Thermocouples (TC)

Einsatzgebiete für Thermoelemente

Die exakte Temperaturmessung durch Thermoelemente oder andere Messinstrumente ist für zahlreiche Branchen von essenzieller Bedeutung. Da die Fertigungsabläufe und Produktionsstätten mit hohen Temperaturen konfrontiert sind und oft individuell aufgebaut sind, müssen die Thermoelemente jeweils den speziellen Anforderungen genügen. Daraus erklärt sich die Vielzahl an Bauweisen und Sonderanfertigungen in diesem Produktsegment. Die Auflistung der Branchen und Industriezweige, in denen Thermoelemente zum Einsatz kommen, zeigt bereits, dass die Temperaturmessung mit Thermoelementen oder anderen Messinstrumenten ausgesprochen weit verbreitet ist. Die assoziierten Branchen sind insbesondere:

• Die Glasindustrie

• Der Industrieofenbau

• Die Chemieindustrie

• Die Aluminium- und Buntmetallindustrie

• Die Müllverbrennung

• Der Anlagen- und Maschinenbau

• Die Lebensmittelindustrie

• Die Kunststoffindustrie

Thermoelemente und Widerstandsthermometer sind sogenannte berührende Messmittel, da bei diesen Verfahren die Messelemente in direktem Kontakt mit den Medien stehen, deren Temperaturen erfasst werden sollen. Beide Verfahren beruhen allerdings auf unterschiedlichen physikalischen Phänomenen. Die Grundlage der Temperaturmessung mit Thermoelementen stellt der sogenannte Seebeck-Effekt dar. Das Verfahren macht sich das physikalische Phänomen zunutze, dass bei der Verbindung von unterschiedlichen Metallen eine Spannung entsteht, die sich mit der Temperatur verändert. Der entstehende Thermostrom kann zur Bestimmung der Temperatur genutzt werden.

Temperaturmessung mit Thermoelementen

Bei der Temperaturmessung mit Thermoelementen findet die Messung im Inneren des Elementes statt. Um eine möglichst zuverlässige Messung der Temperaturen mit Thermoelementen zu erreichen, müssen das zu messende Medium und das Messinstrument exakt die gleiche Temperatur aufweisen. Diese Tatsache stellt eine der größten Herausforderungen bei der Konstruktion von Thermoelementen dar. Das Element muss so gebaut sein, dass bei bestmöglicher Erfassung der Temperatur in der jeweiligen Messumgebung ein wirtschaftlicher Betrieb mit hohen Standzeiten erreicht werden kann.

Durch Messung der elektrischen Spannung können präzise Rückschlüsse auf die Temperatur des zu messende Mediums gezogen werden. Zum Schutz der Messelemente werden metallische oder keramische Schutzrohre verwendet. Welches Material zum Schutz verwendet wird, hängt von den Umgebungsbedingungen ab. Beide Werkstoffe können auch miteinander kombiniert werden. In anderen Messumgebungen ist es möglich, auf das Schutzrohr zu verzichten. Das Thermoelement kann dann in der Regel schneller auf die Umgebungstemperatur und deren Veränderungen reagieren. Allerdings muss berücksichtigt werden, dass die Messung ohne Schutzrohr nur bei Temperaturen von 1100-1300 °C möglich ist.

Thermoelemente sind Instrumente zur Temperaturmessung, die sich den thermoelektrischen Effekt, also die gegenseitige Beeinflussung von Temperatur und Elektrizität, zunutze machen. Die Temperaturmessung beruht auf dem sogenannten Seebeck-Effekt (thermoelektrischer Effekt). Dabei handelt es sich um ein physikalisches Phänomen, das folgendermaßen zusammengefasst werden kann: Zwei Leiter aus unterschiedlichen Werkstoffen, die an einer Seite verbunden werden, erzeugen eine Spannung, wenn ein Temperaturunterschied zwischen den offenen und dem geschlossenen Ende besteht. Diese Spannung kann zur Temperaturerfassung herangezogen werden.

Thermoelemente kommen in unterschiedlichen Zusammenhängen und Branchen - oft als Alternative zu Widerstandsthermometern zum Einsatz. Sie sind in Industrie und Technik entsprechend weit verbreitet. Typische Temperaturbereiche für den Einsatz von Thermoelementen liegen zwischen -200 - 1300°C. Die Stärken von Thermoelementen zeigen sich daher insbesondere dort, wo in bestimmten Produktionsumgebungen sehr hohe Temperaturen und Temperaturschwankungen entstehen können. Sie lassen sich so konstruieren, dass sie auch in rauen Umgebungsbedingungen mit hoher mechanischer Beanspruchung eingesetzt werden können. Thermoelemente dienen in solchen Umgebungen dazu, die Temperaturen exakt zu bestimmen und ggf. bei Bedarf regulieren zu können. Aufgrund der Vielzahl an Anwendungsbereichen kommen Thermoelemente in zahlreichen unterschiedlichen Größen und Ausführungen vor.

Thermoelemente basieren auf dem Prinzip der vergleichenden Temperaturmessung. Dem grundsätzlichen Aufbau nach sind hierzu zwei metallische Leiter, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen, notwendig. Die beiden Materialien sind an einer Position (der Messstelle) miteinander verbunden. Die beiden anderen Enden der Materialien sind nicht verbunden und bilden die Vergleichsstelle. Besteht nun zwischen Messstelle und Vergleichsstelle ein Temperaturunterschied, entsteht eine geringfügige elektrische Spannung zwischen den beiden nicht verbundenen Materialenden, die sogenannte Thermospannung. Dieses Phänomen wird auch als Seebeck-Effekt bezeichnet (nach dem deutschen Physiker Thomas Johann Seebeck 1770-1831).

Das physikalische Prinzip hinter diesem Effekt beruht auf spezifischen Eigenschaften elektrisch leitender Materialien: Temperaturen, die partiell auf einen Leiter einwirken, führen zu einer Veränderung und Verschiebung der Elektronendichte innerhalb des Leitermediums, je nachdem, ob die Temperatur steigt oder fällt. Beim Einsatz unterschiedlicher Materialien entstehen unterschiedliche Verschiebungen der Elektronen in den Leitern, die durch ein elektrisches Feld ausgeglichen werden. Diese Thermospannung kann zur Messung der Temperaturdifferenz zwischen der Messstelle und der Vergleichsstelle herangezogen werden. Thermoelemente sind, wie auch Widerstandsthermometer berührende Messmittel, die direkt mit dem Messmedium in Kontakt kommen.

Die beiden Materialpaare, die zur Messung der Spannung genutzt werden, stellen zentrale Elemente eines Thermoelements dar. Der Einsatz der Materialien wirkt sich auf die entstehende Thermospannung aus und muss bei der Ermittlung der Temperatur berücksichtigt werden. Je nach Messaufgabe und Messumgebung werden unterschiedliche Materialpaare eingesetzt.  Es sind gegenwärtig über 300 Werkstoffpaare bekannt, die für die Temperaturmessung nach diesem Verfahren geeignet sind. Jedoch sind nicht alle Materialpaarungen für die industrielle Temperaturmessung geeignet. Grundsätzlich kann zwischen edlen und unedlen Materialpaarungen unterschieden werden. Zudem haben die Materialien hinsichtlich ihres Verhaltens unterschiedliche Vor- und Nachteile. Zu den häufigsten Materialpaarungen für Thermoelemente gehören:

• 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/°C (oberhalb 0 °C).
• 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 weniger linear.
• Platin-Rhodium / Platin (Typen R und S; für hohe Temperaturen, bis etwa 20 mV) mit einer Empfindlichkeit von 5…12 µV/°C je nach Temperatur.

In der DIN EN 60584-1 sind diejenigen Werkstoffe genormt, die für die industrielle Temperaturmessung geeignet sind. Die unterschiedlichen Materialien, die für Thermoelemente eingesetzt werden, lassen sich anhand ihrer Thermospannung ordnen (thermoelektrische Spannungsreihe). Hinsichtlich der Grenzabweichung gibt die DIN EN 60584-2 die Werte für verschiedene Temperaturbereiche an. Thermoelemente können mit oder ohne Schutzrohr konstruiert werden. Das Schutzrohr wird aus Keramik oder Metall gefertigt. Auch hier weisen die Materialien jeweils unterschiedliche Vor- und Nachteile in unterschiedlichen Medien und Temperaturbereichen auf.

Thermoelemente ohne Schutzrohr ermöglichen einen direkten Kontakt der Messstäbe mit dem Messmedium. Dies kann sich vorteilhaft auf die Reaktionszeiten des Messinstrumentes auswirken, erhöht jedoch auch die Empfindlichkeit der Messstäbe hinsichtlich Korrosion und mechanischer Beanspruchung. Zu den allgemeinen Anforderungen, die sich an Thermoelemente stellen, gehören:

• gute Korrosionsbeständigkeit und Robustheit
• linearer Spannungsverlauf während des Messvorganges
• breites erfassbares Temperaturspektrum
• kurze Ansprech- und Reaktionszeiten

Thermoelemente unterscheiden sich in Ihren Bauweisen, Größen und den verbauten Materialien mitunter erheblich voneinander. Neben der Konstruktion mit oder ohne Schutzrohr, der Unterscheidung zwischen Mantelthermoelemente und Thermoelementen findet eine Differenzierung der Thermoelement-Typen anhand der zur Messung eingesetzte Materialien, der Temperaturbereiche für die das Thermoelement geeignet ist, und der Grenzabweichungen statt. Nach den internationalen Normen gemäß DIN EN 60584-1 wurden 10 verschiedene Thermoelemente definiert und mit Großbuchstaben gekennzeichnet. Die folgende Übersicht stellt die gängigsten Typen vor:

Allgemein: Wie bei jedem Messinstrument können auch bei der Temperaturerfassung durch Thermoelemente Störfaktoren auftreten, die den Messprozess beeinflussen und letztlich verfälschen können. Umso wichtiger ist es, alle potentiellen Faktoren zu ermitteln, die Einfluss auf die Messung haben können. Die zwischen den Materialenden entstehende Spannung ist niedrig und entsprechend störungsempfindlich. Auch die bei der Konstruktion eines Messinstrumentes verwendeten Materialien können die Messung beeinflussen. Bei der Konstruktion von Thermoelementen ist daher eine der Herausforderungen, die Messergebnisse durch die Verwendung von neutralen Materialien nicht zu beeinflussen.

Alle Materialien müssen auf das jeweilige Thermoelement abgestimmt werden. Grundsätzlich muss immer berücksichtigt werden, dass ein Thermoelement nur in Umgebungen zum Einsatz kommt, für die es ausgelegt ist. Zu hohe oder zu niedrige Temperaturen können ebenso wie mechanische Einflüsse das Element beschädigen und die Messungen verfälschen bzw. ganz unmöglich machen. Neben solchen potenziell vermeidbaren Faktoren ergeben sich bei der Messung mit Thermoelementen Einflüsse, die nicht immer vermieden werden können.

Spezielle Einflüsse und Alterungserscheinungen:

• Alterungserscheinungen/Vergiftungen: Oxidationsvorgänge führen bei nicht entsprechend geschützten Thermoelementen („blanke“ Thermodrähte) zu Kennlinienverfälschungen.
• Eindiffundierende Fremdatome (Vergiftungen) führen zu Veränderungen der Ursprungslegierungen und damit zu Verfälschungen der Kennlinie.
• Der Einfluss von Wasserstoff führt zur Versprödung der Thermoelemente.

Unedle Thermoelemente altern und verändern dadurch ihre Temperatur-Thermospannungskennlinie. Edle PtRh-Pt-Thermoelemente der Typen R und S zeigen bis 1400 °C praktisch keine Alterung. Sie sind aber sehr empfindlich gegenüber Verunreinigungen. Silizium und Phosphor zerstören das Platin sehr schnell. In Gegenwart von Platin kann bereits in schwach reduzierender Atmosphäre Silizium aus den Isolierkeramiken freigesetzt werden. Die Reduktion von SiO2 zu Si führt zu einer Verunreinigung des Pt-Schenkel des Thermoelementes und verursacht schon in Silizium-Anteilen von wenigen ppm Messfehler von 10 °C und mehr.

Bedingt durch das bessere Verhältnis von Gesamtmaterialvolumen zur vergiftungsempfindlichen Oberfläche steigt die Langzeitstabilität der Edelmetall-Thermopaare mit zunehmendem Thermodraht-Durchmesser. Thermodrähte mit Ø 0,5 mm (0,020") besitzen die doppelte Querschnittsfläche wie Drähte mit Ø 0,35 mm (0,015") – und sind damit auch doppelt so teuer. Dies kann sich dennoch lohnen, da eine wesentlich längere Standzeit die eventuell hohen Servicekosten (Stillstand der Anlage) egalisieren kann. Der Ni-Schenkel des Typ K-Thermoelementes wird häufig durch Schwefel, der z. B. in Rauchgasen vorkommt, geschädigt. Thermoelemente der Typen J und T altern gering, weil zunächst der Reinmetallschenkel oxydiert.

Generell nehmen die Alterungserscheinungen mit steigenden Temperaturen zu.

Grünfäule: Bei Typ K-Thermoelementen können beim Einsatz in Temperaturen von ca. 800 °C bis 1050 °C erhebliche Veränderungen der Thermospannung auftreten. Die Ursache hierfür ist eine Chromverarmung bzw. Oxidation des Chroms im NiCr-Schenkel (+ Schenkel). Voraussetzung hierfür ist eine geringe Konzentration Sauerstoff oder Wasserdampf in der direkten Umgebung des Thermoelementes. Der Nickel-Schenkel ist hiervon nicht betroffen. Die Folge dieses Effekts ist eine Drift des Messwertes durch sinkende Thermospannung. Bei Sauerstoffmangel (reduzierende Atmosphäre) wird dieser Effekt noch beschleunigt, da sich keine vollständigen Oxidhäute auf der Oberfläche des Thermoelementes ausbilden können, die einer weiteren Oxidation des Chroms entgegenwirken. Das Thermoelement wird auf Dauer durch diesen Vorgang zerstört.

Der Name Grünfäule kommt von der grünlichen schimmernden Färbung an der Bruchstelle des Drahtes. Das Thermoelement Typ N (NiCrSi-NiSi) ist bedingt durch seinen Siliziumgehalt in dieser Beziehung im Vorteil. Hier bildet sich unter gleichen Bedingungen eine schützende Oxidschicht auf seiner Oberfläche aus.

K-Effekt: Der NiCr-Schenkel eines Typ K-Thermoelementes besitzt bezüglich der Ausrichtung im Kristallgitter unterhalb ca. 400 °C eine geordnete Ausrichtung. Wird das Thermoelement weiter erhitzt, so findet im Temperaturbereich zwischen ca. 400 °C und 600 °C ein Übergang in einen ungeordneten Zustand statt. Oberhalb von 600 °C stellt sich wieder ein geordnetes Kristallgitter ein. Bei einem zu schnellen Abkühlen dieser Thermoelemente (schneller als ca. 100 °C pro Stunde) kommt es während der Abkühlung im Bereich von ca. 600 °C bis ca. 400 °C wieder zum unerwünschten ungeordneten Kristallgitter. In der Kennlinie von Typ K ist aber ein durchgängig geordneter Ausrichtungszustand vorausgesetzt und mit Werten hinterlegt.

Ein Thermospannungsfehler von bis zu ca. 0,8 mV (ca. 5 °C) in diesem Bereich ist die Folge. Der K-Effekt ist reversibel und wird durch Glühen oberhalb 700 °C mit anschließender entsprechend langsamer Abkühlung größtenteils wieder abgebaut. Dünne Mantel-Thermoelemente reagieren hier besonders empfindlich. Schon eine Abkühlung an ruhender Luft kann Abweichungen von 1 °C zur Folge haben. Beim Typ N-Thermoelement (NiCrSi-NiSi) hat man diesen Nahordnungseffekt durch Legieren beider Schenkel mit Silizium verringern können.

Für die Messung von Temperaturen in Industrie und industrieller Produktion gibt es keine Patentlösungen. Dazu sind die Anforderungen, je nach Produktionsumgebung, zu unterschiedlich. Um eine optimale Temperaturerfassung zu gewährleisten, muss der Messvorgang immer an die jeweiligen Prozesse der Messumgebung angepasst werden. Aufgrund ihrer breiten Einsatzmöglichkeiten haben sich Widerstandsthermometer und Thermoelemente in verschiedenen Ausführungen jedoch als die beiden am weitesten verbreiteten Messtechniken in diesem Bereich etabliert. Beide Verfahren haben jeweils Vor- und Nachteile. Thermoelemente haben zunächst den Vorzug, ein sehr breites Temperaturspektrum erfassen zu können.

Je nach Bauweise des Thermoelements können damit nahezu alle in Technik, Industrie und Produktion entstehenden Temperaturen präzise erfasst werden. Ein weiterer Vorzug von Thermoelementen ist ihre Robustheit gegenüber mechanischen Beanspruchungen, wie sie gerade in der industriellen Produktion keine Seltenheit sind. Stöße, Vibrationen und andere Störfaktoren, wie sie in diesen Umgebungen aufkommen können, werden gut durch die robuste Bauweise der Elemente gut toleriert. Ein weiterer Vorzug ist, dass Thermoelemente mit sehr kleinen Messstellen konstruiert werden können und damit ausgesprochen kurze Reaktions- bzw. Ansprechzeiten auf Temperaturen zeigen.

Kurzfristige Temperaturwechsel können so im Bereich von wenigen Millisekunden erfasst werden. Da Thermoelemente ohne Spannungsversorgung auskommen, ist eine Selbsterwärmung der Instrumente nicht möglich. Ein weiter Vorteil stellt schließlich der Preis dar: Thermoelemente lassen sich oft als die preisgünstigste Lösung in industriellen oder technischen Umgebungen installieren.