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Ein Thermoelement ist ein Bauteil aus zwei unterschiedlichen und an einem Ende miteinander verbundenen Metallen oder Halbleitern. Am offenen Ende wird aufgrund des Seebeck-Effekts eine elektrische Spannung erzeugt, wenn die Verbindungsstelle und die freien Enden unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt sind.

Der Seebeck-Effekt besagt, dass zwei unterschiedliche Metalle, die miteinander verbunden sind, an ihrer Anschlussstelle eine thermoelektrische Spannung entstehen lassen, wenn entlang der Metalle ein Temperaturgefälle besteht. Diese thermoelektrische Spannung (auch Thermokraft genannt) ist temperaturabhängig und hat bei Metallen eine Größe von wenigen Mikrovolt pro Kelvin Temperaturunterschied. Der Zusammenhang zwischen Spannung und Temperatur ist bei den meisten Metallen und Legierungen nahezu linear. Bei genauen Messungen oder großen Messbereichen muss die Nichtlinearität berücksichtigt werden.

Mit Hilfe der sogenannten thermoelektrischen Spannungsreihe (vgl. DIN EN 60584) kann auf die Temperatur an der Verbindungsstelle (Messstelle) geschlossen werden.

Jedes Metall und jede Legierung besitzt einen thermoelektrischen Koeffizienten, der üblicherweise relativ zu Platin angegeben wird. Dieser sogenannte k-Wert gestattet es, die Thermospannung der Metallpaarung eines Thermoelementes zu errechnen.

Bei der Auswahl einer Materialpaarung zu Messzwecken strebt man eine hohe Thermospannung, hohe Linearität und hohe Korrosionsfestigkeit bzw. geringe Oxidation bei hohen Temperaturen an. Diese Ziele sind nicht mit einer einzigen Kombination erreichbar. Daher werden je nach Einsatzzweck unterschiedliche Materialpaarungen verwendet.

Weit verbreitete Thermoelementpaarungen:

• Nickel - Chrom/Nickel (Typ K; häufigster Typ)
• Platin - Platin/Rhodium (Typ S; für hohe Temperaturen)

Für die Messungen hoher Temperaturen (T > 1600°C) werden auch Iridium-Iridium/Rhodium-Thermoelemente, für die Messung niedriger Temperaturen (T < -250°C) Gold/Eisen-Nickel/Chrom- oder Gold/Eisen-Gold/Silber-Thermoelemente verwendet.

Anwendungen

Temperaturmessung

Im folgenden Beispiel wird die Spannung Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): U_{th}

angegeben, die an einem sogenannten Typ-K-Thermoelement bei der Temperatur Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): T_{Mess}
anliegt:

Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): U_{th} = (k_{NiCr} - k_{Ni}) \cdot \Delta T

mit
Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): \Delta T = T_{Mess} - T_{Vergleichstemperatur}

Ein Thermoelement vom Typ K besteht aus einem Übergang zwischen einer Nickel-Chrom-Legierung und Nickel, wobei Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): k_{NiCr}

und Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): k_{Ni}
die thermoelektrischen Koeffizienten der Metalle Nickelchrom und Nickel darstellen. Durch Umstellen der Gleichung nach Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): T_{Mess}
kann die gesuchte Temperatur aus der am Thermoelement gemessenen Spannung errechnet werden.

Die Thermospannung wird meist durch einen geeigneten Verstärker aufbereitet, um sie messtechnisch erfassen zu können. Anhand der Differenz zur Vergleichsstellentemperatur (z.B. Eiswasser für 0°C oder ein 50°C-Vergleichsstellenthermostat) kann mit Hilfe der obigen Gleichung des Thermoelements dann die Temperatur an der Messstelle besser als ein Zehntel Kelvin genau bestimmt werden.

Anmerkung zur Vergleichsstellentemperatur

Ein Thermoelement besteht notwendigerweise aus zwei Metallübergängen (Mess- und Vergleichsstelle), deren thermoelektrische Spannungen entgegengesetzt sind - sie liefern somit immer relative Werte zur sogenannten Vergleichsstellentemperatur. Liegt die Temperatur der Messstelle darüber, so liefert es positive Spannungswerte, liegt sie darunter, ist die Spannung negativ. Ist die Messstellen-Temperatur gleich der Vergleichsstellen-Temperatur, ist die Summe der Thermospannungen null.

Die Vergleichsstelle ist die Anschluss-Stelle der unterschiedlichen Metalldrähte des Thermoelementes an eine Leitung (z.B. Kupferkabel) - häufig identisch mit dem Eingang des Messgeräts. Mittels sogenannter Ausgleichsleitungen (aus identischem Thermomaterial oder auch als preiswertere Metall-Leitungen, die in begrenztem Temperaturbereich die gleichen thermoelektrischen Koeffizienten wie die jeweiligen Thermoelement-Drähte besitzen) kann die Vergleichsstelle an einen entfernteren Ort verlegt werden.

Während man früher diese Vergleichsstellen in einem Bad mit Eiswasser, einer elektrisch gekühlten Eispunktreferenz (Referenztemperatur 0°C) oder auch in einem Thermostat (Referenztemperatur meist 50°C) unterbrachte, wird heute üblicherweise der Anschluss des Messgeräts als Vergleichsstelle verwendet und die (veränderliche) Temperatur dieses Anschlusses gemessen. Dafür werden z.B. Thermistoren oder Widerstandsthermometer verwendet und die gemessene Thermospannung numerisch korrigiert. Alternativ dazu werden in einfachen Geräten auch integrierte Schaltkreise verwendet, die nicht nur als Verstärker für die gemessene Spannung dienen, sondern auch direkt die Vergleichsstellentemperatur kompensieren - vorausgesetzt, sie haben die gleiche Temperatur wie die Anschluss-/Vergleichsstelle. Dieses Verfahren wird häufig in digitalen Vielfachmessgeräten (DVM) angewandt, die zur Temperaturmessung mit Thermoelementen ausgerüstet sind.

Strahlungsmessung

Die Hintereinanderschaltung mehrerer Thermoelemente ergibt eine Thermosäule (engl: Thermopile). Die thermoelektrische Spannung summiert sich entsprechend der Anzahl der Thermoelemente. Thermosäulen werden in empfindlichen Infrarotdetektoren und Laser-Leistungsmessern verwendet. Dabei wird die Temperaturdifferenz entlang eines Wärmeleiters (Scheibe, Kegel) gemessen, indem die Verbindungsstellen der Thermoelemente jeweils abwechselnd näher oder weiter entfernt von der Absorptionsfläche angebracht werden. Bei empfindlichen Aufbauten bilden die Thermoelemente selbst den Wärmeleiter.

Energiewandlung

Die direkte Wandlung von Wärme in elektrische Energie ist mit einem thermoelektrischen Generator möglich. Man verwendet hierfür statt Metallen Halbleitermaterialien (siehe Peltier-Element), wodurch sich die Effizienz gegenüber Thermoelementen wesentlich steigern lässt. Heute verfügbare thermoelektrische Elemente haben dennoch nur einen verhältnismäßig geringen Wirkungsgrad. Hinsichtlich einfachem Aufbau, Zuverlässigkeit und Lebensdauer sind sie jedoch allen anderen Verfahren überlegen.

Der Wirkungsgrad thermoelektrischer Generatoren ist nur ein Bruchteil (ca. 17 %) des Carnot-Wirkungsgrades.

Gebräuchliche Materialien sind Bi₂Te₃, PbTe, SiGe, BiSb oder FeSi₂ mit realen Wirkungsgraden zwischen 3% und 8%. Werkstoffe mit besseren thermoelektrischen Eigenschaften sind gegenwärtig nicht bekannt.

Um ausreichend hohe Spannungen zu erhalten, werden mehrere zwischen der kalten und der warmen Seite montierte Elemente elektrisch in Reihe geschaltet.

Mit thermoelektrischen Generatoren ausgerüstete Petroleumlampen oder Petroleum-Gasbrenner werden als Stromquellen in abgelegenen Gebieten verwendet (z.B. zum Betrieb eines Rundfunkempfängers).

Thermoelektrische Generatoren werden auch in Radioisotopengeneratoren (Isotopenbatterien), u.a. für Raumsonden oder in abgelegenen Mess-Sonden, verwendet: radioaktiver Zerfall künstlich hergestellter Radioisotope erzeugt hier die zum Betrieb erforderliche Wärme.

Feuerungsanlagen

In Gasherden und Gas-Durchlauferhitzern dienen Thermoelemente dazu, die brennende Flamme zu überwachen. Das durch die Flamme erwärmte Thermoelement liefert den für das elektromagnetische Offenhalten eines Brennstoffventils notwendigen elektrischen Strom. Verlischt die Flamme, erkaltet das Thermoelement, das Elektromagnetventil schließt, die weitere Brennstoffzufuhr wird unterbrochen.
Die Methode hat den Vorteil, dass sie keine Hilfsenergie benötigt. Nachteil dieses Systems ist, dass es sehr träge reagiert und damit eine gewisse Gasmenge ausströmen kann.
In Heizungsanlagen ist es daher durch Zündsicherungen ersetzt worden, die die Ionisierung der Flamme bzw. deren Leitfähigkeit überwachen. Sie reagieren schneller, benötigen jedoch eine Hilfsenergie.

Siehe auch

• Peltier-Element
• Thermotunneling

Weblinks

• Daten zu Thermoelementen
• Anwendung von Thermoelementen in Radioisotopengeneratoren
• Tabellen mit Thermospannungen gebräuchlicher Thermoelement-Typen
• Normen für Thermoelemente
• Caltech-JPL Thermoelectrics Website (english)