Einleitung
● Ein zuverlässiges Thermoelement entsteht nicht dadurch, dass beliebige zwei Metalle miteinander verbunden werden. Metalle und Legierungen besitzen unterschiedliche thermoelektrische Eigenschaften und erzeugen deshalb bei gleichen Temperaturbedingungen unterschiedliche Thermospannungen.
● Die Thermoelementtypen K, J, T, E, R, S und B verwenden unterschiedliche Leitermaterialien, weil sich diese hinsichtlich Thermospannung, Einsatztemperatur, Stabilität, Oxidationsbeständigkeit, Umgebungsverträglichkeit und Kosten unterscheiden.
● Die Typenbezeichnung beschreibt daher nicht nur einen Namen, sondern eine standardisierte Kombination zweier Leiterwerkstoffe mit einer definierten Temperatur-Thermospannungs-Kennlinie.
Das Wichtigste auf einen Blick
● Ein Thermoelement benötigt zwei Leiter mit unterschiedlichen thermoelektrischen Eigenschaften.
● Unterschiedliche Werkstoffpaarungen erzeugen unterschiedliche Seebeck-Spannungen und sind nicht beliebig austauschbar.
● Die verwendeten Werkstoffe beeinflussen Empfindlichkeit, nutzbaren Temperaturbereich, Langzeitstabilität und Eignung für bestimmte Atmosphären.
● Typ K, J, T und E basieren überwiegend auf Nickel-, Eisen-, Kupfer- und Kupfer-Nickel-Werkstoffen; Typ R, S und B verwenden Platin und Platin-Rhodium-Legierungen.
● Bei der Auswahl sind Temperatur, Atmosphäre, Messgenauigkeit, Ansprechzeit, Lebensdauer und Kosten gemeinsam zu berücksichtigen.
Warum benötigt ein Thermoelement zwei unterschiedliche Metalle?
● Das Messprinzip eines Thermoelements beruht auf dem Seebeck-Effekt. Bilden zwei unterschiedliche Leiter einen Stromkreis und herrscht zwischen den Verbindungsstellen eine Temperaturdifferenz, entsteht eine thermoelektrische Spannung.
● Unterschiedliche Metalle besitzen unterschiedliche elektronische Strukturen und Ladungstransporteigenschaften. Dadurch reagieren sie thermoelektrisch unterschiedlich auf Temperaturänderungen.
● Würden beide Leiter idealerweise aus exakt demselben Material bestehen, entstünde keine für die Thermoelementmessung nutzbare differenzielle Thermospannung.
● Das Messgerät erfasst die geringe Spannung und berechnet daraus mithilfe der zum Thermoelementtyp gehörenden Temperatur-Thermospannungs-Kennlinie sowie der Kaltstellenkompensation die Temperatur der Messstelle.
Warum können nicht alle Thermoelemente dieselbe Werkstoffkombination verwenden?
● Keine einzelne Werkstoffpaarung bietet gleichzeitig optimale Eigenschaften bei tiefen Temperaturen, hohen Temperaturen, oxidierenden oder reduzierenden Atmosphären, Feuchtigkeit und langfristigem industriellem Einsatz.
● Einige Werkstoffkombinationen liefern eine hohe Thermospannung, sind jedoch bei hohen Temperaturen begrenzt. Andere sind bei hohen Temperaturen besonders stabil, verursachen aber deutlich höhere Kosten.
● Die einzelnen Thermoelementtypen stellen deshalb unterschiedliche technische Kompromisse dar. In allgemeinen Industrieanwendungen stehen Temperaturbereich und Robustheit im Vordergrund, bei Tieftemperaturmessungen eher Stabilität und bei Hochtemperaturöfen insbesondere chemische Beständigkeit und geringe Langzeitdrift.
● Bewährte Werkstoffpaarungen mit ausreichender Stabilität und Wiederholbarkeit wurden im Laufe der Zeit standardisiert und bilden heute die bekannten Typen K, J, T, E, N, R, S und B.
Warum ist der Seebeck-Koeffizient wichtig?
● Leitermaterialien unterscheiden sich darin, wie stark sich ihre thermoelektrische Spannung mit der Temperatur ändert. Diese Eigenschaft wird durch den Seebeck-Koeffizienten beschrieben.
● Die Ausgangsspannung eines Thermoelements ergibt sich aus der Differenz der thermoelektrischen Eigenschaften beider Leiter. Wird einer der Leiterwerkstoffe geändert, ändert sich auch die gesamte Temperatur-Spannungs-Kennlinie.
● Eine Werkstoffpaarung kann pro Grad Temperaturänderung eine vergleichsweise große Spannungsänderung erzeugen, während eine andere ein kleineres Signal liefert. Dies beeinflusst die Empfindlichkeit und die Anforderungen an die Messelektronik.
● Deshalb muss das Messgerät auf den richtigen Thermoelementtyp eingestellt werden. Wird beispielsweise ein Typ-K-Fühler angeschlossen, während das Gerät auf Typ J eingestellt ist, verwendet das Gerät die falsche Kennlinie und zeigt eine fehlerhafte Temperatur an.
Warum verwendet Typ K Nickellegierungen?
● Ein Thermoelement vom Typ K besteht üblicherweise aus einer Nickel-Chrom-Legierung (NiCr) und einer Nickel-Aluminium-Legierung (NiAl).
● Nickelbasierte Legierungen behalten über einen großen Temperaturbereich brauchbare mechanische und thermoelektrische Eigenschaften und weisen in vielen Luft- und oxidierenden Atmosphären eine gute Oxidationsbeständigkeit auf.
● Gegenüber Edelmetall-Thermoelementen sind die Werkstoffe kostengünstiger. Gleichzeitig bietet Typ K im Vergleich zu mehreren anderen Basismetall-Thermoelementen einen relativ großen Einsatztemperaturbereich.
● Diese ausgewogene Kombination aus Temperaturbereich, Robustheit und Kosten erklärt die weite Verbreitung in Industrieanlagen, Heizsystemen, HVAC-Anwendungen, Laboren und tragbaren Thermoelement-Thermometern.
Warum verwendet Typ J Eisen und Kupfer-Nickel?
● Ein Thermoelement vom Typ J besteht in der Regel aus Eisen (Fe) und einer Kupfer-Nickel-Legierung (CuNi).
● Eisen besitzt geeignete thermoelektrische Eigenschaften und bildet zusammen mit Kupfer-Nickel eine technisch gut nutzbare Thermospannung.
● Da Eisen bei erhöhten Temperaturen vergleichsweise leicht oxidiert, ist Typ J für den dauerhaften Einsatz in stark oxidierenden Hochtemperaturumgebungen meist weniger geeignet als der nickelbasierte Typ K.
● Typ J wird dennoch häufig in industriellen Anlagen mit mittleren Temperaturen, im Maschinenbau, in der Kunststoffverarbeitung und in älteren Prozessleitsystemen eingesetzt, die bereits für Typ J ausgelegt sind.
Warum verwendet Typ T Kupfer und Kupfer-Nickel?
● Typ T verwendet normalerweise Kupfer (Cu) und eine Kupfer-Nickel-Legierung (CuNi).
● Kupfer bietet bei niedrigeren Temperaturen eine gute Stabilität und Reproduzierbarkeit. Typ T eignet sich deshalb besonders für niedrige und mittlere Temperaturbereiche.
● Typische Anwendungen sind Kältetechnik, Lebensmittelverarbeitung, Labore, Kühlketten und andere Bereiche mit Anforderungen an stabile Tieftemperaturmessungen.
● Für sehr hohe Dauertemperaturen ist Kupfer dagegen weniger geeignet als bestimmte Nickel- oder Edelmetallwerkstoffe. Die Stärke von Typ T liegt daher vor allem in Stabilität und Wiederholbarkeit bei niedrigeren Temperaturen.
Warum besitzt Typ E eine vergleichsweise hohe Thermospannung?
● Ein Thermoelement vom Typ E besteht üblicherweise aus Nickel-Chrom (NiCr) und Kupfer-Nickel (CuNi).
● Die thermoelektrischen Eigenschaften dieser beiden Werkstoffe unterscheiden sich deutlich, weshalb Typ E unter den verbreiteten Thermoelementen eine relativ hohe Thermospannung pro Temperaturänderung liefert.
● Ein größeres Ausgangssignal kann in Anwendungen vorteilhaft sein, in denen eine hohe Messempfindlichkeit benötigt wird.
● Eine höhere Thermospannung bedeutet jedoch nicht automatisch eine höhere Gesamtmessgenauigkeit. Diese hängt weiterhin von Toleranzklasse, Werkstoffhomogenität, Kaltstellenkompensation, Messgerätegenauigkeit, Montage und Umgebungsbedingungen ab.
Warum verwenden Typ R, S und B Platin und Platin-Rhodium?
● Die Typen R, S und B gehören zu den Edelmetall-Thermoelementen und basieren hauptsächlich auf Platin sowie Platin-Rhodium-Legierungen.
● Diese Werkstoffe weisen bei hohen Temperaturen eine gute chemische und thermoelektrische Stabilität auf und können in Temperaturbereichen eingesetzt werden, in denen Basismetall-Thermoelemente langfristig nicht ausreichend stabil sind.
● Typische Anwendungen sind Hochtemperaturöfen, Wärmebehandlung, Glas- und Keramikproduktion, Metallurgie sowie Hochtemperatur-Laboreinrichtungen.
● Nachteilig sind die deutlich höheren Werkstoffkosten. Zudem können Schutzrohre, Verunreinigungen und Einbaubedingungen eine größere Rolle spielen.
● Edelmetalle werden daher nicht eingesetzt, um ein Thermoelement grundsätzlich „hochwertiger“ zu machen, sondern um bei anspruchsvollen Hochtemperaturanwendungen die erforderliche Langzeitstabilität zu erreichen.
Warum beeinflussen die Werkstoffe den Temperaturbereich?
● Der nutzbare Temperaturbereich hängt nicht allein vom Schmelzpunkt der Leiter ab. Auch Oxidation, Gefügeänderungen, Elementdiffusion und irreversible Veränderungen der thermoelektrischen Eigenschaften müssen berücksichtigt werden.
● Ein Werkstoff kann eine hohe Temperatur mechanisch überstehen und dennoch seine für präzise Messungen erforderlichen thermoelektrischen Eigenschaften verlieren.
● Eisen ist beispielsweise bei hohen Temperaturen stärker oxidationsgefährdet, während Nickellegierungen in vielen Fällen eine bessere Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit besitzen. Platin-Rhodium-Systeme ermöglichen unter geeigneten Bedingungen nochmals höhere Stabilität.
● Temperaturbereichsangaben sind deshalb immer als technische Systemspezifikation zu verstehen, die auch Drahtdurchmesser, Isolierung, Schutzrohr, Atmosphäre und zulässigen Fehler berücksichtigt.
Warum beeinflussen die Werkstoffe die Langzeitstabilität?
● Idealerweise bleiben beide Thermoelementleiter über ihre gesamte Länge werkstofflich homogen. Oxidation, Verunreinigung, Diffusion, mechanische Spannungen oder Gefügeänderungen können jedoch lokale thermoelektrische Eigenschaften verändern.
● Langzeitbetrieb bei hohen Temperaturen erhöht dieses Risiko. Befinden sich veränderte Leiterabschnitte in einem Temperaturgradienten, können zusätzliche Thermospannungen entstehen und sich als Messdrift bemerkbar machen.
● Unterschiedliche Legierungen widerstehen diesen Veränderungen unterschiedlich gut. Die Werkstoffstabilität beeinflusst daher direkt Lebensdauer und Langzeitzuverlässigkeit.
● Bei kontinuierlicher oder prozesskritischer Messung sollte daher nicht nur die Anfangsgenauigkeit eines neuen Fühlers bewertet werden, sondern auch seine Stabilität nach längerer Betriebsdauer.
Warum beeinflusst die Atmosphäre die Werkstoffauswahl?
● Thermoelementwerkstoffe können direkt mit dem Prozessmedium in Kontakt stehen oder indirekt über Mantel beziehungsweise Schutzrohr beeinflusst werden. Oxidierende, reduzierende, korrosive oder feuchte Umgebungen sowie Vakuum können die Werkstoffeigenschaften verändern.
● Ein Thermoelement, das in Luft stabil arbeitet, ist nicht zwangsläufig für reduzierende Atmosphären, Vakuum oder chemisch aggressive Prozesse geeignet.
● Chemische Kontamination ist bei hohen Temperaturen besonders kritisch. Metallische Dämpfe, Schwefelverbindungen und andere Stoffe können mit den Leitern reagieren und deren Zusammensetzung sowie thermoelektrische Eigenschaften verändern.
● In anspruchsvollen Industrieprozessen muss daher neben dem Thermoelementtyp häufig auch ein geeignetes Schutzrohr aus Edelstahl, Keramik oder einem anderen geeigneten Werkstoff gewählt werden.
Warum unterscheiden sich die Kosten der Thermoelementtypen so stark?
● Typ K, J, T und E verwenden Eisen, Kupfer, Nickel und entsprechende Legierungen und zählen zu den Basismetall-Thermoelementen. Ihre Werkstoff- und Fertigungskosten sind vergleichsweise moderat.
● Typ R, S und B nutzen Platin und Platin-Rhodium-Legierungen und sind daher deutlich teurer.
● Der Preis allein ist jedoch kein Qualitätsmaßstab. Für normale Industriemessungen ist ein Edelmetall-Thermoelement häufig unnötig, während ein Basismetall-Thermoelement in Hochtemperaturöfen unter Umständen nicht die erforderliche Lebensdauer oder Stabilität erreicht.
● Eine geeignete Auswahl berücksichtigt deshalb Temperatur, Messleistung, Umgebung, Lebensdauer und Kosten gemeinsam.
Sind unterschiedliche Thermoelementwerkstoffe austauschbar?
● Im Allgemeinen nicht. Jeder Thermoelementtyp besitzt eine definierte Werkstoffpaarung und eine eigene Temperatur-Thermospannungs-Kennlinie.
● Auch äußerlich identische Fühler oder Stecker können intern unterschiedliche Werkstoffe enthalten. Bei einem Mehrkanal- oder Multifunktions-Thermometer muss deshalb der tatsächlich angeschlossene Typ korrekt eingestellt werden.
● Auch Verlängerungs- und Ausgleichsleitungen müssen zum Thermoelementtyp passen. Werden ungeeignete Metalle in den Messkreis eingefügt und bestehen dort Temperaturunterschiede, können zusätzliche Thermospannungen und Messfehler entstehen.
● Beim Austausch von Fühlern, Steckverbindern, Leitungen oder Anschlussklemmen sollte daher stets die Werkstoff- und Typkompatibilität geprüft werden.
Welche Faktoren sind bei der Auswahl zu berücksichtigen?
● Temperaturbereich: Normale Betriebstemperatur sowie mögliche Minimal- und Maximaltemperaturen bestimmen.
● Prozessatmosphäre: Luft, oxidierende oder reduzierende Bedingungen, Feuchtigkeit, Vakuum und korrosive Medien berücksichtigen.
● Langzeitstabilität: Bei kontinuierlicher Messung sind Drift und Alterungsbeständigkeit besonders wichtig.
● Ansprechzeit: Neben dem Werkstoff beeinflussen Drahtdurchmesser, Messstellenausführung und Schutzrohr das thermische Verhalten.
● Mechanische Belastung: Vibration, Biegung, Stoß und Einbauart können die Fühlerkonstruktion beeinflussen.
● Messgenauigkeit: Thermoelementtoleranz, Gerätegenauigkeit, Kaltstellenkompensation und Gesamtmessunsicherheit gemeinsam bewerten.
● Kosten und Lebensdauer: Allgemeine Industrieanwendungen verlangen meist ein ausgewogenes Verhältnis, kritische Hochtemperaturprozesse dagegen häufig höhere Stabilität und Lebensdauer.
FAQ
● Kann man aus beliebigen zwei unterschiedlichen Metallen ein Thermoelement herstellen?
Grundsätzlich können viele unterschiedliche Leiterpaare bei einer Temperaturdifferenz eine Thermospannung erzeugen. Für praktische Temperaturmessungen sind jedoch eine stabile, reproduzierbare und charakterisierte Kennlinie sowie geeignete thermische, mechanische und chemische Eigenschaften erforderlich.
● Warum ist Typ K besonders verbreitet?
Typ K bietet ein ausgewogenes Verhältnis aus großem Temperaturbereich, Oxidationsbeständigkeit, mechanischer Robustheit, Kosten und universeller Einsetzbarkeit.
● Sind Edelmetall-Thermoelemente grundsätzlich genauer als Typ K?
Nein. Ihr Hauptvorteil liegt in der Hochtemperaturstabilität. Die tatsächliche Messgenauigkeit hängt zusätzlich von Toleranzklasse, Messgerät, Kaltstellenkompensation, Einbau und Kalibrierzustand ab.
● Dürfen Steckverbinder verschiedener Thermoelementtypen gemischt werden?
Dies ist nicht zu empfehlen. Neben der mechanischen Passform sollten auch die verwendeten Kontaktmaterialien zum Thermoelementsystem passen.
● Beeinflusst die Alterung eines Thermoelements den Messwert?
Ja. Hohe Temperaturen, Oxidation, Kontamination, mechanische Spannungen und Werkstoffveränderungen können die thermoelektrischen Eigenschaften verändern und Drift verursachen.
● Ist bei der Auswahl der Werkstoff oder der Temperaturbereich wichtiger?
Beides ist eng miteinander verbunden. Der Temperaturbereich wird durch Werkstoffe, Drahtdurchmesser, Isolierung, Schutzaufbau, Umgebung und erforderliche Genauigkeit gemeinsam bestimmt.
Fazit
● Unterschiedliche Thermoelementtypen verwenden unterschiedliche Metalle, weil jede Werkstoffpaarung spezifische thermoelektrische Eigenschaften und damit eine eigene Temperatur-Thermospannungs-Kennlinie besitzt.
● Typ K, J, T und E kombinieren Nickellegierungen, Eisen, Kupfer und Kupfer-Nickel in unterschiedlicher Weise, um Empfindlichkeit, Temperaturbereich, Stabilität, Umgebungsbeständigkeit und Kosten auszubalancieren. Typ R, S und B setzen Platinwerkstoffe vor allem für bessere Hochtemperaturstabilität ein.
● Thermoelementwerkstoffe sind daher nicht beliebig austauschbar. Das Verständnis der Werkstoffpaarungen ist eine wichtige Grundlage für die Auswahl von Fühlern, Geräteeinstellungen, Verlängerungsleitungen und zuverlässigen Temperaturmesssystemen.
