Thermoelemente sind einfache Temperatursensoren, die in Wissenschaft und Industrie verwendet werden. Sie bestehen aus zwei Drähten aus unterschiedlichen Metallen, die an einem einzigen Punkt oder einer Verbindungsstelle miteinander verbunden sind, die normalerweise aus Gründen der Robustheit und Zuverlässigkeit geschweißt wird.
An den offenen Enden dieser Drähte erzeugt ein Thermoelement eine Spannung als Reaktion auf die Verbindung Temperatur, das Ergebnis eines Phänomens namens Seebeck-Effekt, das 1821 vom deutschen Physiker Thomas. entdeckt wurde Seebeck.
Arten von Thermoelementen
Beliebige zwei Drähte aus verschiedenen Metallen, die sich berühren, erzeugen beim Erhitzen eine Spannung; Bestimmte Kombinationen von Legierungen sind jedoch aufgrund ihrer Leistung, Stabilität und chemischen Eigenschaften Standard.
Am gebräuchlichsten sind Thermoelemente aus unedlen Metallen, die aus Eisen oder Legierungen aus Nickel und anderen Elementen bestehen und je nach Zusammensetzung als Typen J, K, T, E und N bekannt sind.
„Edelmetall“-Thermoelemente aus Platin-Rhodium und Platindrähten für den Einsatz bei höheren Temperaturen sind als Typen R, S und B bekannt. Je nach Typ können Thermoelemente Temperaturen von etwa -270 °C bis 1.700 °C oder höher (etwa -454 °F bis 3.100 °F oder höher) messen.
Einschränkungen von Thermoelementen
Die Vor- und Nachteile von Thermoelementen hängen von der Situation ab, und es ist wichtig, zuerst ihre Grenzen zu verstehen. Der Ausgang eines Thermoelements ist sehr klein, typischerweise nur etwa 0,001 Volt bei Raumtemperatur und steigt mit steigender Temperatur an. Jeder Typ hat seine eigene Gleichung, um Spannung in Temperatur umzuwandeln. Die Beziehung ist keine gerade Linie, daher sind diese Gleichungen mit vielen Begriffen etwas komplex. Trotzdem sind Thermoelemente auf Genauigkeiten von bestenfalls etwa 1 C oder etwa 2 F beschränkt.
Um ein kalibriertes Ergebnis zu erhalten, muss die Spannung des Thermoelements mit einem Referenzwert verglichen werden, bei dem es sich um ein anderes Thermoelement handelte, das in ein Eiswasserbad getaucht wurde. Dieses Gerät erzeugt bei 0 C oder 32 F eine „Kaltstelle“, die jedoch offensichtlich umständlich und unbequem ist. Moderne elektronische Eispunkt-Referenzschaltungen haben universell Eiswasser ersetzt und die Verwendung von Thermoelementen in tragbaren Anwendungen ermöglicht.
Da Thermoelemente den Kontakt zweier unterschiedlicher Metalle erfordern, unterliegen sie Korrosion, die ihre Kalibrierung und Genauigkeit beeinträchtigen kann. In rauen Umgebungen wird die Verbindung normalerweise durch eine Stahlummantelung geschützt, die verhindert, dass Feuchtigkeit oder Chemikalien die Drähte beschädigen. Dennoch sind Pflege und Wartung von Thermoelementen für eine gute Langzeitleistung erforderlich.
Vor- und Nachteile von Thermoelementen
Thermoelemente sind einfach, robust, leicht herzustellen und relativ kostengünstig. Sie können mit extrem feinem Draht hergestellt werden, um die Temperatur von winzigen Objekten wie Insekten zu messen. Thermoelemente sind über einen sehr weiten Temperaturbereich nützlich und können an schwierigen Stellen wie Körperhöhlen oder missbräuchlichen Umgebungen wie Kernreaktoren eingesetzt werden.
Bei all diesen Vorteilen müssen vor der Anwendung die Nachteile von Thermoelementen berücksichtigt werden. Der Ausgang mit Millivolt-Pegel erfordert die zusätzliche Komplexität einer sorgfältig entwickelten Elektronik, sowohl für die Eispunktreferenz als auch für die Verstärkung des winzigen Signals.
Darüber hinaus ist die Niederspannungsantwort anfällig für Rauschen und Störungen durch umgebende elektrische Geräte. Thermoelemente benötigen möglicherweise eine geerdete Abschirmung, um gute Ergebnisse zu erzielen. Die Genauigkeit ist auf etwa 1 °C (etwa 2 °F) begrenzt und kann durch Korrosion der Verbindungsstelle oder der Drähte weiter verringert werden.
Anwendungen von Thermoelementen
Die Vorteile von Thermoelementen haben dazu geführt, dass sie in einer Vielzahl von Situationen eingesetzt werden, von der Steuerung von Haushaltsöfen bis hin zur Überwachung der Temperatur von Flugzeugen, Raumfahrzeugen und Satelliten. Öfen und Autoklaven verwenden Thermoelemente, ebenso Pressen und Formen für die Herstellung.
Viele Thermoelemente können in Reihe geschaltet werden, um eine Thermosäule zu bilden, die als Reaktion auf die Temperatur eine höhere Spannung erzeugt als ein einzelnes Thermoelement. Thermopiles werden verwendet, um empfindliche Geräte zum Nachweis von Infrarotstrahlung herzustellen. Thermosäulen können auch Strom für Raumsonden aus der Wärme des radioaktiven Zerfalls in einem thermoelektrischen Radioisotop-Generator erzeugen.