Thermoelemente
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Thermoelemente Von Christian Feldmann Inhalt Wärmeleitung Seebeck Effekt Aufbau Thermoelement Kaltstellen Kompensation Typen, Kenndaten Wärmeleitung Wärmeleitung erfolgt in einem Körper nur dann, wenn ein Temperaturgefälle vorhanden ist. D.h. es sind Bereiche unterschiedlicher Temperatur vorhanden. Es fließt ein Wärmestrom vom „warmen“ zum „kalten“ Temperaturbereich Wärmeleitung Die Elektronen im Bereich T2 schwingen heftiger als jene im Bereich T2 Die T2 Elektronen besitzen eine höhere Geschwindigkeit und bewegen sich in den Bereich T1 Fazit: Die erwärmten Teile eines Metalls werden elektronenärmer die kalten elektronenreicher ! Seebeck Effekt Wenn man die Enden zweier verschiedener Leiter in engen Kontakt bringt, sie zu einem Kreis zusammenschließt und die Kontaktstellen auf unterschiedliche Temperaturen bringt misst man bei geöffnetem Stromkreis eine Spannung, die Thermospannung welche proportional zur Temperaturdifferenz ist Seebeck Effekt Hintergrund Dadurch, dass an den erwärmten Stellen Elektronenmangel herrscht, die Elektronenanzahl jedoch materialspezifisch ist herrscht zwischen den Leitern eine Spannung Da sich bei Nickelaluminium im 20°C Bereich eine höhere Anzahl an Elektronen befinden als bei Nickelchrom ist dieses Ende als negativ geladen zu betrachten Aufbau Thermoelement Theoretisch: Hier wird die Temperatur an den Klemmen des Messgerätes als Referenz benutzt Als Referenztemperatur wird T1 benutzt ( ) Uth := KAB⋅ T2 − T1 Aufbau Thermoelement Praktisch: Eintauch-Temperatursensor Zur Temperaturmessung in Flüssigkeiten oder Gasen Kopfform B Thermoelemente Rechnung Thermokonstante Nickel µV KNi := −16 K Thermokonstante Nickelchrom µV KNiCr := 22⋅ K KNiCr_Ni:= KNiCr − KNi µV KNiCr_Ni = 38 K T2 := 998⋅ K T1 := 21⋅ K ( ) Uth := KNiCr_Ni⋅ T2 − T1 Uth = 37.126mV Kaltstellen-Kompensation Warum ? An der Stelle des Thermoelements, an der die Referenztemperatur gemessen wird herrscht meist eine von 0°C abweichende Temperatur z.B. 21°C (Zimmertempera tur) Um die absolute Temperatur korrekt zu messen muss daher ein PTC100 Widerstand an dieser Stelle eingefügt werden und mit dessen Hilfe die Ausgangsspannung korrigiert werden Kaltstellen-Kompensation Schaltung: Typen und Kenndaten Temperatur in °C Zusammensetzung Typ min max PtRh10%-Pt Platinrhodium-Platin S 0 1400 PtRh30% - PtRh 6 % Platinrhodium B 0 1500 PthRh13%-Pt Platinrhodium-Platin R 0 1400 NiCr-NiAl Nickelchrom-Nickel K -273 1260 Cu-CuNi Kupfer-Kupfernickel T -273 300 Fe-CuNi Eisen-Kupfernickel J -273 760 NiCr-CuNi Nickelchrom-Kupfernickel E -273 871 Typen und Kenndaten Typ J Thermoelement Typ J Temperaturkoeffizient 80 60000 TK in uV/K Spannung in uV 80000 40000 20000 0 -20000 -500 0 500 1000 Tem peratur in °C 1500 60 40 20 0 -500 0 500 Tem peratur in °C 1000 1500 Typen und Kenndaten Typ K Temperaturkoeffizient Thermoelement Typ K 60000 40000 TK in uV/K Spannung in uV 50000 30000 20000 10000 0 -10000 -400 -200 0 200 400 600 800 Tem peratur in °C 1000 1200 1400 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 -300 -200 -100 0 100 200 Tem peratur in °C 300 400 500 Typen und Kenndaten Typ T Thermoelement Typ T Temperaturkoeffizient 80 20000 TK in uV/K Spannung in uV 30000 10000 0 -10000 -20000 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 Tem peratur in °C 60 40 20 0 -400 -200 0 200 Temperatur in °C 400 600 Quellen Dipl.-Phys. L.V. Körtvélyessy Thermoelement Praxis Vulkan-Verlag Essen Web: http://ces.karlsruhe.de M.Weidinger Medizintechnik – Physikalische Funktionsprinzipien und Anregungen für den Physikunterricht Steven Walczak Streifzüge durch die Thermoelektrik Thermoelemente Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !
