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Aufbau und Funktionsweise von Thermoelementen

Seebeck entdeckte im Jahre 1821 den thermoelektrischen Effekt: verbindet man zwei Drähte

unterschiedlicher Werkstoffe kann man an deren freien Enden eine Spannung messen, wenn

sich die Verbindungsstelle auf einer anderen Temperatur befindet als diese freien Enden.

Gemessen wird immer die Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur an der

Verbindungsstelle und der Temperatur an den Anschlüssen (Klemmen) des Messgerätes.

Nach neueren Erkenntnissen beruht dieser Effekt auf einer materialspezifischen Eigenschaft

von elektrisch leitfähigen Materialien. Im Inneren eines Leiters stellt sich durch die

Temperatureinwirkung eine Verschiebung der Elektronendichte ein (Volumendiffusionseffekt)

wenn über den Leiter eine Temperaturveränderung (Anstieg oder Gefälle) besteht.

Mathematisch wird diese Veränderung als Temperaturgradient bezeichnet. Am heissen Ende

tritt aufgrund der höheren kinetischen Energie eine Verarmung, und am kalten Ende eine

Anreicherung der Ladungsträger ein. Jedes Leiterstück ist für sich allein eine Spannungsquelle.

Abb.1 Thermoeffekt

Jedes Drahtstückchen dl trägt entsprechend seinem Temperaturgradienten dl/dd und seines

Materialkoeffizienten s eine Teilspannung bei. Die Gesamtspannung über den Draht ergibt

sich aus der Summe der Teilspannungen, die sich von einem Ende des Drahtes (1- warme

Stelle) zum anderen (2- kalte Stelle) bildet.

Die Anordnung mit zwei auf unterschiedliche Weise z.B. schweissen, löten oder verdrillen

verbundener Drähte nennt man Thermoelement oder Thermopaar. Nur die Differenz der

Spannungssummen in den Drähten unterschiedlichen Materials ergibt eine messbare

Spannung, die ein Mass für die Temperaturdifferenz zwischen der Verbindungsstelle und den

Klemmen des Messgerätes ist. Würde man zwei Drähte des gleichen Materials verwenden,

würde sich in jedem Draht die gleiche Spannungssumme ergeben und man könnte keine

Differenzspannung messen.

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Mit dem Verbinden zweier Thermodrähte erreicht man also nicht den Effekt der

Thermospannung, sondern man verbindet lediglich die Pluspole zweier Batterien und misst die

Spannungsdifferenz dieser Batterien. Die Thermospannung als Funktion der Temperatur ist

letztlich nichts anderes als die temperaturabhängige Differenz dieser beiden Batterien. Je nach

Werkstoffkombination ergibt sich eine reproduzierbare Abhängigkeit der Thermospannung

von der Temperaturdifferenz zwischen eingebrachter Temperatur und Vergleichsstelle.

Abb. 2 Vergleichsstelle

Anhand der Thermospannung ( mV) aus den Tabellen der DIN EN 60584-1 und der

Berücksichtigung der Vergleichsstellentemperatur ist es somit leicht möglich die Temperatur T1

zu bestimmen.

In der Praxis ist die Vergleichsstelle entweder im Messumformer oder in der Steuerung

enthalten.

Die dort anliegende Umgebungstemperatur wird permanent erfasst und anhand der Formel

T1 = mV- (mV T0)

in die Berechnung einbezogen.

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