosive Chemikalien, hohe Drücke und Temperaturen herrschen, die ein Thermoelement beschädigen könnten.

In unserem Übersichtsartikel über Bimetallthermometer finden Sie weitere Einzelheiten über die Funktionsweise und den Aufbau von Bimetallthermometern.

FAQ

Was ist der Unterschied zwischen einem Schutzrohr und einem Thermoelement?

Bei dem Vergleich "Schutzrohr vs. Thermoelement" ist ein Thermoelement ein Temperatursensor, während ein Schutzrohr eine Schutzhülle ist, die einen Temperatursensor vor Flüssigkeitsströmen, hohem Druck und korrosiven Umgebungen schützt.

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