Thermopiles

Ein Thermoelement ist ein Bauteil aus zwei unterschiedlichen und an einem Ende miteinander verbundenen Metallen. Thermoelemente dienen meist zur Temperaturmessung.
Beim ebenfalls nach diesem Prinzip arbeitenden „thermoelektrischen Generator“ sind es meist zwei unterschiedlich dotierte Halbleitermaterialien. Siehe hierzu auch Peltierelement.

Thermoelement (schematische Darstellung)

Schaltsymbol des Thermo­elements (die dicke Linie stellt den negativen Pol dar)

Funktionsweise

An den freien Enden der beiden miteinander verbundenen Leiter wird bei einer Temperaturdifferenz entlang der Leiter aufgrund des Seebeck-Effekts eine elektrische Spannung erzeugt. Die Verbindungsstelle und die freien Enden müssen somit hierzu unterschiedliche Temperaturen aufweisen.

Als Seebeck-Effekt wird das Auftreten einer Spannung zwischen zwei Stellen unterschiedlicher Temperatur eines Leiters genannt. Die Potentialdifferenz ist annähernd proportional zur Temperaturdifferenz, und abhängig vom Leitermaterial. Temperaturdifferenzen innerhalb eines Leiters heben sich stets auf, da die Enden zum Messen auf gleicher Temperatur liegen müssen (sonst misst man zusätzlich die in der Messleitung entstehende Thermospannung). Wenn man jedoch zwei unterschiedliche Leitermaterialien verbindet, kann an den Enden eine Spannung gemessen werden, die wiederum annähernd proportional zur Temperaturdifferenz zwischen den Enden und der Kontaktstelle ist. Bei metallischen Leitern treten Spannungen im Bereich einiger Mikrovolt bis Millivolt auf.

Da die Proportionalitätskonstante eines einzelnen Leiters nicht gemessen werden kann, wird ein relativ zu Platin ermittelter thermoelektrischer Koeffizient angegeben. Dieser so genannte k-Wert gestattet es, die Thermospannung der Metallpaarung eines Thermoelementes zu errechnen, die nach ihm sortierten Metalle bilden die thermoelektrische Spannungsreihe (vgl. DIN EN 60584), analog zur (relativ zur Wasserstoffelektrode ermittelten) elektrochemischen Spannungsreihe.

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

Spitze eines geschweißten Thermoelementes vom Typ J

Thermoelement vom Typ K mit einem Stecker

Weit verbreitete Thermoelementpaarungen:

• Nickel-Chrom/Nickel -90 bis 1370 °C (Typ K; häufigster Typ mit Thermospannungen zwischen -6458 µV bei -270 °C und 54886 µV bei 1372 °C)^[1]
• Eisen-Kupfer/Nickel -50 bis 760 °C (Typ J; genauer für Industrieanwendungen mit Thermospannungen zwischen -8095 µV bei -210 °C und 42919 µV bei 760 °C)
• Platin-Platin/Rhodium 0 bis 1760 °C (Typ S; für hohe Temperaturen)

Für die Messungen hoher Temperaturen (T > 1600 °C) werden auch Iridium-Iridium/Rhodium- und Wolfram-5%-Rhenium/Wolfram-25-%-Rhenium-Thermoelemente, für die Messung niedriger Temperaturen (T < -250 °C) Gold/Eisen-Nickel/Chrom- oder Gold/Eisen-Gold/Silber-Thermoelemente verwendet.

Die geringe Messspannung erfordert oft den Einsatz eines Chopper-Verstärkers.

ZT-Wert

Der ZT-Wert stellt eine Güteklassen-Einteilung der verwendeten thermoelektrischen Materialien dar. Das Maximum des ZT-Wertes liegt bei etwa 300 K (27 °C). Herkömmliche Materialien haben bei dieser Temperatur einen ZT-Wert von etwa 1. Neuartige, in der Entwicklung befindliche Materialien erreichen im Labor ZT-Werte bis etwa 2,5.

$ZT = {\sigma \cdot S^2 \over \kappa} \cdot T$

- σ Elektrische Leitfähigkeit, - S Seebeck-Koeffizient (siehe Seebeck-Effekt), - κ Thermische Leitfähigkeit, - T Temperatur in Kelvin;

Anwendungen

Temperaturmessung

Mit diesem Datenerfassungsgerät können bis zu 60 Thermoelemente parallel gemessen werden

Ein offener Einschub für das Datenerfassungsgerät mit 20 angeschlossenen Thermoelementen.

Im folgenden Beispiel wird die Spannung U_th angegeben, die an einem so genannten Typ-K-Thermoelement bei der Temperatur T_Mess anliegt:

$U_{th} = (k_{NiCr} - k_{Ni}) \cdot \Delta T$

mit

$\!\,\Delta T = T_{Mess} - T_{Vergleichstemperatur}$

Ein Thermoelement vom Typ K besteht aus einem Übergang zwischen einer Nickel-Chrom-Legierung und Nickel, wobei k_NiCr und k_Ni die thermoelektrischen Koeffizienten der Metalle Nickelchrom und Nickel darstellen. Durch Umstellen der Gleichung nach 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 zum Beispiel 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

Prinzipaufbau eines thermoelektrischen Generators (gleicher Aufbau wie Peltier-Element)

Die direkte Wandlung von Wärme in elektrische Energie ist mit einem „thermoelektrischen Generator“ möglich (Thermovoltaik). 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 drei und acht Prozent. 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), unter anderem für Raumsonden oder in abgelegenen Mess-Sonden, verwendet: radioaktiver Zerfall künstlich hergestellter Radioisotope erzeugt hier die zum Betrieb erforderliche Wärme.

Autofirmen testen derzeit den Einsatz von thermoelektrischen Generatoren um aus der Restwärme der Abgase elektrischen Strom für die Systeme von Pkw zu gewinnen. Sie könnten sogar die Lichtmaschine ersetzen und so nicht unerheblich Kraftstoff einsparen. ^[2]

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 die Thermosicherung wegen ihrer Trägheit durch Zündsicherungen ersetzt worden, die die Ionisierung der Flamme beziehungsweise deren Leitfähigkeit überwachen. Sie reagieren schneller, benötigen jedoch eine Hilfsenergiequelle.

Thermosicherung mit Thermoelement, Leitung mit Kontakt und Magnetschalter

Rechts im Bild ist eine Thermosicherung mit handelsüblichen Bauteilen, wie sie in einem Gasherd oder einer Gasheizung verwendet werden, abgebildet. Das Thermoelement liefert bei Erhitzung etwa 40 mV Spannung und einen Strom von ca. 10 mA mit dem der Magnetschalter (Elektromagnet), der zuvor manuell durch Eindrücken eines Knopfes geschlossen wurde, gehalten werden kann. Beim Abkühlen fällt der Magnetschalter innerhalb 30 Sekunden wieder ab, was man als ein Klicken hören kann.

Einzelnachweise

1. ↑ Typ K - Thermopaar aus Nickel-Chrom / Nickel-Aluminium
2. ↑ Artikel auf wiwo.de zum Einsatz im Automobil

Siehe auch

• Strömungsmesstechnik
• Peltier-Element
• Thermotunneling

Weblinks

• Leitfaden für Anwender zur elektrischen Temperaturmessung mit Thermoelementen und Widerstandsthermometern
• Daten zu Thermoelementen
• Farbtabelle für Thermoelemente
• Anwendung von Thermoelementen in Radioisotopengeneratoren
• Tabellen mit Thermospannungen gebräuchlicher Thermoelement-Typen
• Thermoelementtabelle für Typ k und Typ J
• Normen für Thermoelemente (PDF; 48 KB)
• Caltech-JPL Thermoelectrics Website (englisch)
• Wettlauf um Strom aus Wärme Spiegel-Online-Artikel vom 3. Februar 2008
• Strom-aus-Abgas-Abwärme