Thermoelement

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Ein Thermoelement ist ein Paar metallischer Leiter aus unterschiedlichem Material, die an einem Ende verbunden sind und aufgrund des thermoelektrischen Effektes zur Temperaturmessung geeignet sind.[1] Damit erzeugt das Element elektrische Energie aus Wärme. Bei metallischen Leitern treten elektrische Spannungen im Bereich einiger Mikrovolt bis Millivolt auf.

Man spricht von Thermoelektrische Generatoren (TEG), wenn deren Hauptaufgabe nicht in der Gewinnung eines Messsignals besteht, sondern in der Bereitstellung elektrischer Energie.

Hintereinandergeschaltete Thermoelemente bilden eine Thermosäule. Die funktionelle Umkehr – Wärmeenergie pumpen mittels elektrischen Stroms – macht aus dem Thermo- ein Peltierelement.

Schaltsymbol des Thermoelements (Minus-Pol: dicke Linie)
Thermoelement (schematische Messschaltung)

Grundlagen[Bearbeiten]

Seebeck-Effekt[Bearbeiten]

Als thermoelektrischen oder Seebeck-Effekt bezeichnet man das Auftreten einer elektrischen Spannung auf Grund eines Temperaturgefälles entlang eines metallischen Leiters. Die Potentialdifferenz ist annähernd proportional zur Temperaturdifferenz und abhängig vom Leitermaterial. Um eine Spannung messen zu können, muss ein Stromkreis mit einem Rückleiter aus andersartigem Material vorhanden sein. Bei gleichem Material entstünde über beiden Leitern dieselbe Potentialdifferenz und somit im Stromkreis keine Spannung. Die Übergangsstelle auf die Kupferleitungen zum Spannungsmessgerät bekommt die Funktion einer Vergleichsstelle.

Jede zu Messzwecken erzeugte Thermospannung steht für eine Temperaturdifferenz zwischen Mess- und Vergleichsstelle.

Da die Proportionalitätskonstante eines einzelnen Leiters nicht gemessen werden kann, wird ein relativ zu Platin ermittelter thermoelektrischer Koeffizient angegeben. Dieser sogenannte k-Wert gestattet es, die Thermospannung der Metallpaarung eines Thermoelementes zu berechnen. Die nach ihm sortierten Metalle bilden die thermoelektrische Spannungsreihe, analog zur elektrochemischen Spannungsreihe, die relativ zur Wasserstoffelektrode angegeben wird.

Mathematische Beschreibung[Bearbeiten]

Der Zusammenhang zwischen elektrischer Spannung U_\mathrm{th} und Messstellentemperatur t_\mathrm M bei der Vergleichsstellentemperatur t_\mathrm V=0\,^\circ \mathrm C ist durch Normung in Gleichungen U_\mathrm{th}=f(t_\mathrm M) festgelegt, und zwar in mehreren unterschiedlichen Gleichungen für unterschiedliche Temperaturbereiche.[1] Die Kennlinien sind gekrümmt, die Gleichungen sind kompliziert, und der Zusammenhang wird in Tabellen dargestellt.

Für Überschlagsrechnungen in einem gewissen Teilbereich kann mit einer linearen Näherung gearbeitet werden. Im folgenden Beispiel wird die Spannung an einem Typ-K-Thermoelement angegeben. Dieses besteht aus einem Übergang zwischen einer Nickel-Chrom-Legierung und Nickel. Mit den thermoelektrischen Koeffizienten k_{\mathrm{NiCr}} und k_{\mathrm{Ni}} ergibt sich:

U_\mathrm{th} = (k_{\mathrm{NiCr}} - k_{\mathrm{Ni}}) \cdot \Delta t

mit

\Delta t = t_\mathrm M - t_\mathrm V

Die Koeffizienten sind allerdings selber wieder von der Temperatur abhängig.[1]

Die Auflösung der Gleichung nach t_\mathrm M =f(U_\mathrm{Th}) ist bei linearem Ansatz einfach. Für den nichtlinearen Fall gibt die Norm diese Umkehrgleichungen ebenfalls an.

Werkstoffe für Messzwecke[Bearbeiten]

Spitze eines geschweißten Thermoelementes vom Typ J
Thermoelement vom Typ K mit einem Stecker; dessen Kontaktstifte müssen aus NiCr und Ni bestehen; sie dürfen nicht vertauschbar sein
Industrielles Thermoelement in Schutzrohr mit Anschlusskopf

Bei der Auswahl einer Materialpaarung zu Messzwecken strebt man eine hohe Thermospannung, hohe Linearität und hohe Korrosionsfestigkeit bei hohen Temperaturen an. Diese Ziele sind nicht mit einer einzigen Kombination erreichbar. Daher werden je nach Einsatzzweck unterschiedliche Materialpaarungen verwendet.

International genormt sind zehn Materialpaarungen,[1] die jeweils als Thermoelementtyp durch einen Großbuchstaben gekennzeichnet werden. Weit verbreitete Thermoelementpaarungen sind:

  • Nickel-Chrom / Nickel (Typ K; häufigster Typ mit Thermospannungen zwischen −6,458 mV bei −270 °C und 52,410 mV bei 1300 °C) mit einer Empfindlichkeit von etwa 40 µV/K
  • Eisen / Kupfer-Nickel (Typ J; für Industrieanwendungen mit Thermospannungen zwischen −8,095 mV bei −210 °C und 69,553 mV bei 1200 °C) mit etwas höherer Empfindlichkeit, aber geringerer Linearität
  • Platin-Rhodium / Platin (Typen R und S; für hohe Temperaturen, bis etwa 20 mV) mit einer Empfindlichkeit von 5…12 µV/K je nach Temperatur

Der jeweils positive Leiter wird zuerst angegeben; er weist ein positives Potential gegenüber dem anderen Leiter auf bei einer positiven Temperaturdifferenz, bei der die Messstelle wärmer ist als die Vergleichsstelle.

Markennamen wie Chromel oder Konstantan werden in der Normung nicht mehr verwendet.

Für die Messung hoher Temperaturen ist die Normung durch die Aufnahme von Thermoelementen auf Wolfram-Basis bis 2500 °C ausgeweitet worden. Für die Messung niedriger Temperaturen sind Thermoelemente auf Gold-Basis entwickelt worden[2], deren Thermospannungen aber für eine einheitliche Festlegung (noch) nicht genügend reproduzierbar sind.

Zum Schutz vor kontaminierenden, korrosiven oder abrasiven Einflüssen aus der Umgebung werden Thermoelemente für den industriellen Einsatz in metallischen oder keramischen Schutzrohren hergestellt als Mantelthermoelemente oder zur leichten Austauschbarkeit als Messeinsatz für den Einbau in ein äußeres Schutzrohr mit Anschlusskopf.

Geschichte[Bearbeiten]

Das erste Thermoelement wurde 1821 von Thomas Johann Seebeck beschrieben. 1826 empfahl Antoine César Becquerel als Ergebnis seiner Forschung zur Thermoelektrizität die Verwendung eines Thermoelementes aus Platin und Palladium und führte somit als erster den Werkstoff Platin in die thermoelektrische Messtechnik ein, der bis heute der gebräuchlichste Werkstoff zum Bau von Edelmetall-Thermoelementen ist. 1885 entwickelte Henry Le Chatelier das erste Thermoelement, das in der praktischen Messtechnik Anwendung fand. Sein positiver Schenkel bestand aus einer Platin-Rhodium-Legierung mit einem Rhodiumanteil von 10 %, der negative Schenkel bestand aus reinem Platin. Dieses Thermoelement, das auch als Le-Chatelier-Thermoelement[3] bezeichnet wird, ist in unveränderter Zusammensetzung bis heute das gebräuchlichste Edelmetall-Thermoelement und als Typ S genormt.

In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts fanden vor allem Thermoelemente aus unedlen Metallen Einzug in die Praxis. Zahlreiche Paarungen wurden erforscht, um eine möglichst stabile, lineare und hohe Thermospannung zu erzeugen. In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurden die Platin-Rhodium-Thermoelemente weiterentwickelt, wobei man den Rhodiumanteil beider Schenkel variierte, um für verschiedene Einsatzbedingungen die ideale Legierung zu finden.

Ebenfalls wurden weitere Thermoelemente entwickelt, um höhere Genauigkeiten zu erzielen und den Temperatureinsatzbereich zu erweitern. Letzteres wurde vor allem durch die Entwicklung der Wolfram-Rhenium-Thermoelemente erzielt, die das erste Mal 1962 zur Messung der Wasserstofftemperatur in einem Atomreaktor eingesetzt wurden. Mit diesem Thermoelement war es erstmals möglich, Temperaturen über 2.000 °C berührend zu messen. 1963 erlangten die W-Re-Thermoelemente große Bekanntheit, als die NASA ankündigte, sie für die Temperaturmessung am Hitzeschild des Apollo-Raumschiffs einzusetzen, um dessen Temperatur beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre zu messen, wobei Temperaturen von 2.300 °C auftreten. Durch weitere Modifikationen an den W-Re-Thermoelementen gelang es 1967, auch die 3.000 °C Grenze zu überschreiten.[4]

Vergleich verschiedener Thermoelemente[Bearbeiten]

Die folgende Tabelle gibt die Eigenschaften verschiedener Typen von Thermoelementen an (weitgehend aus[1]). Die empfohlene obere Einsatztemperatur im normalen Einsatzbereich hängt vom Drahtdurchmesser ab und gilt bei den Typen K, J, N, T, E für eine kontinuierliche Einsatzdauer von 10.000 h in sauberer Luft, bei den Edelmetalltypen R, S, B für 2.000 h. Die Angaben in Klammern stehen für den erweiterten Einsatzbereich für 250 h bzw. 50 h.

Bei den Angaben zur Grenzabweichung steht t für die Celsius-Temperatur der Messstelle. Von den zwei Angaben gilt die jeweils größere, und zwar als Betragsangabe. Beispielsweise kann ein Thermoelement mit der Angabe   „1,5 °C oder 0,004×|t|“   die Temperatur bei 1000 °C bis –4 °C oder bis +4 °C falsch messen.

Typ Materialien Einsatz-
bereich
in °C
bis maximal
Definitions-
bereich
in °C
von … bis …
Grenzabweichung
in Klasse 1
Grenzabweichung
in Klasse 2
IEC-
Farbcode
BS-
Farbcode
ANSI-
Farbcode
K NiCr-Ni 700 – 1100
(850 – 1200)
−270 bis +1300 1,5 °C oder 0,004×|t|
in −40 °C bis 1000 °C
2,5 °C oder 0,0075×|t|
in −40 °C bis 1200 °C
IEC Type K Thermocouple.svg
BS Type K Thermocouple.svg
MC 96.1 K Thermocouple Grade Color Code.svg
J Fe-CuNi 400 – 600
(500 – 750)
−210 bis +1200 1,5 °C oder 0,004×|t|
in −40 °C bis 750 °C
2,5 °C oder 0,0075×|t|
in −40 °C bis 750 °C
IEC Type J Thermocouple.svg
BS Type J Thermocouple.svg
MC 96.1 J Thermocouple Grade Color Code.svg
N NiCrSi-NiSi 850 – 1200
(900 – 1250)
−270 bis +1300 1 °C oder 0,004×|t|
in −40 °C bis 1000 °C
2,5 °C oder 0,0075×|t|
in −40 °C bis 1200 °C
IEC Type N Thermocouple.svg
BS Type N Thermocouple.svg
MC 96.1 N Thermocouple Grade Color Code.svg
T Cu-CuNi 200 – 300
(250 – 350)
−270 bis +400 0,5 °C oder 0,004×|t|
in −40 °C bis 350 °C
1,0 °C oder 0,015×|t|
in −40 °C bis 350 °C
IEC Type T Thermocouple.svg
BS Type T Thermocouple.svg
MC 96.1 T Thermocouple Grade Color Code.svg
E NiCr-CuNi 440 – 690
(480 – 800)
−270 bis +1000 1,5 °C oder 0,004×|t|
in −40 °C bis 800 °C
2,5 °C oder 0,0075×|t|
in −40 °C bis 900 °C
IEC Type E Thermocouple.svg
BS Type E Thermocouple.svg
MC 96.1 E Thermocouple Grade Color Code.svg
R Pt13Rh-Pt 1400
(1600)
−50 bis +1768 1 °C oder für t > 1100 °C
1 °C + 0,003×(t−1100 °C)
in 0 °C bis 1600 °C
1,5 °C oder 0,0025×t
in 0 °C bis 1600 °C
BS Type N Thermocouple.svg
BS Type R Thermocouple.svg
nicht definiert
S Pt10Rh-Pt 1400
(1600)
−50 bis +1768 1 °C oder für t > 1100 °C
1 °C + 0,003×(t−1100 °C)
in 0 °C bis 1600 °C
1,5 °C oder 0,0025×t
in 0 °C bis 1600 °C
BS Type R Thermocouple.svg
nicht definiert
B Pt30Rh-Pt6Rh 1500
(1700)
0 bis +1820 1,5 °C oder 0,0025×t
in 600 °C bis 1700 °C
nicht definiert nicht definiert nicht definiert
C W5Re-W26Re 0 bis 2315 0,01×t
in 426 °C bis 2315 °C
A W5Re-W20Re 0 bis 2500 0,01×t
in 1000 °C bis 2500 °C
AuFe-NiCr −272 – +300 nicht verfügbar Reproduzierbar sind 0,2 % der Spannung; jeder Sensor muss individuell kalibriert werden.

Für die Messung tiefer Temperaturen können Grenzabweichungen auch noch bis −200 °C garantiert werden für besonders selektiertes Material der Typen T, E, K, N in einer Klasse 3.

Die Ordnungszustände von NiCr-Ni-Thermoelementen[Bearbeiten]

Bei NiCr-Ni-Thermoelementen stellen sich unterschiedliche Ordnungszustände ein, die von der Temperatur und Abkühlungsgeschwindigkeit der NiCr-Legierung hervorgerufen werden. Man spricht in diesem Zusammenhang vom K-Zustand (geordneter Zustand) und dem U-Zustand (ungeordneter Zustand). In beiden Zuständen erzeugt das Thermoelement eine reproduzierbare Thermospannung, aber die Abweichungen untereinander können bis zu 5 K betragen. Die NiCr-Legierung weist ein kubisch-flächenzentriertes Kristallgitter auf. Im K-Zustand bilden Chrom-Atome die Ecken und die Nickel-Atome liegen im Zentrum der Flächen. Dieser Zustand stellt sich immer bei Temperaturen über 600 °C ein. Lässt man das Thermoelement mit einer Geschwindigkeit kleiner als 100 K/h im Bereich von 600 … 400 °C abkühlen, so ergeben sich „Störungen“ im Kristallgitter, d. h. Nickel-Atome an den Ecken der Struktur und Chrom-Atome im Zentrum. Diese Anordnung bezeichnet man als U-Zustand. Bei höheren Abkühlgeschwindigkeiten, haben die Atome keine Zeit aus dem geordneten Zustand auszubrechen. Da Temperatur in der messtechnischen Praxis aber eine sehr träge Größe ist, kühlen NiCr-Ni-Thermoelemente in der Regel zu langsam ab, und es stellt sich unterhalb 600 °C der U-Zustand ein. Dieser Effekt kann durch Zulegierung von Silizium soweit minimiert werden, dass er messtechnisch vernachlässigbar ist. Dies ist beim Thermoelement Typ N, NiCrSi-NiSi, realisiert worden, das aber trotzdem nur langsam Einzug in die messtechnische Praxis findet.[5]

Wirkungsgrad[Bearbeiten]

Die erzeugte Spannung U_\mathrm{th} hängt ab von der Temperaturdifferenz  \Delta T = T_\mathrm h - T_\mathrm l und dem Seebeck-Koeffizienten \alpha:

U_\mathrm{th} = \alpha \, \Delta T

Die dimensionslose Kennzahl ZT (engl. figure of merit) bestimmt den Wirkungsgrad \eta. ZT wächst quadratisch mit \alpha und linear mit der mittleren absoluten Einsatz-Temperatur. Sie ist umso größer, je größer die spezifische elektrische Leitfähigkeit \sigma und je kleiner die spezifische Wärmeleitfähigkeit \lambda ist:

ZT = \frac{\alpha^2 \, T \, \sigma}\lambda

Und für den Wirkungsgrad gilt:

\eta = \frac{\sqrt{1+ZT} - 1}{\sqrt{1+ZT} + T_\mathrm{l}/T_\mathrm{h}} \, \eta_\mathrm{carnot}

mit

\eta_\mathrm{carnot} = \frac{T_\mathrm{h} - T_\mathrm{l}} {T_\mathrm{h}}

Im Idealfall ist ZT unendlich und \eta_\mathrm{carnot} der maximale Wirkungsgrad.

Beispiel: Bei einer Einsatztemperatur von T_\mathrm h = 500\;\mathrm K, einer Umgebungstemperatur von T_\mathrm l = 300\;\mathrm K und einer Gütezahl ZT von 1 beträgt der Wirkungsgrad 20\,\% des Carnot-Wirkungsgrads von 40\,\%, insgesamt also maximal 8\,\%. Bei ZT = 2 steigt er auf 30\,\% des Carnot-Wirkungsgrades also insgesamt 12\,\%. Im Einsatz werden bisher Wirkungsgrade kaum größer als 5\,\% erreicht.

In Metallen korreliert die elektrische mit der thermischen Leitfähigkeit, da bei beiden die Beiträge durch Elektronen dominieren. Gemäß der Wiedemann-Franzschen Abschätzung liegt der Kehrwert von T \sigma / \lambda, die Lorenzzahl, bei 2{,}5 \cdot 10^{-8} \; \mathrm{V^2/K^2}. ZT hängt nur vom Seebeck-Koeffizienten ab. Für Metalle ist er deutlich kleiner als 100\,\mu\text{V}/\text{K} und damit ZT deutlich kleiner als 0{,}4. Bei Halbleitern lassen sich phononischer und elektronischer Anteil und damit die beiden Leitfähigkeiten entkoppeln. Hochdotierte Halbleiter und Quantentopf-Nanostrukturen erreichen im Labor ZT-Werte von 1{,}5 bis 2{,}6.

Anwendungen[Bearbeiten]

Temperaturmessung[Bearbeiten]

Dieses Datenerfassungsgerät kann bis zu 60 Thermospannungen messen
Ein offener Einschub für das Datenerfassungsgerät mit 20 angeschlossenen Thermoelementen

Temperaturdifferenz[Bearbeiten]

Bei einer Messschaltung wie im Bild am Artikelanfang entstehen durch Übergänge auf Kupferleiter – häufig identisch mit dem Eingang des Messgeräts – drei unterschiedliche Materialkombinationen: A→B, B→Cu, Cu→A. Bei gleicher Temperatur an beiden Anschlussklemmen fällt das Kupferpotential aus der Rechnung heraus, und es bleibt an dieser Stelle übrig die Potentialdifferenz zwischen Metall A und Metall B. Damit übernehmen die Anschlussklemmen die Funktion der Vergleichstelle. Mittels sogenannter Ausgleichsleitungen kann die Vergleichsstelle an einen entfernteren Ort verlegt werden. Diese Ausgleichsleitungen bestehen aus identischem Thermomaterial oder aus preiswerteren Metall-Leitungen, die in einem begrenzten Temperaturbereich dieselben thermoelektrischen Koeffizienten wie die jeweiligen Thermoelement-Drähte besitzen.

Temperatur statt Temperaturdifferenz[Bearbeiten]

Da mit Hilfe eines Thermoelementes nur eine Temperaturdifferenz ermittelt werden kann, sind zur Messung der Temperatur weitere Maßnahmen notwendig. Man spricht hierbei von einer Kaltstellenkompensation (englisch cold junction compensation; CJC). Im einfachsten Fall wird die Temperatur an den Drahtenden (Übergabepunkt) ermittelt; zur gemessenen Thermospannung wird in einer Tabelle die Temperaturdifferenz abgelesen; diese wird mit der Temperatur am Übergabepunkt addiert. Diese Verfahren setzt eine lineare Näherung für die Kennlinie voraus.

Für viele Messzwecke ist der Zusammenhang zwischen Thermospannung und Temperaturdifferenz nicht genügend linear. Vor Anwendung der Tabelle ist die Bezugstemperatur zu beachten, ab der die Tabelle berechnet ist (0 mV meistens bei 0 °C). Bei einem Unterschied zwischen Vergleichsstellen- und Bezugstemperatur ist die gemessene Spannung vor der Anwendung der Tabelle zu korrigieren um den Tabellenwert zur Vergleichsstellentemperatur. Bei gekrümmter Kennlinie gilt zur Einrechnung der Vergleichstelle die Regel:

  • Die Addition von Teilspannungen führt korrekt auf die Gesamtspannung. Die Addition der zugehörigen Tabellenwerte der Teiltemperaturen führt nicht auf die Gesamttemperatur!

Die Thermospannung kann durch einen geeigneten Verstärker aufbereitet werden, um sie belastbar weiterverbreiten zu können. Handelsübliche Messumformer verstärken und berücksichtigen zusätzlich den nichtlinearen Zusammenhang zwischen Thermospannung und Temperatur und nehmen zu einer festgelegten Vergleichsstellentemperatur eine Linearisierung zwischen Ausgangssignal und Temperatur vor.

Einbeziehung der Vergleichsstellentemperatur[Bearbeiten]

Geschlossener Stromkreis zur Messung mit zwei Elementen aus den Metallen A und B
Kaltstellenkompensation in einem Messgerät. In der weißen Wärmeleitmasse zwischen den beiden Metallkontakten (Sensoranschluss) ist ein Temperatursensor eingebettet, der die Temperatur am Übergabepunkt misst

Zur Messung der Vergleichsstellentemperatur kann zum Thermoelement ein zweites Thermoelement desselben Typs gegenpolig in Reihe geschaltet werden. Wird dessen Temperatur stabil auf einem bekannten Wert gehalten werden (z. B. in Eiswasser für 0 °C oder in Vergleichsstellen-Thermostat für 50 °C), dann wird diese Temperatur zur stabilen Vergleichsstellentemperatur.

Ein Stromkreis mit zwei Thermoelementen enthält erst einmal zwei Metallübergänge (Mess- und Vergleichsstelle), deren Thermospannungen entgegengesetzt gerichtet sind. Hinzu kommen zwei weitere Übergänge, wenn ein Spannungsmesser angeschlossen wird. Bei gleichen Klemmentemperaturen entstehen daran zwei gleiche Thermospannungen, die sich gegenseitig aufheben; die Temperatur der Anschlussklemmen am Spannungsmessgerät ist ohne Bedeutung.

Alternativ zum zweiten Thermoelement wird eine Kompensationsschaltung mit einem Temperatursensor verwendet, die ein Spannung liefert so groß wie von einem Thermoelement. Beispielsweise erzeugt sie im Bereich 0 bis 50 °C so viel Spannung wie ein Thermoelement des benötigten Typs bei einer Temperaturdifferenz zu 20 °C. Damit simuliert sie eine feste Vergleichsstellentemperatur von 20 °C.

Als dritte Möglichkeit wird heute zwar der Anschluss des Messgeräts als Vergleichsstelle verwendet, dabei wird dessen (veränderliche) Temperatur aber zusätzlich zum Beispiel mit einem Thermistor gemessen, und der digitalisierte Messwert der Thermospannung wird numerisch korrigiert. Gleichfalls werden auch integrierte Schaltkreise verwendet, die nicht nur als Verstärker für die gemessene Spannung dienen, sondern auch schaltungstechnisch die Vergleichsstellentemperatur kompensieren – vorausgesetzt, sie haben dieselbe Temperatur wie die Anschluss-/Vergleichsstelle. Dieses Verfahren wird häufig in Digitalmultimetern angewandt, die zur Temperaturmessung mit einem Thermoelement ausgerüstet sind.

Alterung von Thermoelementen[Bearbeiten]

Thermoelemente werden oft bei hohen Temperaturen und in reaktiven Ofenatmosphären eingesetzt. Hier wird die Lebensdauer in der Praxis durch Alterung begrenzt. Die thermoelektrischen Koeffizienten der Drähte im Bereich der höheren Temperatur verändern sich mit der Zeit, und die Thermospannung sinkt ab. Hier ist wichtig, dass die einfache Betrachtung der Temperaturdifferenzen zwischen den Verbindungsstellen nur gilt, wenn die Drähte ansonsten homogen sind. Bei einem gealterten Thermoelement ist aber gerade das nicht der Fall. Maßgeblich für das Entstehen der Thermospannung sind die Eigenschaften der Metalle im Bereich des Temperaturgradienten. Wird daher ein fest eingebautes gealtertes Thermoelement etwas aus dem Ofen herausgezogen, kommt das bei hoher Temperatur im Innern des Ofens gealterte Metall in den gesamten Bereich des Temperaturgradienten, und der Messfehler steigt erheblich an. Umgekehrt zeigt ein gealtertes Thermoelement, wenn es tiefer in den Ofen geschoben wird, wieder genau an.

Strahlungsmessung[Bearbeiten]

Die Hintereinanderschaltung mehrerer Thermoelemente ergibt eine Thermosäule (engl.: thermopile). Die thermoelektrische Spannung summiert sich entsprechend der Anzahl der Thermoelemente. Thermosäulen werden in empfindlichen Infrarotdetektoren und Laser-Leistungsmessern verwendet. Dabei wird die Temperaturdifferenz entlang eines Wärmeleiters (Scheibe, Kegel) gemessen, indem die Verbindungsstellen der Thermoelemente jeweils abwechselnd näher oder weiter entfernt von der Absorptionsfläche angebracht werden. Bei empfindlichen Aufbauten bilden die Thermoelemente selbst den Wärmeleiter.

Überwachung von Feuerungsanlagen[Bearbeiten]

Thermosicherung mit Thermoelement, Leitung mit Kontakt und Magnetschalter

In Gasherden und Gas-Durchlauferhitzern dienen Thermoelemente dazu, die brennende Flamme zu überwachen. Das durch die Flamme erwärmte Thermoelement liefert den für das elektromagnetische Offenhalten eines Brennstoffventils notwendigen elektrischen Strom. Verlischt die Flamme, erkaltet das Thermoelement, das Elektromagnetventil schließt, die weitere Brennstoffzufuhr wird unterbrochen. Die Methode hat den Vorteil, dass sie keine Hilfsenergie benötigt. Nachteil dieses Systems ist, dass es sehr träge reagiert und damit eine gewisse Gasmenge ausströmen kann.

In Heizungsanlagen wurde diese Thermosicherung wegen ihrer Trägheit durch Zündsicherungen ersetzt, die die Ionisierung der Flamme beziehungsweise deren Leitfähigkeit überwachen. Sie reagieren schneller, benötigen jedoch eine Hilfsenergiequelle.

Rechts im Bild ist das übliche Thermoelement einer solchen Thermosicherung zu sehen. Es liefert im heißen Zustand etwa 30[6]…40 mV Spannung und einen Strom von mehreren Ampere, mit dem ein spezielles Magnetventil (Elektromagnet mit zum Beispiel 16 Milliohm Spulenwiderstand), das zuvor manuell durch Eindrücken eines Knopfes geöffnet wurde, offengehalten werden kann. Beim Abkühlen fällt die Magnethaltung innerhalb 30 Sekunden wieder ab (hörbares Klicken) und das Ventil schließt.

Thermoelektrischer Generator[Bearbeiten]

Prinzipaufbau eines thermoelektrischen Generators (gleicher Aufbau wie Peltier-Element)

Die direkte Wandlung von Wärme in elektrische Energie ist mit einem „thermoelektrischen Generator“ möglich (Thermovoltaik). Statt Metallen werden hier Halbleitermaterialien verwendet (siehe Peltier-Element), wodurch sich die Effizienz gegenüber metallischen Thermoelementen wesentlich steigern lässt. Heute verfügbare thermoelektrische Elemente haben dennoch nur einen verhältnismäßig geringen Wirkungsgrad. Hinsichtlich einfachem Aufbau, Zuverlässigkeit und Lebensdauer sind sie jedoch allen anderen Verfahren überlegen.

Der Wirkungsgrad thermoelektrischer Generatoren ist nur ein Bruchteil (ca. 17 %) des Carnot-Wirkungsgrades.

Gebräuchliche Materialien sind Bi2Te3, Bleitellurid PbTe, SiGe, BiSb oder FeSi2 mit realen Wirkungsgraden zwischen drei und acht Prozent. Werkstoffe mit besseren thermoelektrischen Eigenschaften sind gegenwärtig nicht bekannt.

Um ausreichend hohe Spannungen zu erhalten, werden mehrere zwischen der kalten und der warmen Seite montierte Elemente elektrisch in Reihe geschaltet.

Mit thermoelektrischen Generatoren ausgerüstete Petroleumlampen, Petroleum-Gasbrenner oder Holzkohlegrills[7] werden als Stromquellen in abgelegenen Gebieten verwendet (z. B. zum Betrieb eines Rundfunkempfängers).

Thermoelektrische Generatoren werden auch in Radioisotopenbatterien, unter anderem für Raumsonden (z. B. wegen zu großer Entfernung von der Sonne) oder in abgelegenen Mess-Sonden, verwendet, wenn Solarzellen nicht zur Energieerzeugung eingesetzt werden können. Radioaktiver Zerfall künstlich hergestellter Radioisotope erzeugt hier die zum Betrieb erforderliche Wärme.

Autofirmen testen derzeit den Einsatz von thermoelektrischen Generatoren, um aus der Restwärme der Abgase elektrischen Strom für die Systeme von Pkw zu gewinnen. Sie könnten nach Schätzungen der Autohersteller etwa neun Prozent des verbrauchten Kraftstoffs einsparen.[8] Weitere potentielle Anwendungsgebiete sind u. a. Kraftwerke, Rechenzentren und industrielle Fertigungseinrichtungen.[9]

Siehe auch[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

  • Daniel Jänsch (Hrsg.): Thermoelektrik. Eine Chance für die Automobilindustrie. expert-Verlag, Renningen 2009, ISBN 978-3-8169-2877-5 (Haus der Technik Fachbuch).

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. a b c d e DIN EN 60584-1:2014-07: Thermoelemente – Teil 1: Thermospannungen und Grenzabweichungen (IEC 60584-1:2013)
  2. Franz X. Eder: Arbeitsmethoden der Thermodynamik: Band 1: Temperaturmessung. Springer, 1981, S. 252 ff
  3. Ralf Sube: German Dictionary of Physics
  4. László Körtvélyessy: Thermoelement-Praxis
  5. Fa. Sensycon: Mantelleitungen, S. 5 (PDF; 89 kB)
  6. http://www.propanprofi.de/index.php/cat/c114_Thermoelemente---Magneteinsaetze.html/XTCsid/89cufb6hk5r8nk7jchdtl52480
  7.  Marius Beul: Alternative Stromerzeugung (2). In: elektor. Oktober 2008, S. 8–9 (http://www.elektor.de/jahrgang/2008/oktober/mailbox-oktober-2008/jahrgang/2008/oktober/mailbox-oktober-2008.687982.lynkx).
  8. Artikel auf wiwo.de zum Einsatz im Automobil
  9. Ungenutzte Energie ernten mit flächiger Thermoelektrik. Pressemitteilung der Fraunhofer-Gesellschaft. Abgerufen am 14. Juni 2013.