Einleitung

Ein Thermoelement besitzt keine Batterie und benötigt keinen Messstrom zur Anregung des Sensors. Trotzdem entsteht eine kleine elektrische Spannung, sobald Messstelle und Referenzstelle unterschiedlichen Temperaturbedingungen ausgesetzt sind.

Diese Spannung beruht auf einem grundlegenden thermoelektrischen Phänomen: dem Seebeck-Effekt.

Um zu verstehen, warum ein Thermoelement eine Spannung erzeugt, reicht es nicht aus, nur die Verbindungsstelle der beiden Leiter zu betrachten. Entscheidend sind drei Faktoren: zwei Werkstoffe mit unterschiedlichen thermoelektrischen Eigenschaften, ein Temperaturgradient entlang der Leiter und unterschiedliche Temperaturbedingungen innerhalb des Messkreises.

Das Wichtigste im Überblick

● Die physikalische Grundlage der Thermospannung ist der Seebeck-Effekt.
● In einem Metall oder einer Legierung kann bei einem Temperaturgradienten ein werkstoffabhängiges thermoelektrisches Potenzial entstehen.
● Thermoelemente bestehen aus zwei unterschiedlichen Werkstoffen, weil deren Seebeck-Koeffizienten voneinander abweichen. Die Differenz der thermoelektrischen Potenziale ergibt die messbare Spannung.
● Ein Thermoelement liefert keine „absolute Spannung“, die nur einer einzelnen Temperatur entspricht. Die Thermospannung hängt von den Temperaturbedingungen an Mess- und Referenzstelle ab.
● Die Messstelle selbst wirkt nicht wie eine kleine Batterie. Entscheidend sind die thermoelektrischen Eigenschaften der Leiter und deren Temperaturverteilung.
● Das Messgerät erfasst die Thermospannung und bestimmt mithilfe der Kaltstellenkompensation sowie der entsprechenden Temperatur-Spannungs-Kennlinie die Temperatur.

Was ist der Seebeck-Effekt?

Der Seebeck-Effekt bildet die physikalische Grundlage der Thermoelement-Messtechnik.

Befinden sich verschiedene Bereiche eines elektrisch leitfähigen Werkstoffs auf unterschiedlichen Temperaturen, verändert sich die Energieverteilung der Ladungsträger. Durch den Temperaturgradienten kommt es zu Diffusions- und Umverteilungsvorgängen, aus denen sich ein elektrisches Potenzial entwickelt.

Dieses durch einen Temperaturgradienten verursachte elektrische Potenzial wird als Seebeck-Effekt bezeichnet.

Verschiedene Materialien reagieren unterschiedlich stark auf denselben Temperaturgradienten. Eine wichtige Kenngröße hierfür ist der Seebeck-Koeffizient. Er beschreibt den Zusammenhang zwischen einer Temperaturänderung und der daraus resultierenden thermoelektrischen Spannung.

Deshalb können unterschiedliche Metalle und Legierungen unter identischen thermischen Bedingungen unterschiedliche Thermospannungen erzeugen. Genau diese Werkstoffabhängigkeit nutzt das Thermoelement zur Umwandlung einer Temperaturinformation in ein elektrisches Signal.

Warum kann eine Temperaturdifferenz ein elektrisches Potenzial erzeugen?

Befindet sich ein homogener metallischer Leiter vollständig auf derselben Temperatur, besteht im Mittel ein Gleichgewicht der Ladungsträger. Durch die Temperaturverteilung entsteht dann keine dauerhafte Netto-Thermospannung.

Ist dagegen ein Bereich des Leiters wärmer als ein anderer, ändern sich die Bedingungen.

● Die Ladungsträger im wärmeren Bereich weisen eine andere Energieverteilung auf.
● Zwischen warmen und kälteren Bereichen entsteht ein Temperaturgradient.
● Diffusion und Ladungsumverteilung führen zur Ausbildung eines internen elektrischen Feldes.
● Es entsteht ein thermoelektrisches Potenzial, das vom Werkstoff und von der Temperaturverteilung abhängt.

Nach Einstellung des Gleichgewichts lässt sich zwischen verschiedenen Bereichen des Leiters eine Potenzialdifferenz feststellen.

Ein Temperaturgradient ist daher eine wesentliche Voraussetzung für die Entstehung einer Thermospannung.

Dabei bedeutet Temperaturgradient nicht lediglich, dass zwei einzelne Punkte unterschiedliche Temperaturen besitzen. Gemeint ist eine räumliche Temperaturänderung entlang des Leiters. Unter einer solchen Temperaturverteilung entwickelt ein Thermoelement seine thermoelektrische Wirkung.

Warum benötigt ein Thermoelement zwei unterschiedliche Werkstoffe?

Auch ein einzelner Leiter kann thermoelektrische Effekte zeigen. Für einen praktisch nutzbaren Thermoelement-Messkreis werden jedoch zwei Materialien mit unterschiedlichen thermoelektrischen Eigenschaften benötigt.

Thermoelemente der Typen K, J, T und E verwenden deshalb jeweils definierte Metall- oder Legierungskombinationen.

Der entscheidende Grund liegt in den unterschiedlichen Seebeck-Koeffizienten.

Besteht ein Thermoelement beispielsweise aus Werkstoff A und Werkstoff B:

● Werkstoff A erzeugt ein bestimmtes thermoelektrisches Potenzial.
● Werkstoff B erzeugt ebenfalls ein thermoelektrisches Potenzial.
● Aufgrund ihrer unterschiedlichen Materialeigenschaften sind beide Potenziale nicht identisch.
● Die Differenz bildet die messbare Thermospannung des Thermoelements.

Würden beide Leiter aus demselben homogenen Werkstoff bestehen und identische Temperaturverteilungen durchlaufen, würden sich ihre thermoelektrischen Wirkungen gegenseitig aufheben. Ein nutzbares Differenzsignal entstünde nicht.

Der Einsatz unterschiedlicher Werkstoffe dient somit nicht lediglich dazu, eine Kontaktstelle zwischen zwei Metallen herzustellen. Entscheidend ist der Unterschied ihrer thermoelektrischen Eigenschaften.

Entsteht die Thermoelement-Spannung an der heißen Messstelle?

Dies ist eines der häufigsten Missverständnisse bei Thermoelementen.

Vereinfachte Erklärungen lauten häufig: „Zwei unterschiedliche Metalle werden verbunden und erzeugen beim Erwärmen der Verbindungsstelle eine Spannung.“

Für eine erste Vorstellung ist diese Aussage hilfreich, physikalisch jedoch unvollständig.

Genauer gilt: Die messbare Thermospannung entsteht aus der Differenz der thermoelektrischen Potenziale, die sich in den beiden Thermoelementwerkstoffen unter Temperaturgradienten ausbilden. Die Messstelle selbst erzeugt die Spannung nicht unabhängig wie eine Batterie.

Die Messstelle sorgt vor allem dafür, dass beide Thermoelementleiter am Messort möglichst dieselbe Temperatur annehmen und somit eine eindeutig definierte Messtemperatur vorliegt.

Die thermoelektrische Wirkung hängt dagegen von der Temperaturverteilung entlang der Thermoelementleiter ab.

Eine vollständige Thermoelementmessung umfasst daher:

● die Temperatur der Messstelle;
● die Temperaturverteilung entlang der Thermoelementleitungen;
● die thermoelektrischen Eigenschaften der Werkstoffe;
● die Temperatur der Referenzstelle;
● die Fähigkeit des Messgeräts, sehr kleine Thermospannungen präzise zu erfassen.

Damit wird auch verständlich, warum die Referenzstelle beziehungsweise Kaltstelle für die Thermoelementmessung unverzichtbar ist.

Wie groß ist die von einem Thermoelement erzeugte Spannung?

Die Ausgangsspannung eines Thermoelements ist sehr klein und liegt typischerweise im Mikrovolt- bis Millivoltbereich.

Aufgrund der unterschiedlichen Werkstoffkombinationen erzeugen verschiedene Thermoelementtypen bei denselben Temperaturbedingungen unterschiedliche Thermospannungen.

Für die Typen K, J, T, E und weitere Thermoelemente existieren jeweils eigene Temperatur-Spannungs-Kennlinien und Referenzfunktionen.

Der grundlegende Messablauf lässt sich vereinfacht so darstellen:

Temperaturdifferenz → thermoelektrischer Effekt → kleine Thermospannung → Spannungsmessung → Temperaturberechnung

Da das Signal sehr klein ist, muss ein Thermoelement-Messgerät Spannungsänderungen im Millivolt- und teilweise Mikrovoltbereich zuverlässig erfassen können. Zusätzlich müssen Referenzstellentemperatur, elektrische Störungen, Leitungsverbindungen und nichtlineare Kennlinien berücksichtigt werden.

Ein Thermoelement-Thermometer ist deshalb weit mehr als ein gewöhnliches Gleichspannungsmessgerät.

Welcher Zusammenhang besteht zwischen Thermospannung und Temperaturdifferenz?

In einem vereinfachten Modell kann die Thermospannung als Integral der Differenz der Seebeck-Koeffizienten beider Werkstoffe dargestellt werden:

E = ∫(SA − SB)dT

Dabei gilt:

● E bezeichnet die Thermospannung;
● SA ist der Seebeck-Koeffizient von Werkstoff A;
● SB ist der Seebeck-Koeffizient von Werkstoff B;
● die Integrationsgrenzen reichen von der Referenzstellentemperatur bis zur Messstellentemperatur.

Diese Beziehung zeigt mehrere wichtige Eigenschaften eines Thermoelements.

Erstens hängt die Ausgangsspannung von der Differenz der thermoelektrischen Eigenschaften beider Werkstoffe ab.

Zweitens wird die Thermospannung sowohl durch die Messstellen- als auch durch die Referenzstellentemperatur bestimmt.

Darüber hinaus ändert sich der Seebeck-Koeffizient normalerweise mit der Temperatur. Die Temperatur-Spannungs-Kennlinie eines Thermoelements ist über einen großen Messbereich daher in der Regel nicht vollständig linear.

Praktische Messgeräte verwenden deshalb definierte Referenzfunktionen beziehungsweise standardisierte Thermoelementkennlinien und nicht einen einzigen konstanten Wert in „Millivolt pro Grad“ für den gesamten Messbereich.

Was passiert, wenn Messstelle und Referenzstelle dieselbe Temperatur haben?

Bei einem idealen und homogenen Thermoelementkreis sollte die resultierende Thermospannung nahezu null sein, wenn Messstelle und Referenzstelle dieselbe Temperatur aufweisen und keine zusätzlichen inhomogenen Temperaturbedingungen vorhanden sind.

Dies zeigt, dass ein Thermoelement keine direkte „Absoluttemperatur-Spannung“ ausgibt.

Es wäre beispielsweise falsch anzunehmen:

„100 °C erzeugen unabhängig von der Temperatur am anderen Ende immer dieselbe Spannung.“

Richtiger ist:

Die Thermospannung hängt vom Verhältnis zwischen Messstellen- und Referenzstellentemperatur ab.

Aus diesem Grund beziehen sich Thermoelement-Kennlinien auf definierte Referenzbedingungen. Reale Messgeräte müssen die tatsächliche Referenzstellentemperatur entsprechend berücksichtigen.

Warum ist eine Kaltstellenkompensation erforderlich?

Da die Thermospannung sowohl von der Messstelle als auch von der Referenzstelle abhängt, muss die tatsächliche Temperatur der Referenzstelle bekannt sein.

Historisch konnte die Referenzstelle auf einer bekannten Temperatur, beispielsweise 0 °C, gehalten werden. Damit ließ sich die gemessene Thermospannung direkt über die jeweilige Temperatur-Spannungs-Kennlinie interpretieren.

Bei tragbaren digitalen Thermoelement-Thermometern ist eine dauerhaft physisch auf 0 °C gehaltene Referenzstelle jedoch unpraktisch.

Moderne Geräte besitzen deshalb meist einen zusätzlichen Temperatursensor in der Nähe der Thermoelement-Eingangsklemmen. Dieser misst die lokale Referenzstellentemperatur. Anschließend führt das Messgerät elektronisch oder softwareseitig eine Kaltstellenkompensation (Cold Junction Compensation, CJC) durch.

Ein digitales Thermoelement-Thermometer führt somit mehrere Schritte aus:

● Messung der sehr kleinen Thermospannung des Thermoelements;
● Messung der Referenzstellentemperatur im Bereich der Eingangsklemmen;
● Kompensation anhand der Kennlinie des gewählten Thermoelementtyps;
● Berechnung und Anzeige der Messstellentemperatur.

Die Erzeugung der Thermospannung ist damit lediglich der erste Schritt der gesamten Temperaturmessung.

Warum erzeugen verschiedene Thermoelementtypen unterschiedliche Spannungen?

Thermoelemente der Typen K, J, T, E und andere verwenden unterschiedliche Metall- oder Legierungskombinationen.

Diese Materialien unterscheiden sich hinsichtlich elektronischer Struktur, Ladungsträgertransport und Seebeck-Koeffizient. Deshalb können unterschiedliche Thermoelementtypen selbst bei identischen Messstellen- und Referenzstellentemperaturen verschiedene Thermospannungen erzeugen.

Daraus folgt:

● Unterschiedliche Thermoelementtypen benötigen unterschiedliche Temperatur-Spannungs-Kennlinien.
● Das Messgerät muss auf den tatsächlich angeschlossenen Thermoelementtyp eingestellt sein.
● Eine falsche Auswahl von K, J, T, E oder einem anderen Typ kann zu erheblichen Temperaturfehlern führen, obwohl die Millivoltspannung selbst korrekt gemessen wurde.

Aus diesem Grund existieren für jeden Thermoelementtyp eigene Referenzdaten und Kennlinien.

Warum eignet sich ein Thermoelement zur Temperaturmessung?

Ein Thermoelement eignet sich als Temperatursensor, weil zwischen der erzeugten Thermospannung und der Temperatur ein reproduzierbarer und kalibrierbarer Zusammenhang besteht.

Das Funktionsprinzip lässt sich folgendermaßen zusammenfassen:

● Unterschiedliche thermoelektrische Werkstoffe besitzen unterschiedliche Seebeck-Eigenschaften.
● Ein Temperaturgradient erzeugt thermoelektrische Potenziale.
● Die Differenz dieser Potenziale ergibt eine messbare Thermospannung.
● Die Thermospannung verändert sich mit den Temperaturbedingungen an Mess- und Referenzstelle.
● Über eine bekannte Temperatur-Spannungs-Kennlinie lässt sich daraus die Temperatur bestimmen.

Das Thermoelement führt damit folgende Informationsumwandlung durch:

Temperaturänderung → Änderung des thermoelektrischen Potenzials → Spannungssignal → Temperaturwert

Im Gegensatz zu Widerstandstemperatursensoren, die zur Messung einen Erregerstrom benötigen, erzeugt ein Thermoelement sein Sensorsignal selbst durch den thermoelektrischen Effekt.

Welche Faktoren beeinflussen die Thermospannung?

In der Praxis hängt die Ausgangsspannung eines Thermoelements nicht nur von der nominellen Messtemperatur ab, sondern auch vom Zustand des gesamten Messsystems.

● Thermoelementtyp: Unterschiedliche Werkstoffkombinationen besitzen unterschiedliche Seebeck-Eigenschaften und Kennlinien.
● Messstellentemperatur: Änderungen an der Messstelle verändern die resultierende Thermospannung.
● Referenzstellentemperatur: Auch Änderungen an der Referenzstelle wirken sich auf die gemessene Spannung aus und müssen kompensiert werden.
● Werkstoffhomogenität: Oxidation, Verunreinigung, mechanische Belastung oder längere Hochtemperatureinwirkung können lokale thermoelektrische Eigenschaften verändern.
● Lage des Temperaturgradienten: Befindet sich ein inhomogener Leitungsabschnitt in einem ausgeprägten Temperaturgradienten, können zusätzliche Messfehler entstehen.
● Verbindungsmaterialien: Ungeeignete Verlängerungsleitungen, Ausgleichsleitungen oder Steckverbinder können bei Temperaturunterschieden zusätzliche Thermospannungen verursachen.

Eine zuverlässige Thermoelementmessung erfordert daher neben der richtigen Typwahl auch eine fachgerechte Ausführung von Leitungen, Steckverbindungen, Messstelle, Referenzstelle und thermischer Führung.

FAQ

Benötigt ein Thermoelement eine Batterie, um Spannung zu erzeugen?

Nein. Das Sensorelement selbst erzeugt sein Messsignal durch den Seebeck-Effekt. Die Batterie eines tragbaren Messgeräts versorgt Anzeige, Elektronik und Signalverarbeitung, nicht das Thermoelement.

Entsteht die Thermospannung einfach dadurch, dass sich zwei Metalle berühren?

Nein. Die Verbindung zweier unterschiedlicher Werkstoffe ist für den Messkreis erforderlich. Die messbare Thermospannung entsteht jedoch durch die unterschiedlichen thermoelektrischen Potenziale der Materialien unter Temperaturgradienten.

Warum sind zwei unterschiedliche Metalle oder Legierungen erforderlich?

Weil beide Materialien unterschiedliche Seebeck-Koeffizienten besitzen müssen. Nur dadurch entsteht eine nicht vollständig kompensierte Differenzspannung.

Erzeugt ein Thermoelement Wechsel- oder Gleichspannung?

Bei stabilen Temperaturbedingungen verhält sich das Ausgangssignal wie eine kleine Gleichspannung mit definierter Polarität. Ändert sich die Temperatur, ändert sich auch der Spannungswert. Bei umgekehrtem Temperaturverhältnis kann sich auch die Polarität umkehren.

Warum ist die Thermoelement-Spannung so klein?

Thermoelektrische Werkstoffe erzeugen typischerweise Spannungsänderungen im Bereich von Mikrovolt pro Kelvin. Selbst bei größeren Temperaturdifferenzen liegt die gesamte Thermospannung daher meist nur im Millivoltbereich.

Steigt die Thermospannung immer linear mit der Temperaturdifferenz?

Nein. Der grundsätzliche Zusammenhang ist eindeutig, aber über einen großen Temperaturbereich nicht vollständig linear, da sich die Seebeck-Koeffizienten der Werkstoffe mit der Temperatur ändern. Messgeräte verwenden deshalb typabhängige Kennlinien und Referenzfunktionen.

Was passiert, wenn ein Thermoelement Typ K an ein auf Typ J eingestelltes Messgerät angeschlossen wird?

Das Gerät kann die Spannung zwar weiterhin erfassen, verwendet jedoch die falsche Temperatur-Spannungs-Kennlinie. Dadurch wird normalerweise eine falsche Temperatur angezeigt.

Zusammenfassung

Ein Thermoelement erzeugt Spannung aufgrund des Seebeck-Effekts.

Bei einem Temperaturgradienten verändern sich Energieverteilung und Transportverhalten der Ladungsträger in den Thermoelementleitern. Dadurch entstehen thermoelektrische Potenziale. Da die beiden verwendeten Metalle oder Legierungen unterschiedliche Seebeck-Eigenschaften besitzen, heben sich diese Potenziale nicht vollständig auf. Es entsteht eine messbare Thermospannung.

Das Funktionsprinzip sollte deshalb nicht einfach als „Erwärmen der Verbindungsstelle zweier Metalle erzeugt Spannung“ beschrieben werden. Präziser ist:

Unterschiedliche thermoelektrische Werkstoffe + Temperaturgradient → unterschiedliche thermoelektrische Potenziale → Potenzialdifferenz → messbare Spannung

Das Thermoelement-Thermometer misst diese kleine Spannung, bestimmt die Temperatur der Referenzstelle, führt die Kaltstellenkompensation durch und verwendet die für den jeweiligen Thermoelementtyp definierte Kennlinie zur Berechnung der Messstellentemperatur.

Aufgrund ihrer stabilen und reproduzierbaren thermoelektrischen Eigenschaften werden Thermoelemente in industriellen Prozessen, Laboranwendungen, HVAC-Service, Instandhaltung sowie bei Hoch- und Tieftemperaturmessungen breit eingesetzt.