Wie funktioniert ein Thermoelement?

Funktionsweise eines Thermoelements einfach erklärt

Die Funktionsweise eines Thermoelements beruht auf einem einfachen physikalischen Prinzip: Zwei Drähte aus unterschiedlichen Metallen sind an einem Ende miteinander verbunden. Wird diese Verbindungsstelle erwärmt, entsteht zwischen den beiden freien Enden eine messbare elektrische Spannung. Eine Übersicht der lieferbaren Ausführungen finden Sie in der Kategorie Thermoelemente.

Diese Thermospannung liegt im Bereich weniger Mikrovolt pro Grad Celsius und steht in einem festen Verhältnis zur Temperaturdifferenz. Ein Auswertegerät oder ein Temperaturregler wertet dieses Signal aus und rechnet es über eine hinterlegte Kennlinie in eine Temperatur um.

Genau diese Einfachheit macht das Thermoelement zu einem robusten und weit verbreiteten Temperatursensor in der Industrie. Es benötigt keine eigene Stromversorgung, reagiert schnell und deckt je nach Typ einen großen Temperaturbereich ab.

Der Seebeck-Effekt als physikalische Grundlage

Der Seebeck-Effekt ist die physikalische Grundlage jedes Thermoelements. Thomas Johann Seebeck beschrieb, dass in einem Stromkreis aus zwei unterschiedlichen Metallen eine Spannung entsteht, sobald die Verbindungsstellen der beiden Leiter unterschiedliche Temperaturen haben.

Der Grund liegt in der Beweglichkeit der freien Elektronen im Metall. Wird ein Leiter an einem Ende erwärmt, wandern dort mehr Elektronen zum kälteren Ende als umgekehrt. So entsteht ein Ladungsunterschied und damit eine Spannung.

Da zwei verschiedene Metalle diesen Effekt unterschiedlich stark zeigen, hebt sich die Spannung nicht auf, sondern bleibt als messbare Thermospannung erhalten. Würde man zwei Drähte aus demselben Material verwenden, wäre die Differenz null und keine Messung möglich.

Aufbau eines Thermoelements

Der Aufbau eines Thermoelements ist bewusst einfach gehalten und besteht im Kern aus zwei Thermodrähten, einer Messstelle und einer Vergleichsstelle. Die Kombination der beiden Metalle bestimmt den Thermoelementtyp und damit den Messbereich.

Für den industriellen Einsatz sitzt der eigentliche Messeinsatz meist geschützt in einem Schutzrohr mit Anschlusskopf, sodass er sich auch im laufenden Betrieb austauschen lässt.

Messstelle und Vergleichsstelle

Ein Thermoelement besitzt zwei Bezugspunkte: die Messstelle (heißes Ende) und die Vergleichsstelle (kaltes Ende). Die Messstelle ist die Verbindung der beiden Thermodrähte und befindet sich an der zu messenden Temperatur. Die Vergleichsstelle liegt am Übergang zum Auswertegerät.

Ein Thermoelement misst nicht die absolute Temperatur, sondern die Temperaturdifferenz zwischen Mess- und Vergleichsstelle. Daher muss die Temperatur der Vergleichsstelle bekannt oder elektronisch kompensiert werden, um die tatsächliche Temperatur an der Messstelle zu bestimmen.

Kaltstellenkompensation an der Vergleichsstelle

Die Kaltstellenkompensation korrigiert den Einfluss der Vergleichsstellentemperatur auf das Messergebnis. Da das Thermoelement nur die Differenz zwischen Mess- und Vergleichsstelle liefert, muss die Temperatur an der Vergleichsstelle bekannt sein, um daraus die tatsächliche Temperatur an der Messstelle zu berechnen.

Früher wurde die Vergleichsstelle dafür auf konstant 0 °C gehalten, etwa in einem Eisbad. In modernen Auswertegeräten übernimmt eine elektronische Kaltstellenkompensation diese Aufgabe automatisch: Ein zusätzlicher Sensor misst die Temperatur am Anschlussklemmenblock und rechnet sie in das Ergebnis ein.

Ohne korrekte Kaltstellenkompensation ist die Temperaturmessung grundsätzlich fehlerhaft, unabhängig davon, wie genau das Thermoelement selbst arbeitet.

Vom Temperaturunterschied zum Messwert

Vom Temperaturunterschied zum fertigen Messwert durchläuft das Signal mehrere Schritte. An der Messstelle entsteht durch die Temperaturdifferenz die Thermospannung, ein Signal im Millivoltbereich.

Dieses Signal wird über die Thermodrähte und die passende Anschlussleitung bis zur Vergleichsstelle geführt. Am Auswertegerät wird die Spannung gemessen, um den Wert der Kaltstellenkompensation korrigiert und über die typspezifische Kennlinie in eine Temperatur umgerechnet.

Weil das Ausgangssignal sehr klein ist, reagiert die Messung empfindlich auf Störeinflüsse: Ein falscher Leitungstyp, eine vertauschte Polarität oder elektromagnetische Einstreuung verfälschen den Messwert unmittelbar. Genau deshalb ist der korrekte Anschluss ebenso wichtig wie das Thermoelement selbst.

Warum die Metallpaarung den Thermoelementtyp bestimmt

Die Metallpaarung bestimmt den Thermoelementtyp, den Messbereich und die Empfindlichkeit. Jede Kombination zweier Metalle erzeugt bei gleicher Temperaturdifferenz eine andere Thermospannung, und genau daraus ergeben sich die genormten Typen mit ihren Kennbuchstaben.

Der Typ K aus Nickel-Chrom und Nickel deckt einen großen Temperaturbereich ab und ist der am häufigsten eingesetzte Typ in der industriellen Messtechnik. Der Typ J aus Eisen und Kupfer-Nickel ist in vielen klassischen Anwendungen etabliert und eignet sich für mittlere Temperaturen, während der Typ T aus Kupfer und Kupfer-Nickel seine Stärke im niedrigen Temperaturbereich hat.

Für Hochtemperaturprozesse kommen Edelmetalltypen wie S zum Einsatz. Eine ausführliche Gegenüberstellung aller Typen mit Werkstoffpaarungen und Einsatzgebieten finden Sie in unserem Leitfaden zu Thermoelementen.

Ein Thermoelement richtig anschließen

Ein Thermoelement richtig anzuschließen, entscheidet darüber, ob die Messung stimmt. Ein Thermoelement Typ J an einem Regler, der Typ K erwartet, liefert einen erheblichen Messfehler, obwohl technisch alles verbunden ist. Drei Dinge müssen deshalb zusammenpassen:

• Passende Leitung: Die Verlängerung erfolgt mit einer Thermo- oder Ausgleichsleitung des richtigen Typs, niemals mit gewöhnlicher Kupferleitung.
• Korrekte Polarität: Der Plusleiter des Thermoelements gehört auf die Plusklemme des Auswertegeräts, der Minusleiter auf die Minusklemme.
• Passende Geräteeinstellung: Das Auswertegerät ist auf denselben Thermoelementtyp eingestellt wie das Thermoelement, also J auf J und K auf K.

Die eigentliche Messstelle sollte zudem in gutem thermischem Kontakt zum Medium oder zum Bauteil stehen. Stillstehende Bereiche, tote Ecken oder kalte Wände verfälschen das Ergebnis, weil das Thermoelement dort eher seine eigene Umgebung als den Prozess misst.

Passende Thermo- oder Ausgleichsleitung wählen

Die passende Leitung ist Voraussetzung für eine korrekte Messung, denn eine gewöhnliche Kupferleitung als Verlängerung führt zu einem Fehler. An den Übergängen zwischen Thermoelementwerkstoff und Kupfer entstehen zusätzliche Thermospannungen, die das Signal verfälschen.

Deshalb muss die Leitung bis zum Auswertegerät aus passendem Material bestehen. Dabei unterscheidet man zwei Arten. Eine Thermoleitung (Kennbuchstabe X, etwa KX oder JX) besteht aus demselben Werkstoff wie das Thermoelement und ist über den gesamten Einsatzbereich gültig.

Eine Ausgleichsleitung (Kennbuchstabe C, etwa KCA oder KCB) besteht aus einem günstigeren Ersatzwerkstoff mit vergleichbarem thermoelektrischem Verhalten und ist meist bis etwa 200 °C spezifiziert. Beide müssen zum Thermoelementtyp passen. Welche Leitung sich für welchen Fall eignet, erläutern wir im Beitrag über Ausgleichsleitung und Thermoleitung.

Polarität von Plus- und Minusleiter beachten

Die Polarität ist bei Thermoelementen nicht nebensächlich, denn ein vertauschter Anschluss lässt die Messung in die falsche Richtung laufen. Das Thermoelement erzeugt ein Signal, das mit steigender Temperatur an der Messstelle positiv zunimmt. Werden Plus- und Minusleiter vertauscht, zeigt das Auswertegerät bei Erwärmung einen fallenden Wert an.

Die Folge ist mehr als eine falsche Anzeige. Ein Regler, der fälschlich eine zu niedrige Temperatur erkennt, steuert weiter Wärme nach, was zu Fehlfunktionen der Temperaturregelung führen kann. Welcher Leiter Plus und welcher Minus ist, lesen Sie an der Farbkennzeichnung ab, die jedoch je nach Norm unterschiedlich ist. Eine vollständige Übersicht der Farben pro Typ und Norm finden Sie im Beitrag zum Thermoelement-Farbcode.

Ist die Kennzeichnung verblasst, hilft ein einfacher Magnet: Bei Typ J ist der Plusleiter (Eisen) deutlich magnetisch, bei Typ K der Minusleiter leicht magnetisch. Eine schnelle Kontrolle in der Praxis: Erwärmen Sie die Messstelle in der Hand. Steigt die Anzeige, ist die Polarität richtig. Fällt sie, sind die Leiter vertauscht.

Häufige Anschlussfehler bei Thermoelementen

Die meisten Messabweichungen bei Thermoelementen gehen auf wenige, immer wiederkehrende Anschlussfehler zurück. Bei einer unerklärlichen Abweichung lohnt es sich, diese Liste durchzugehen, bevor Sie das Thermoelement austauschen:

• Verpolung: Besonders tückisch nach IEC, wo der weiße Leiter der Minusleiter ist und nicht der Plusleiter.
• Falscher Leitungstyp: Eine Typ-K-Leitung an einem Thermoelement Typ J erzeugt eine sofortige Messabweichung.
• Kupferdraht als Verlängerung: Am Materialübergang entstehen zusätzliche Thermospannungen, die die Kaltstellenkompensation aushebeln.
• Falsch eingestelltes Auswertegerät: Steht der Regler auf Typ K, während das Thermoelement ein Typ J ist, stimmt der Messwert nicht.
• Leitungsführung neben Störquellen: Verläuft die Leitung parallel zu Leistungskabeln oder nahe an einem Frequenzumrichter, entsteht Rauschen auf dem Millivoltsignal.
• Mehrfache Erdung: Wird der Mantel an mehreren Punkten geerdet, entsteht eine Erdschleife, die die Messung stört.

Ein einfacher Test grenzt einen Polaritätsfehler schnell ein: Steigt die tatsächliche Temperatur, während die Anzeige fällt, sind Plus- und Minusleiter mit hoher Wahrscheinlichkeit vertauscht.

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