Der Thermoelement-Temperatursensor verdankt seinen Erfolg seiner großen Vielseitigkeit. Damit können Sie thermische Sonden erstellen, die für viele Anwendungsbereiche geeignet sind. Die Funktionsweise des Thermoelements basiert auf einem Phänomen, das als thermoelektrischer Seebeck-Effekt bezeichnet wird und vom gleichnamigen Physiker theoretisiert wurde. Die Temperatur wird aus dem elektrischen Spannungsniveau abgeleitet, das durch die Temperaturänderung im Thermoelement erzeugt wird. Doch was genau ist der Funktionsmechanismus von Thermoelementen? Hier sind einige Schlüssel zum besseren Verständnis der Geheimnisse des Temperaturfühlers und helfen Ihnen bei der Auswahl desjenigen, der Ihren Anforderungen entspricht.
Der Betrieb von Thermoelementen basiert auf der Thermospannung
Ein Thermoelement ist ein Sensor für verschiedene Bereiche (Industrie, Chemie, Lebensmittelindustrie usw.) und in verschiedenen Umgebungen zur Temperaturmessung. Es enthält zwei leitfähige Metall- oder Metalllegierungsdrähte unterschiedlichen Typs.
Das Funktionsprinzip von Thermoelementen
Diese Drähte sind durch zwei Arten von Lot verbunden, den Hot Spot und den Cold Spot. Der Hotspot liegt in Richtung der Umgebung, deren Temperatur wir messen wollen. Beim Heißschweißen wird häufig ein Metallmantel zum Schutz eingesetzt. Um zu verhindern, dass es durch die Umgebung, in der es sich befindet, beeinträchtigt wird. Der Kaltpunkt muss auf einer bekannten Temperatur bleiben. Während der Temperaturmessung kann die Kaltstelle über einen Kühlmechanismus auf einer genauen Temperatur gehalten werden. Es ist auch möglich, seine Temperatur zu messen und anschließend eine Differenzrechnung durchzuführen.
Wenn der heiße Punkt des Thermoelements Hitze oder Kälte ausgesetzt wird, ändert sich die Elektronendichte jedes Metalldrahts. Temperaturschwankungen induzieren eine Dynamisierung der Elektronen, sie bewegen sich dann zur kälteren Seite der leitenden Drähte. Mit Messgeräten bewerten wir diese elektromotorische Kraft. Es misst den Strom, der an den Enden jedes der beiden Drähte in die Rekorderbox fließt. Einige Geräte zeigen die Spannung an, andere zeigen die anhand der Besonderheiten des Thermoelements berechnete Temperatur an.
Vorsichtsmaßnahmen für eine optimale Funktion von Thermoelementen
Wenn die beiden Metalldrähte verschweißt und nicht beispielsweise miteinander verflochten sind, soll gewährleistet werden, dass der Kontakt trotz äußerer Bedingungen wie Vibrationen aufrecht erhalten bleibt. Es gibt verschiedene Verbindungstechniken: Zinnlöten, Silberlöten, Elektrolöten usw. Das Schweißen darf nicht bei zu hohen Temperaturen durchgeführt werden, um die Legierungsdrähte nicht zu verändern, was die Funktion des Thermoelements beeinträchtigen würde.
Da es sehr schwach ist, kann es vorkommen, dass elektrische Störungen das Thermoelementsignal stören. Auch ein lauter Motor in der Nähe des Temperaturfühlers kann den Betrieb des Thermoelements beeinträchtigen und somit die Ergebnisse verfälschen. Eventuell ist dann eine erneute Kalibrierung erforderlich.
Es ist wichtig, den richtigen Thermoelementtyp und eine geeignete Ummantelung für das zu messende Medium zu verwenden. Ein Dekalibrierungsphänomen kann auftreten, wenn äußere Elemente wie eine zu hohe Temperatur die Diffusion von Metallpartikeln in den Metallen des Thermoelements verursachen. Die Fehlkalibrierung kann auch durch Abnutzung der Isolierhülle verursacht werden, die zu einem Kontakt zwischen den beiden Drähten führt.
Wie wählen Sie Ihr Thermoelement aus?
Die Auswahl der Thermoelemente hängt vom Temperaturmessbereich in Grad Celsius des zu messenden Mediums und der erwarteten Ansprechzeit ab.
Der angestrebte Temperaturbereich und die Reaktionszeit
Theoretisch können alle Arten von Metalllegierungen kombiniert werden, um ein Thermoelement zu bilden. Hauptsächlich werden jedoch 8 Typen von Thermoelementen verwendet. Sie sind Gegenstand einer europäischen Norm und erscheinen in einer Klassifizierung nach den Metallkombinationen, aus denen sie bestehen. Die Typen J, K, T und E sind aufgrund ihres moderaten Preises und ihrer vielfältigen Einsatzmöglichkeiten am häufigsten. Sie ermöglichen die Messung hoher Temperaturen. Thermoelemente der Typen R, S und B werden zur Messung sehr hoher Temperaturen verwendet. Sie enthalten Edelmetalle, daher ist der Anschaffungspreis höher.
Um falsche Ergebnisse zu vermeiden, ist es wichtig, den richtigen Thermoelementtyp entsprechend seiner Anwendung zu verwenden. Tatsächlich hat jeder dieser Typen seine eigenen Eigenschaften, wie z. B. der Messbereich der Temperatur, der einen optimalen Thermoelementbetrieb ermöglicht. Um möglichst genaue Daten zu erhalten, haben wir daher den zu messenden Temperaturbereich mit dem optimalen Bereich des Thermoelementtyps abgeglichen. Bestimmte Metalle mit besonderer Beständigkeit sind für bestimmte Umgebungen (saure, basische, hohe Drücke usw.) einzusetzen.
Die Reaktionszeit variiert je nach Art der Verbindung am Ende des Thermoelements. Bei der freiliegenden Verbindungsstelle liegt die Verbindungsstelle nicht im Schutzmantel. Da der Kontakt mit der Umgebung direkt ist, ist die Reaktionszeit daher schnell.
Kompatibilität mit der Anwendungsdomäne
Bei der Auswahl eines Sensors für eine Messsonde müssen Sie zunächst die Variablen definieren, die Sie messen möchten. Sie haben beispielsweise die Möglichkeit, sich für einen Feuchtigkeits- und Temperatursensor zu entscheiden. Sie können einen programmierbaren Sender auswählen, um die gewünschten Parameter zu konfigurieren.
Um eine elektronische Sonde auszuwählen, ist es vorzuziehen, ein Messgerät zu wählen , das für den Benutzer einfach zu handhaben ist und an die Umgebung angepasst ist. Empfehlenswert ist beispielsweise das Ausschalten der LCD-Bildschirme der Sensoren ab einer Außentemperatur von 70°C. Um die Temperatur mit Kontakt und aus der Ferne zu überwachen, können Sie ein Gerät wählen, das Infrarot-Thermometer und Thermoelement kombiniert.
Zu den am häufigsten verwendeten Sensoren gehören auch Thermistoren. Diese Sensoren funktionieren nach einem Prinzip, das dem des Thermoelements ähnelt, da sie auf Temperaturschwankungen reagieren, indem sie ihren Widerstand ändern . Thermistoren sind entweder NTC (negativer Temperaturkoeffizient) oder PTC (positiver Temperaturkoeffizient). Diese beiden Arten von Thermistoren hängen von den Materialien ab, aus denen sie hergestellt sind.
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