Thermoelemente in der Industrie: Typen, Funktionsweise und Anwendungen

Thermoelemente sind unverzichtbare Sensoren in der modernen Industrie. Ob in der Metallverarbeitung, chemischen Verarbeitung oder Energieerzeugung, sie messen Temperaturen präzise und zuverlässig unter extremen Bedingungen. In diesem Artikel erklären wir die Funktionsweise, die verschiedenen Typen und ihre spezifischen Einsatzmöglichkeiten im industriellen Umfeld.

Was ist ein Thermoelement?

Ein Thermoelement ist ein Temperatursensor, der auf dem Seebeck-Effekt basiert: Wenn zwei unterschiedliche Metalle an einem Punkt verbunden werden und eine Temperaturdifferenz entsteht, wird eine elektrische Spannung erzeugt. Diese Spannung korreliert direkt mit der Temperatur und kann gemessen werden.

Im Vergleich zu Widerstandsthermometern (wie dem PT100) zeichnen sich Thermoelemente durch ihre Robustheit, ihren großen Messbereich und ihre schnelle Reaktionszeit aus. In der Industrie werden sie oft in Umgebungen eingesetzt, in denen hohe Temperaturen, Vibrationen oder chemische Einflüsse andere Sensoren überfordern würden. Ihre einfache Konstruktion und Kosteneffizienz machen sie zur ersten Wahl für viele Ingenieure.

Aufbau eines Thermoelements

Die Grundstruktur eines Thermoelements besteht aus folgenden Komponenten:

1. Zwei unterschiedliche Metalldrähte
   Ein Thermoelement wird aus zwei Drähten unterschiedlicher Metalle oder Legierungen (z. B. Eisen und Konstantan) gebildet, die miteinander verbunden sind. Diese Kombination bestimmt den Typ des Thermoelements, wie Typ K, J, T oder E.
2. Messstelle (Hot Junction)
   Dies ist der Punkt, an dem die beiden Drähte zusammenkommen und die Temperatur gemessen wird. Die Messstelle wird der zu messenden Umgebung ausgesetzt.
3. Referenzstelle (Cold Junction)
   Am anderen Ende der Drähte befindet sich die Referenzstelle, die auf eine bekannte Temperatur gehalten wird (oft 0°C). Der Spannungsunterschied zwischen Mess- und Referenzstelle dient zur Berechnung der Temperatur.
4. Isolierung und Schutz
   Die Drähte sind häufig mit Materialien wie Keramik oder Kunststoff isoliert, um sie vor extremen Bedingungen wie hohen Temperaturen oder Korrosion zu schützen.
5. Anschluss an Messgeräte
   Die Drähte werden mit einem Messinstrument, wie einem Voltmeter oder Temperaturregler, verbunden, das die Spannung in eine Temperaturangabe umwandelt.

Typen von Thermoelementen

Thermoelemente gibt es in verschiedenen Varianten, die sich durch ihre Materialkombinationen und Temperaturbereiche unterscheiden. Hier eine Übersicht der wichtigsten Typen für industrielle Zwecke:

Typ J (Fe-CuNi)

• Materialien: Eisen (Fe, magnetisch) und Konstantan Cu-Ni (Kupfer-Nickel)
• Temperaturbereich: -210°C bis +1200°C
• Eigenschaften: günstig, aber empfindlich gegenüber Oxidation bei hohen Temperaturen
• Einsatz: geeignet für kleinere Öfen und im Maschinenbau

Typ K (NiCr-NiAl)

• Materialien: Nickel-Chrom (NiCr) und Nickel-Aluminium (NiAl)
• Temperaturbereich: -200°C bis +1372°C
• Eigenschaften: hohe Stabilität und Widerstandsfähigkeit gegen Oxidation
• Einsatz: häufig in der Metallverarbeitung und Petrochemie, da es vielseitig und kostengünstig ist

Typ N (NiCrSi-NiSiMg)

• Materialien: Nicrosil (Nickel-Chrom-Silizium) und Nisil (Nickel-Silizium-Magnesium)
• Temperaturbereich: -200°C bis +1300°C
• Eigenschaften: hohe Stabilität und Korrosionsbeständigkeit
• Einsatz: chemische Industrie und Forschung

Typ T (Cu-CuNi)

• Materialien: Kupfer (Cu) und Konstantan Cu-Ni (Kupfer-Nickel)
• Temperaturbereich: -250°C bis +400°C
• Eigenschaften: ideal für niedrige Temperaturen
• Einsatz: Kryotechnik und Lebensmittelverarbeitung

Typ E (NiCr-CuNi)

• Materialien: Nickel-Chrom (NiCr) und Konstantan Cu-Ni (Kupfer-Nickel)
• Temperaturbereich: -250°C bis +1000°C
• Eigenschaften: höchste Thermospannung aller gängigen Thermoelemente, gute Genauigkeit
• Einsatz: Kryotechnik, Lebensmittelindustrie und Labortechnik

Typ B (Pt10Rh-Pt)

• Materialien: Platin-10% Rhodium (Pt10Rh) und Platin (Pt)
• Temperaturbereich: +600°C bis +1820°C
• Eigenschaften: extrem hoher Temperaturbereich, sehr stabil bei Langzeitmessungen
• Einsatz: Glas- und Keramikproduktion, Hochtemperaturöfen

Typ S (Pt13Rh-Pt)

• Materialien: Platin-13% Rhodium (Pt13Rh) und Platin (Pt)
• Temperaturbereich: -20°C bis +1767°C
• Eigenschaften: sehr präzise, wird auch als Referenzstandard eingesetzt
• Einsatz: Hochtemperaturanwendungen wie Glas- und Keramikproduktion, Kalibrierung

Typ R (Pt30Rh-Pt6Rh)

• Materialien: Platin-30% Rhodium (Pt30Rh) und Platin-6% Rhodium (Pt6Rh)
• Temperaturbereich: -20°C bis +1767°C
• Eigenschaften: ähnlich wie Typ S, aber mit höherer Stabilität bei extremen Temperaturen
• Einsatz: Stahlproduktion, Glasindustrie und Hochtemperaturforschung

Thermoelemente im Vergleich

Farbcodes für Thermoelemente

Thermoelementdrähte werden anhand von Farbcodes identifiziert. Diese Farben unterscheiden sich je nach Norm und Region. In Europa wird hauptsächlich die internationale Norm IEC 584-3 sowie die DIN 43714 (Deutsch/Niederländisch) verwendet.

Die folgende Übersicht zeigt die Farbcodes für alle gängigen Thermoelementtypen nach internationaler (IEC), deutscher (DIN), britischer (BS), französischer (NFC), japanischer (JIS) und amerikanischer (ANSI) Norm.

Die Farbcode-Übersicht ist auch als PDF im A2-Format zum Ausdrucken verfügbar:

Farbcode-Übersicht herunterladen (PDF)

Wie funktioniert ein Thermoelement in der Praxis?

Die Funktionsweise eines Thermoelements ist einfach, aber effektiv. Zwei unterschiedliche Metallenden, die Messstelle und die Vergleichsstelle, erzeugen eine Spannung, die proportional zur Temperaturdifferenz ist. Diese Spannung wird mit einem Messgerät erfasst und in Temperaturwerte umgerechnet.

In der Industrie ist die korrekte Platzierung der Vergleichsstelle entscheidend. Oft wird sie bei 0°C gehalten (z. B. mit einem Eisbad), oder ein Kompensationskabel wird verwendet, um Messfehler zu minimieren. Die Robustheit eines Thermoelements erlaubt es, direkt in Schmelzöfen oder Reaktoren integriert zu werden, wo andere Sensoren versagen würden.

Industrielle Anwendungen von Thermoelementen

Thermoelemente sind in der Industrie allgegenwärtig. Hier die wichtigsten Einsatzgebiete:

Metallurgie und Gießereien

Einsatz von Typ K oder Typ S zur Überwachung von Schmelztemperaturen (bis 1600°C), z. B. beim Aluminiumschmelzen.

Chemische Industrie

Typ N wird bevorzugt wegen seiner Korrosionsbeständigkeit in aggressiven Umgebungen eingesetzt, beispielsweise zur Temperaturmessung in Reaktoren und Destillationsanlagen.

Energieerzeugung

Überwachung von Turbinen und Kesseln mit Hochtemperatur-Thermoelementen. Typ S oder B eignen sich für extreme Bedingungen.

Automobilindustrie

Messung von Abgastemperaturen mit Typ K oder J. Integration in Prüfstände und Motoren.

Kunststoffverarbeitung

In der Extrusion und im Spritzguss werden Thermoelemente zur Überwachung der Zylindertemperatur, der Massetemperatur und der Werkzeugtemperatur eingesetzt. Hier kommen häufig Typ J und Typ K zum Einsatz, oft in Kombination mit einem Massetemperaturfühler.

Praktische Tipps für den industriellen Einsatz

Auswahl des richtigen Thermoelements

Berücksichtigen Sie den Temperaturbereich und die Umgebungsbedingungen. Für hohe Temperaturen ist Typ S ideal, für Vielseitigkeit und Kosteneffizienz Typ K.

Installation und Wartung

Verwenden Sie geeignete Thermoelementstecker und Kompensationskabel, um Signalverluste zu vermeiden. Testen Sie regelmäßig mit einem Multimeter, um Abnutzung frühzeitig zu erkennen.

Fehlerbehebung

Typische Probleme sind Oxidation (insbesondere bei Typ J) oder Drift (bei Typ K). Ersetzen Sie defekte Thermoelemente rechtzeitig. Bei komplexen Systemen hilft ein Datenlogger bei der Diagnose.

Fazit

Thermoelemente sind das Rückgrat der Temperaturmessung in der Industrie. Vom vielseitigen Typ K bis zum hochpräzisen Typ S bieten sie Lösungen für nahezu jede Anwendung, sei es in der Metallurgie, Chemie, Energieerzeugung oder Kunststoffverarbeitung. Ihre einfache Funktionsweise kombiniert mit extremer Robustheit macht sie unverzichtbar. Wählen Sie basierend auf dem Temperaturbereich und der Umgebung sorgfältig aus.