Thermoelement
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Ein Thermoelement ist ein Bauteil aus zwei unterschiedlichen und an einem Ende miteinander verbundenen Metallen oder Halbleitern. Am offenen Ende wird aufgrund des Seebeck-Effektes eine elektrische Spannung erzeugt, wenn die Verbindungsstelle und die freien Enden unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt sind.
Der Seebeck-Effekt besagt, dass zwei unterschiedliche Metalle, die miteinander verbunden sind, an ihrer Anschlussstelle eine thermoelektrische Spannung entstehen lassen, wenn entlang der Metalle ein Temperaturgefälle besteht. Diese thermoelektrische Spannung (auch Thermokraft genannt) ist temperaturabhängig und hat bei Metallen eine Größe von wenigen Mikrovolt pro Kelvin Temperaturunterschied. Der Zusammenhang zwischen Spannung und Temperatur ist bei den meisten Metallen und Legierungen nahezu linear. Bei genauen Messungen oder großen Messbereichen muss die Nichtlinearität berücksichtigt werden.
Mit Hilfe der sogenannten thermoelektrischen Spannungsreihe (vgl. DIN EN 60584) kann auf die Temperatur an der Verbindungsstelle (Messstelle) geschlossen werden.
Jedes Metall und jede Legierung besitzt einen thermoelektrischen Koeffizienten, der üblicherweise relativ zu Platin angegeben wird. Dieser sogenannte k-Wert gestattet es, die Thermospannung der Metallpaarung eines Thermoelementes zu errechnen.
Bei der Auswahl einer Materialpaarung zu Messzwecken strebt man eine hohe Thermospannung, hohe Linearität und hohe Korrosionsfestigkeit bzw. geringe Oxidation bei hohen Temperaturen an. Diese Ziele sind nicht mit einer einzigen Kombination erreichbar. Daher werden je nach Einsatzzweck unterschiedleiche Materialpaarungen verwendet.
Weit verbreitete Thermoelementpaarungen bestehen aus Nickel - Chrom/Nickel (Typ K, häufigster Typ) und Platin - Platin/Rhodium (Typ S; für hohe Temperaturen). Für die Messungen hoher Temperaturen (T > 1600°C) werden auch Iridium-Iridium/Rhodium-Thermoelemente, für die Messung niedriger Temperaturen (T < -250°C) Gold/Eisen-Nickel/Chrom- oder Gold/Eisen-Gold/Silber-Thermoelemente verwendet.
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[Bearbeiten] Anwendungen
[Bearbeiten] Temperaturmessung
Im folgenden Beispiel wird die Spannung Uth angegeben, die an einem sogenannten Typ-K-Thermoelement bei der Temperatur TMess anliegt:
mit ΔT = TMess − TVergleichstemperatur
Ein Thermoelement vom Typ K besteht aus einem Übergang zwischen einer Nickel-Chrom-Legierung und Nickel, wobei kNiCr und kNi die thermoelektrischen Koeffizienten der Metalle Nickelchrom und Nickel darstellen. Durch Umstellen der Gleichung nach TMess kann die gesuchte Temperatur aus der am Thermoelement gemessenen Spannung errechnet werden.
Die Thermospannung wird meist durch einen geeigneten Verstärker aufbereitet, um sie messtechnisch erfassen zu können. Anhand der Differenz zur Vergleichststellentemperatur (z.B. Eiswasser für 0°C oder ein 50°C-Vergleichsstellenthermostat) kann mit Hilfe der obigen Gleichung des Thermoelements dann die Temperatur an der Messstelle besser als ein Zehntel Kelvin genau bestimmt werden.
Anmerkung zur Vergleichsstellentemperatur
Ein Thermoelement besteht notwendigerweise aus zwei Metallübergängen (Mess- und Vergleichsstelle), deren thermoelektrische Spannungen entgegengesetzt sind - sie liefern somit immer relative Werte zur sogenannten Vergleichsstellentemperatur. Liegt die Temperatur der Messstelle darüber, so liefert es positive Spannungswerte, liegt sie darunter, ist die Spannung negativ. Ist die Messstellen-Temperatur gleich der Vergleichsstellen-Temperatur, ist die Summe der Thermospannungen null.
Die Vergleichsstelle ist die Anschluss-Stelle der unterschiedlichen Metalldrähte des Thermoelementes an eine Leitung (z.B. Kupferkabel). Mittels sogenannter Ausgleichsleitungen (preiswertere Metall-Leitungen, die die gleichen thermoelektrischen Koeffizienten wie die jeweiligen Thermoelement-Drähte besitzen) kann die Vergleichsstelle an einen entfernteren Ort verlegt werden.
Während man früher diese Vergleichsstellen in einem Thermostat (Referenztemperatur meist 50°C) unterbrachte, stehen heute Integrierte Schaltkreise zur Verfügung, die neben der Spannungsverstärkung auch diese Vergleichsstellentemperatur kompensieren - vorausgesetzt, sie haben die gleiche Temperatur wie die Vergleichsstelle. Dieses Verfahren wird beispielsweise auch in digitalen Vielfachmessgeräten (DVM) angewandt, die zur Temperaturmessung mit Thermoelementen ausgerüstet sind.
[Bearbeiten] Strahlungsmessung
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.
[Bearbeiten] Energiewandlung
Die direkte Wandlung von Wärme in elektrische Energie ist mit einem thermoelektrischen Generator möglich. Man verwendet hierfür statt Metallen Halbleitermaterialien (siehe Peltier-Element), wodurch sich die Effizienz gegenüber 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, PbTe, SiGe, BiSb oder FeSi2 mit realen Wirkungsgraden zwischen 3% und 8%. 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 oder Petroleum-Gasbrenner werden als Stromquellen in abgelegenen Gebieten verwendet (z.B. zum Betrieb eines Rundfunkempfängers).
Thermoelektrische Generatoren werden auch in Radioisotopengeneratoren (Isotopenbatterien), u.a. für Raumsonden oder in abgelegenen Mess-Sonden, verwendet: radioaktiver Zerfall künstlich hergestellter Radioisotope erzeugt hier die zum Betrieb erforderliche Wärme.
[Bearbeiten] Feuerungsanlagen
In Gasherden und Heizungsanlagen dienen Thermoelemente dazu, die brennende Flamme zu überwachen. Das durch die Flamme erwärmte Thermoelement liefert den für das Offenhalten eines elektromagnetisch betätigten Brennstoffventils notwendigen elektrischen Strom. Verlischt die Flamme, erkaltet das Thermoelement, das Elektromagnetventil schließt, die weitere Brennstoffzufuhr wird unterbrochen.
