Thermoelemente, Thermistoren & Thermometer — Messprinzipien

Unit 1. Thermoelement

Ein Thermoelement ist ein Gerät, das durch die Verbindung zweier unterschiedlicher Metalle eine Spannung (Seebeck-Effekt) erzeugt. Diese Spannung ist eine Funktion des Temperaturunterschieds zwischen einem Ende ("Hot Spot") und dem anderen Ende ("kalter Anschluss"). In der industriellen Messtechnik werden Thermoelemente allgemein als Temperatursensoren eingesetzt. Sie sind kostengünstig, austauschbar, haben standardisierte Anschlüsse und eignen sich zum Messen einer Vielzahl von Temperaturen.

Auswahlkriterien für Thermoelementdrähte:

• Widerstand gegen Korrosion, Oxidation, Reduktion und Kristallisation
• Relativ hohe Stabilität der elektromotorischen Kraft (EMK)
• Geringe Kosten
• Niedriger elektrischer Widerstand
• EMF-Anstieg parallel zur Zunahme der Temperatur

Thermistor

Ein Thermistor ist ein Halbleiterbauelement mit einem hohen negativen Temperaturkoeffizienten: Mit zunehmender Temperatur (T) sinkt der Widerstand stark. Dadurch liefert ein Thermistor große und schnelle Widerstandsänderungen bei kleinen Temperaturänderungen. Thermistoren sind in der Regel klein; die Ansprechzeit hängt von der Wärmekapazität und der Masse des Thermistors ab.

Thermoresistenz (Widerstandsthermometer)

Die Thermoresistenz beruht auf der Änderung des elektrischen Widerstands eines metallischen Leiters in Abhängigkeit von der Temperatur. Die Kennlinie lässt sich näherungsweise durch

R(T) = R0 (1 + α T)

beschreiben. Widerstandsthermometer gibt es in zwei Hauptarten: metallbasiert und halbleiterbasiert.

Strahlungspyrometer

Strahlungspyrometer werden verwendet, um hohe Temperaturen zu messen; sie erfassen die gesamte oder den Großteil der von einem Körper abgegebenen Strahlung. Sie basieren auf dem Stefan–Boltzmann-Gesetz, das besagt, dass die Intensität der abgestrahlten Energie von der Oberfläche eines schwarzen Körpers proportional zur vierten Potenz der absoluten Temperatur des Körpers ist.

Dilatationsthermometer: Kugel und Kapillare

Die Dilatationsthermometer (Kugel- und Kapillarthermometer) bestehen aus einer Glaskugel mit einer Flüssigkeit, die durch eine Kapillare mit einem Rohr verbunden ist. Wenn sich die Temperatur der Kugel ändert, dehnt sich die Flüssigkeit in der Kugel aus bzw. zieht sich zusammen, wodurch sich die Flüssigkeitssäule in der Kapillare verschiebt. Diese Verschiebung wird über ein Hebelwerk auf eine Anzeige (Nadel) übertragen, die die Temperaturänderung der Kugel anzeigt.

Glasthermometer

Glasthermometer bestehen aus einem Glasbehälter mit einer Flüssigkeit, die sich bei Erwärmung ausdehnt und durch die Kapillare steigt. Der Einsatz wird durch Eigenschaften wie Gefrierpunkt und Siedepunkt der verwendeten Flüssigkeit begrenzt. Deshalb wird die Wahl der Füllflüssigkeit je nach Messbereich getroffen.

Bimetall-Thermometer

Bimetallthermometer bestehen aus zwei miteinander verbundenen Metallstreifen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Die Metalle dehnen sich bei Erwärmung unterschiedlich stark, wodurch sich der Bimetallstreifen bei Temperaturänderungen biegt. Diese Biegung wird mechanisch auf eine Anzeige übertragen. Bimetallthermometer benötigen in der Regel keine Zahnräder und sind wartungsarm und zuverlässig.