A presentation in German how thermocouples work and the consequenses for the daily use. All images copyrigth 2012 by thermo-control Körtvelyessy GmbH

1. Thermoelemente in der Praxis
Temperaturmessung mit Thermoelementen

2. Übersicht der Themen
 Das thermoelektrische Prinzip
 Die Messstelle
 Das Driftverhalten
2012-05-08 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin 2

3. Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ C
e- e -
e -
e -
e- e- e-
Cu+ Cu+ Cu+ Cu+
e -
Cu+ Cu+
e -
Cu+ Cu+ Cu+ e- Cu+e - Cu+ e -
C
e- e -
e-
e- e- e-
Cu +
Cu+
Cu+ Cu+ Cu +
Cu+
e- Cu+ Cu+ Cu+
e - Cu+ Cu+
e -
C
e- e-
e- e- e- e- e- e-
Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+
e - Cu+ Cu+ Cu+
e -
Cu
e- + Cu+ Cu+
e - C
e - e -
e-
e -
e -
e- e- e-
e -
e -
Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+
e -
Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ C
e- e-
e- e- e -
e-
e - e-
Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+
e-
Cu+ C
e- e-
e- e- e- e- e- e- e-
Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ C
e- e -
e- e-
e-
e -
e -
e-
Cu+ e-
Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ e - Cu+ e- Cu+e -
Cu+ C
Das thermoelektrische Prinzip
e- e- e -
e-
e
+-
e-
Cu +
e-
Cu+
Cu +
Cu +
Cu +
Cu +
Cu +
Cu
e - +
Cu Cu +
Cu+
e-
C
2012-05-08 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin 3

4. Das thermoelektrische Prinzip des Thermoelementes
Bei gleichmäßiger Körpertemperatur sind die freien Elektronen gleichmäßig verteilt!
20°C 20°C 20°C
e- e- e- e-
e -
Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ e- Cu
+
Cu+ Cu+ Cu+ Cu+
e- e- e- e- e- e-
e- e -
Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ e-
Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+
e- e- e- e-
e -
e - e-
e-
Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+
e -
e- e- e- e- e- e- e-
e- Elektronenbewegung bei 20°C
2012-05-08 Das thermoelektrische Prinzip 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin 4

5. Das thermoelektrische Prinzip des Thermoelementes
Durch die einseitig erhöhte Temperatur werden die freien Elektronen durch die erhöhte
brownsche Bewegung zur kalten Seite gedrückt.
988°C 569°C 20°C
e- e- e-
e -
e - e -
e -
Cu+ -
Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+
e
e- e- e-
e -
e -
e -
Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+
e- e-
e -
e- e-
e-
Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ e- Cu+ Cu+ e- Cu+ Cu+ Cu+ Cu+ Cu+
e- e-
e -
e- e-
e- Elektronenbewegung bei 988°C
e- Elektronenbewegung bei 20°C
2012-05-08 Das thermoelektrische Prinzip 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin 5

6. Das thermoelektrische Prinzip des Thermoelementes
Durch den Elektronenmangel (ECu,988°C) auf der heißen Seite und den
Elektronenüberschuss (ECu, 20°C) auf der kalten Seite entsteht eine
Thermospannung UCu ∆T. Diese versuchen wir nun zu messen:
ECu, 988°C ECu, 20°C
0.0 mV
0.0 mV
UCu ∆T
988°C 20°C
2012-05-08 Das thermoelektrische Prinzip 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin 6

7. Das thermoelektrische Prinzip des Thermoelementes
Lösung:
Die Drähte zum Abgreifen der Spannung sind ebenfalls aus Kupfer!
Durch die gleiche Spannung UCu∆T kann kein Strom fließen.
0.0 mV
UCu ∆T
988°C 20°C
UThermo = UCu – UMessdraht = 80mV – 80mV = 0mV
2012-05-08 Das thermoelektrische Prinzip 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin 7

8. Das thermoelektrische Prinzip des Thermoelementes
Schlussfolgerung:
Es bedarf es zwei unterschiedlicher Metalle! Damit ist eines der
Potentiale (Elektronendruck) höher und es entsteht eine
Spannungsdifferenz, welche als Thermospannung bezeichnet wird.
988°C NiCr 20°C
40.0 mV
40.0 mV
UNiCr-NiAl ∆T
NiAl
UThermo = UNiCr – UNiAl = 140mV – 100mV = 40mV
2012-05-08 Das thermoelektrische Prinzip 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin 8

9. Das thermoelektrische Prinzip des Thermoelementes
Frage: Beeinflusst der Lötpunkt die Thermospannung?
988°C 20°C
NiCr
40.0 mV
0.0 mV
Sn
UNiCr-NiAl ∆T
NiAl
Der Lötpunkt ist auf gleicher Temperatur wie die Enden der
Messdrähte.
Also gibt es keine zusätzliche Thermospannung ab!
2012-05-08 Das thermoelektrische Prinzip 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin 9

10. Typ S Thermoelement nach
14 Jahren bei 1260°C
Die Messstelle
2012-05-08 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin 10

11. Wo entsteht die Thermospannung?
Gedankenversuch nach Fenton1969
4.320 mV
4,320 mV
M7
4.320 520,0°C
520.0 °C
7
mV
520 °C 4.133 mV
4,1 33 mV
M6
490.,0°C
490.0 °C
20°C
0.376 mV
0,376 mV
M5
64.0 °C
64,0 °C
0.169 mV
0,1 69 mV
503°C M4
Isolierung 517°C 48.7 °C
48,7 °C
520°C
0.030 mV
0,030 mV
±3K-Raum M3
25.5 °C
25,5 °C
1
2 3 4 5 6
520°C
0.000 mV
0,000 mV
520°C ±3K
M2
20.0 °C
20,0 °C
482°C 50°C
0.000 mV
0,000 mV
Cu M1
20.0 °C
0,0 °C
2012-05-08 Die Messstelle 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin 11

12. Zusammenfassung des Gedankenversuches
 Die Thermospannung entsteht nicht in der Messspitze!
 92% der Thermospannung entstehen im Bereich mit dem
größten Temperaturgradienten, z.B. in der Isolation des
Ofens!
Daraus ergeben sich folgende Konsequenzen:
 Ein gebrauchtes Thermoelement immer an der gleichen
Stelle (Tiefe) anbringen (±2 mm)!
 Ein gealtertes Thermoelement niemals ein Stück heraus
ziehen!
 Ein Ofen zur nachträglichen Kalibrierung von gealterten
Thermoelementen muss den gleichen Temperaturgradienten
haben, damit die Messung nicht verfälscht wird!
2012-05-08 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin 12

13. Wichtige Aspekte für eine korrekte Messung
 Unterscheidung in Tauchmessung (zwischen zwei Phasengrenzen) und
Oberflächenmessung (auf einer Phasengrenze) erzwingen
unterschiedliche Messstellenvorbereitung
 Berücksichtigung der virtuellen Messstelle. Gegebenenfalls Bestimmung
durch Messversuch. (Sehr wichtig für Oberflächenmessung!)
 Die Lage des Thermoelementes nach Möglichkeit parallel zur Isotherme
setzen.
Isolierung
±3K-Raum
520°C
Tauchmessung Oberflächenmessung
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14. Der virtuelle Messpunkt durch Wärmeabfluss
778°C 748°C 718°C
10 mm 10 mm
LV
M
V
Wärmeabführung
5mm
Virtueller Messpunkt
778°C 748°C 718°C
2012-05-08 Die Messstelle 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin 14

15. Faktoren zur Beeinflussung der virtuellen Messstelle
Die Entfernung der virtuellen Messstelle zum Messpunkt hängt im
wesentlichen von der Wärmeleitfähigkeit der verwendeten Materialien ab und
ist direkt proportional zum vorhandenen Temperaturgradienten.
∅
Mat. Schutzrohr Ø Schutzrohr LV
Typ Draht
[mm] [mm] [mm]
[mm]
S 0,5 Al2O3 8 30
K 1,4 Al2O3 8 28
S 0,5 Al2O3 21 80
S 0,5 Al2O3 5 15
K 0,6 CrNi 3 8
K 1,0 CrNi 5 20
[35] Murdock, E. G. 1973
[41] Körtvélyessy, L. Messen Steuern, Regeln Nr. 9 /1969
2012-05-08 Die Messstelle 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin 15

16. Die Lage des Thermoelementes
 Das Thermoelement sollte so wenig
Isothermen schneiden wie möglich
 Experimentelle Bestimmung des virtuellen
Messpunktes
Tipp:
 Für thermo-control Thermoelemente sollte die
freie Eintauchstrecke der Schutzrohre in den
Arbeitsraum des Ofens mind 50mm betragen
 Berücksichtigung der Chargenbewegung
um Brüche weitgehend zu vermeiden
 Koaxialität der Durchführungen beachten,
sonst besteht Gefahr des Wurzelbruches!
2012-05-08 Die Messstelle 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin 16

17. Position des Regelthermoelementes: Traditionell mittig
 Die Messspitze des Regel-
Heizung
Thermoelements wird in die Heizung
gesetzt.
 Das Thermoelement steht senkrecht
zur Isotherme.
 Der virtuelle Messpunkt liegt am
Durchführung
äußeren Rand der Heizung und
führt so zu Mess- bzw Regelfehler
Isolierung
LV
±3K Zone
LHeizung
2012-05-08 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin 17

18. Position des Regelthermoelementes: Besser versetzt
 Das Thermoelement liegt nun
tangential zur Isotherme. Neue
Durchführung
 Der virtuelle Messpunkt liegt so viel
wie möglich auf der Isotherme.
Heizung
Isolierung
LV
±3K Zone
2012-05-08 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin 18

19. Die Zeitkonstante
Die rote Kurve entstand aus einer Messung 5,6s
eines Thermoelementes: 1250 °C
218,75 K/s
- Offenes PtRh10 – Pt Thermopaar
- ∅3mm Kapillarrohr aus Al2O3
- Eintauchzeit in Präzisionsrohrofen 0,3-0,5 s
Aus der Steigungstangente bestimmt man die
Zeitkonstante des Thermoelementes:
1T = 5,6s
25°C + 218,75 K/S  5,6s = 1250°C
Wieso nimmt man diese Zahl und nicht die
Einstellzeit bis zum Erreichen der 1250°C?
°C
0 20 40 60 80 100 120
2012-05-08 Die Messstelle 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin 19

20. Die Zeitkonstante
Nach der Durchwärmung der Teile wächst die
Zeitkonstante von 5,6 auf T=15,7s 1250 °C
Überlegung:
t = 1T(15,7s):
nach 1T sind 63% des Temperatur erreicht 799,35°C.
Respektive 37% Messfehler, also 450,65K!
t = 2T (31,4s):
Die angezeigte Temperatur ist 1.084,21 °C, Rest 165,79K
(~1/3 von 450,65K)
t = 3T (47,1s):
95% der Temperatur ist erreicht. ~61K Fehler, was die
Genauigkeit von Seger-Kegeln oder ältere Strahlungs-
pyrometer erreicht.
t = 6T (1min 35s):
99,75%, und damit die 3K Grenze erreicht. Entspricht der
Genauigkeit Analog-Messgeräte. Bei billigen Digital-
Messgeräten würde jedoch die Anzeige noch zwischen
1247°C und 1248°C schwanken, demnach ist die Einstellung
noch nicht vollendet! °C
t = 8T (~2min): 0 20 40 60 80 100 120
99,966% -> 0,41K Fehler. Ein Messgerät mit 0,1-°C Stelle
würde noch springen  keine Einstellung erreicht.
2012-05-08 Die Messstelle 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin 20

21. Die Zeitkonstante
Überlegung zu Ende gedacht:
t = 25T (6,5min):
Die Nachweisgrenze ist erreicht bei 17µK (=0,000017K).
Wie viel sind 17µK Temperaturunterschied?
t = 100T (~26min):
Grenzwertbetrachtung. Fehler läge rechnerisch bei 4,510-41K.
Wie viel sind 4,510-41K Temperaturunterschied?
Hochhaus 109g wird mit einem Streichholz erwärmt Die Milchstraße 1044g wird mit einer Tasse Tee erwärmt
2012-05-08 Die Messstelle 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin 21

22. Die Anfangsgeschwindigkeit
Die Zeitkonstante allein kann nicht maßgebend sein, da in der Praxis die
Temperatur immer schwankt. Das Thermoelement läuft immer der
Temperatur hinterher.
Temperatursprung [K]
Anfangsgeschwindigkeit [K/s] =
Zeitkonstante [s]
Eine hohe Anfangsgeschwindigkeit 100
%
bedeutet eine schnelle Reaktion auf 90
80
Temperaturschwankungen! Thermoelement mit
70 offener Messstelle
60
Für Regelthermoelemente ist eine Thermoelement mit
50
hohe Anfangsgeschwindigkeit sehr 40
∅5mm Keramik-Schutzrohr
wichtig! 30 Thermoelement mit
20 ∅10mm Keramik-Schutzrohr
Die Konstruktion ist maßgeblich für 10 V0 = 0 K/min
die Anfangsgeschwindigkeit! 0
m in
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
2012-05-08 Die Messstelle 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin 22

23. Elektrische Quellen für Messfehler
Kontakt 100%
Thermoelektron
20%
Induktiv 100%
H + H H + +
520 °C
K V
- Galvano 0,5V - -
Ionisierung
220V
element 20% 220V
10% 30.000V
Reibungselektrizität
Kapazitiver Strom 10%
2%
Die Messstelle
2012-05-08 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin 23

24. Schaltbild für Kriechströme in Thermoelementen
Beispiel an einem Thermoelement mit nur einer Kapillarführung
L
Schutzrohr Große Kontaktflächen entlang des Kapillares
Trafo
N
Regler
L
Ein Kapillar (Schnitt) für alle 4
Thermodraht
Thermodrähte
Trafo
N
Schreiber
Durch die große Kontaktfläche kann es leicht zu einem geschlossenem
Stromkreis kommen  Es entsteht ein hoher Kriechstrom!
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25. Schaltbild für Kriechströme in Thermoelementen
Beispiel an einem Thermoelement mit getrennter Kapillarführung
N
Schutzrohr Kaum Kontaktflächen entlang der beiden Schutzrohre
Trafo
L
Regler
L
Eigenes Kapillar (Schnitt) für Trafo
jedes Thermopaar
Thermodraht
N
Schreiber
Durch die getrennte Schutzrohre und Kapillare können fast keine
Kontaktflächen entstehen  Es entsteht kaum Kriechstrom!
2012-05-08 Die Messstelle 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin 25

26. Vergleich der möglichen Kontaktstellen im Querschnitt
Ein einzelnes Kapillar Getrennte Kapillare und Schutzrohre
begünstigt einen Übersprung haben viele Kontakthürden
 Übergangswiderstand 
Die getrennte Schutzrohre und Kapillare sind deutlich im Vorteil, da kaum
Kontaktflächen entstehen können!
2012-05-08 Die Messstelle 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin 26

27. 50
µm
Typ S Thermoelementdraht
Ausbildung der Korngrenzen durch Verunreinigungen
SEM Aufnahme 2500x
Das Driftverhalten
2012-05-08 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin 27

28. Das Prinzip der Drift
Frage: Beeinflusst der Lötpunkt die Thermospannung?
988°C 20°C
NiCr
40.8 mV
0.0 mV
Sn
UNiCr-NiAl ∆T
NiAl
Das Stück Zinn ist auf gleicher Temperatur wie die Enden
der Messdrähte.
Also gibt es keine zusätzliche Thermospannung ab!
2012-05-08 Das thermoelektrische Prinzip 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin 28

29. Das Prinzip der Drift
Nach 200 h Betrieb macht sich aber doch was bemerkbar!
988°C 20°C
NiCr
41.0 mV
0.0 mV
Sn
UNiCr-NiAl ∆T
NiAl
Das Zinn diffundiert den Thermodraht entlang und
verändert dessen thermoelektrische Eigenschaft!
2012-05-08 Das thermoelektrische Prinzip 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin 29

30. Die Drift bei unedlen Thermodrähten
 Beispiel für die Drift bei unedlen Thermodrähten Typ K Draht Ø 0,5 mm
bei 900°C
ΔT Neu ΔT 1. Tag ΔT 20. Tag ΔT 40. Tag
Positiver Draht
+0,0 K +0,5 K +1,2 K +1,8 K
(NiCr)
Negativer Draht
+0,0 K -1,5 K -4,3 K -5,7 K
(NiAl)
ΔT = Drift
0,0 K +2,0 K +5,5 K +7,5 K
= Positiv - Negativ
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31. Die Drift bei Edelmetall Thermodrähten
 Beispiel für die Drift bei gleich dicken Edelmetall - Thermodrähten Typ S
Ø 0,35 mm bei 1200°C
ΔT Neu ΔT 1. Jahr ΔT 2. Jahr ΔT 3.Jahr
Positiver Draht
+0,0 K +0,2 K +0,5 K +1,2 K
(PtRh10%)
Negativer Draht
+0,0 K +2,2 K +4,0 K +6,5 K
(Pt)
ΔT = Drift
0,0 K -2,0 K -3,5 K -5,0 K
= Positiv - Negativ
2012-05-08 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin 31

32. Verwendung unterschiedlich dicker Thermodrähte
 Durch Anpassung der Draht-Durchmesser wird die
Alterungsgeschwindigkeit angepasst. Es entsteht keine Drift mehr.
 Beispiel für die Drift bei unterschiedlich dicken Thermodrähten bei
1200°C
ΔT Neu ΔT 1. Jahr ΔT 2. Jahr ΔT 3.Jahr
Positiver Draht
(PtRh10%) +0,0 K +0,2 K +0,5 K +1,2 K
Negativer Draht
+0,0 K +0,2 K +0,5 K +1,2 K
(Pt)
ΔT = Drift
0,0 K 0,0 K 0,0 K 0,0 K
= Positiv - Negativ
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33. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

34. Kontakt
Dipl.-Ing(FH) Daniel Körtvélyessy
Geschäftsführer
thermo-control Körtvélyessy GmbH
Grünspechtweg 19
D-13469 Berlin
Telefon: +49 (0)30 40 586 940
Telefax: +49 (0)30 40 586 941
E-Mail: info@thermo-control.com
Internet: http://www.thermo-control.com
2012-05-08 31. DKD-Tagung : Temperatur und Feuchte, PTB, Berlin 34