Thermoelektrische Spannungsreihe
Um an einem Thermoelement Temperaturen zu messen, müssen die für die elektrischen Thermospannungen ursächlichen Thermokräfte der verwendeten unterschiedlichen Materialien (meist Metalle) bekannt sein.
Die bei einer gegebenen Temperaturdifferenz erzielbare Thermospannung eines Thermoelementes ist also umso größer, je größer der Abstand der Metalle in der Thermoelektrischen Spannungsreihe ist. Die Thermospannung eines Thermoelementes ergibt sich aus der Temperaturdifferenz und der Differenz der Thermokräfte der beiden verwendeten Materialien. Die Thermokraft ist eine Materialkonstante.
Die Thermospannung der Werkstoffe werden als temperaturabhängige Proportionalitätskonstante mit der Dimension mV/K (k-Wert) relativ zu Platin für eine Temperaturdifferenz von 100 Kelvin angegeben. Diese k-Werte der Materialien sind für einfachere Numerik auf 100 Kelvin und auf eine Normaltemperatur von 293 K (20 °C) bezogen. Sie werden analog zur elektrischen Spannungsreihe in eine sogenannte Thermoelektrische Spannungsreihe eingereiht:
Material k / (mV/100K) Wismuth −7,2 Konstantan −3,2 Nickel −1,9 Platin 0,0 per Def. Wolfram 0,7 Kupfer 0,7 Eisen 1,9 Nickelchrom 2,2
Die Thermospannung eines Thermoelementes ist weitgehend linear von der Temperatur abhängig. Sie ergibt sich zu:
- $ U=(k_{\mathrm {a} }-k_{\mathrm {b} })\cdot (T_{1}-T_{2}) $
mit
- $ k_{\mathrm {a} },k_{\mathrm {b} } $ - k-Werte der beiden Metalle „a“ und „b“
und
- $ T_{1},T_{2} $ - Temperaturen der beiden Verbindungsstellen der Materialien.
Da die k-Werte etwas temperaturabhängig sind, liefern Thermoelemente über einen größeren Temperaturbereich kein lineares Signal mehr. Diese Nichtlinearität muss für genaue Messungen berücksichtigt bzw. kompensiert werden. In der Praxis haben sich bestimmte Thermoelement-Kombinationen durchgesetzt, für diese gibt es Tabellen, in denen die Thermospannungen für jede Temperatur in 0,1-Kelvin-Schritten abgelesen werden kann. Es ist einfacher, die Temperatur anhand solcher Tabellen zu bestimmen, statt die Nichtlinearität mit einer annähernden Formel zu berücksichtigen. Solche Tabellen finden sich z.B. als Grundwerte der Thermospannungen in der Norm IEC 60584 Teil 1 oder auch bei den Herstellern der Thermoelemente.