2.5 – Thermoelement

 

Ein Thermoelement ist ein passiver Sensor. Vorteil: Elektrischer Sensor, braucht aber keine Versorgungsspannung oder Versorgungsstrom.

Aufbau:

thermoelement-aufbau-elektronen-ladungstrager-verteilung

Je höher die Temperatur ist, desto höher ist die kinetische Energie der Ladungsträger:

\frac{{m{v^2}}}{2}\left( T \right) > \frac{{m{v^2}}}{2}\left( {{T_0}} \right)

Wenn die Ladungsträger sich nun auf der einen Seite des Leiters schneller bewegen als auf der anderen, kommt es zu einer Ladungsumverteilung:

n\left( T \right) < n\left( {{T_0}} \right)

Dadurch baut sich ein elektrisches Feld auf:

\vec E = Q\operatorname{grad} T

Daraus ergibt sich eine Thermoelektrische Kraft q\vec E. Das Feld wird so lange stärker, bis wieder Elektronen zurückgetrieben werden. Es kommt zu einem Gleichgewicht:

\frac{{\Delta U}}{{\Delta x}} = Q\frac{{\Delta T}}{{\Delta x}}\quad \Rightarrow \quad \frac{{\Delta U}}{{\Delta T}} = Q

Dabei ist Q der Seebeck-Koeffizient.

Wir müssen also zwischen den beiden Enden des Thermoelements die Spannung messen:

thermoelement-spannung-messung-seebeck

Mit einem Messgerät können wir diese Spannung aber nicht messen, denn dazu müssten die Elektronen vom negativen zum positiven Pol fließen “wollen”. Das tun sie aber nicht, weil sie von dem Temperaturunterschied davon abgehalten werden.

Der Seebeck-Koeffizient Q ist aber materialabhängig. Es gilt:

\Delta {U_{mess}} = \Delta {U_1}-\Delta {U_2} = \left( {{Q_1}-{Q_2}} \right)\Delta T

Q \approx {10^{-6}}\frac{V}{K}

Wir benutzen also für die Leitungen 1 und 2 unterschiedliche Materialien. Häufig verwendet man Thermoelemente vom Typ K, die aus einer NiCr-Ni Legierung bestehen.

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