Das Thermoelement ist ein Temperatursensor mit vielen Anwendungen zur Kontakttemperaturmessung. Es ist eines der Bestandteile des Thermoelement-Temperaturfühlers, eines Messgeräts, dessen Hauptelemente der Sensor und ein Datenlesegerät sind. Normalerweise mit einem Flüssigkristallbildschirm. Das Thermoelement wird oft als Thermostat bezeichnet und ist einer der am häufigsten verwendeten Sensoren. Neben dem Infrarotsensor und dem Thermistor, dessen Widerstand von der Temperatur abhängt. Die Vorteile des Thermoelements liegen in seiner Robustheit, seinem günstigen Preis und seiner Reaktionsgeschwindigkeit. Aber auch seine Fähigkeit, über weite Temperaturbereiche zu messen.
Wie funktioniert ein Thermoelementsensor?
Die Funktionsweise des Thermoelements basiert auf einem Phänomen, das als thermoelektrischer Seebeck-Effekt bezeichnet wird. Dieses Phänomen äußert sich durch das Auftreten einer elektrischen Spannung innerhalb eines offenen Stromkreises. Es besteht häufig aus zwei leitfähigen Materialien unterschiedlicher Beschaffenheit bei einer Temperaturschwankung. Die Umrechnung der Spannung in die Temperatur erfolgt je nach Thermoelementtyp mithilfe des Seebeck-Koeffizienten. Die für eine optimale Funktion von Thermoelementen zu treffenden Vorsichtsmaßnahmen sind die Auswahl des geeigneten Typs je nach Anwendung und Art der Verbindung. Wichtig ist auch die Berücksichtigung elektromagnetischer Störungen.
Temperaturmessung mit dem Thermoelement
Der Thermoelementsensor enthält zwei Drähte aus unterschiedlich leitfähigen Metallen, die durch eine Verbindung, die als Hot Spot bezeichnet wird, miteinander verbunden sind. Der mit dem Gerät verbundene Kaltpunkt ist das andere Ende. Wenn der Hotspot Hitze oder Kälte ausgesetzt wird, ändert sich die Elektronendichte jedes Metalldrahtes. Der elektrische Strom, der durch den Sensor fließt, entsteht durch den Temperaturunterschied zwischen dem heißen und dem kalten Punkt. Um die Temperatur mit einem Thermoelement genau zu messen, müssen Sie entweder den Kaltpunkt bei 0°C halten. Oder implementieren Sie das, was wir Kaltstellenkompensation nennen.
Das Thermoelement gibt es in verschiedenen Ausführungen
Es gibt verschiedene Arten von Thermoelementen, die unterschiedliche Temperaturmessbereiche bieten und für verschiedene Arten von Anwendungen geeignet sind. Die Auswahl des geeigneten Thermoelementfühlertyps hängt von der Umgebung und dem für den Kauf bereitgestellten Budget ab. Die 8 hauptsächlich verwendeten Typen von Thermoelementsensoren fallen unter die europäische Norm IEC 60584.1 Einige Typen enthalten unedle Metalle und sind daher kostengünstig. Die Typen B, R und S bestehen aus Edelmetallen wie Platin, was ihren Preis erhöht.
Was beeinflusst die Reaktionszeit des Thermoelements?
Die Reaktionszeit von Thermoelementen variiert je nach Design und nicht nach Typ. Die Eigenschaften, die die Reaktionsgeschwindigkeit dieser Sensoren beeinflussen, sind vielfältig. Es gibt den Sondenschutz, die Verbindungsmethode oder sogar das Verbindungskabel. Je direkter der Kontakt mit der Umgebung ist, deren Temperatur wir messen wollen, desto schneller ist die Reaktion der Messsonden. Ein Thermoelement ohne Metallgehäuse oder Schutzhülle liefert daher eine schnelle Reaktion. Blanke Drähte können je nach Material und Umgebung korrodieren, daher muss jede Eigenschaft sorgfältig ausgewählt werden.
Konvertierungstabellen
Eine Thermoelement-Umrechnungstabelle oder ist ein Werkzeug zur Umrechnung einer elektromotorischen Kraft (EMK) in eine Temperatur in Grad Celsius oder Fahrenheit. Es ermöglicht auch die Kalibrierung der Thermosonde durch Vergleich der erhaltenen Spannung mit der erwarteten Temperatur. Um Thermoelement-Umrechnungstabellen lesen zu können, müssen Sie den Typ des verwendeten Thermoelements kennen, wobei jeder Typ seinen eigenen Seebeck-Koeffizienten hat. Um die Tabelle zu lesen, vergleichen wir die festgestellte Potenzialdifferenz mit der Temperatur in Grad Celsius oder Fahrenheit.
Thermoelementkurven
Eine Alternative zur tabellarischen Darstellung des Spannungs-/Temperaturverhältnisses ist die Grafik. Auf der Abszisse ist die Temperatur aufgetragen, auf der Ordinate die Spannung. Die Verbindung zwischen beiden ist nicht linear, sondern bildet eine Kurve. Jeder Thermoelementtyp hat eine eigene Kurve die es ermöglicht, die Variationen zwischen den beiden Daten visuell zu erkennen. Thermoelementkurven basieren wie die Tabellen auf der am Sensor aufgezeichneten Spannung, wenn der Kaltpunkt bei 0 °C liegt. Es ist daher erforderlich, diese Schweißnaht in einem Bad aus gerührtem Eiswasser zu halten oder einen Ausgleich durchzuführen. Bei dieser Technik wird die kalte Stelle bei Raumtemperatur belassen. Dann messen wir diese Temperatur und wandeln sie in Spannung um, um der endgültigen Berechnung einen Korrekturkoeffizienten hinzuzufügen.
Messbereiche
Wenn das Thermoelement der in der Industrie am häufigsten verwendete Sensortyp ist, liegt das vor allem daran, dass es die Messung eines weiten Temperaturbereichs ermöglicht. Je nach Typ kann er Temperaturen von -200°C bis 1.800°C messen. Thermoelemente, die sehr niedrige Temperaturen messen können, sind die Typen K, J, T und N. Für hohe Temperaturen werden die Typen N, S, R und B verwendet. Um ein für eine bestimmte Anwendung geeignetes Thermoelement auszuwählen, müssen der zu messende Temperaturbereich und der Messbereich des Thermoelementtyps übereinstimmen.
Thermoelementkalibrierung
Was wir Kalibrierung oder Kalibrierung des Thermoelements nennen ist ein Verfahren, bei dem überprüft wird, ob die auf dem Voltmeter der Thermosonde angezeigte Spannung der korrekten Temperatur in der Umrechnungstabelle entspricht . Dazu muss die Messstelle eine sicher bekannte Temperatur haben. Die durchgeführten Tests ermöglichen es, die Genauigkeit der Sonde an verschiedenen Punkten ihres Messbereichs zu überprüfen. Wenn die Ergebnisse auf eine Nichtübereinstimmung zwischen der Spannung und der entsprechenden Temperatur in der Umrechnungstabelle hinweisen, muss bei Verwendung des Sensors ein Korrekturkoeffizient hinzugefügt werden. Falsche Werte können eine Beschädigung eines Elements der Sonde bedeuten, beispielsweise des Sensors selbst, des Steckers oder des Rekorders.
Wie führt man Tests an einem Thermoelement durch?
Testen ist einer der wesentlichen Schritte der Kalibrierung. Es wird empfohlen, ein Thermoelement zu testen, wenn der Fühler eine Änderung seiner Belegung erfährt, regelmäßig abhängig von der Intensität seiner Nutzung oder bei Verdacht auf einen Fehler. Die im Allgemeinen zum Testen eines Thermoelements angewendeten Verfahren folgen den ASTM-Empfehlungen (American Society for Testing and Materials) für die Kalibrierung von Thermoelementen. Zwei Optionen sind möglich: Kalibrierung durch Vergleich oder Festpunkt. Im Vergleich führen wir eine Temperaturmessung sowohl mit der zu prüfenden Sonde als auch mit einem Referenzsensor durch, von dem wir wissen, dass er zuverlässig ist. An festen Punkten wird der Sensor der Tripelpunkttemperatur des Wassers ausgesetzt.
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