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1. 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

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.

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

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 - (mVT0)

in die Berechnung einbezogen.