Ein Thermoelement ist ein thermoelektrischer Sensor zur Temperaturmessung. Es besteht aus zwei miteinander verschweißten Metallleitern. Abhängig von den verwendeten Werkstoffen entstehen unterschiedliche thermoelektrische Spannungen, wodurch sich Thermoelemente für den Einsatz in verschiedenen Temperaturbereichen eignen.
Die am häufigsten verwendeten Thermoelementtypen sind Typ K und Typ J.
Die Funktionsweise eines Thermoelements basiert auf dem Seebeck‑Effekt. Dieser beschreibt das physikalische Phänomen, dass beim Verbinden zweier unterschiedlicher Metalle ein geschlossener Stromkreis entsteht, in dem bei unterschiedlichen Temperaturen der Verbindungsstellen eine elektromotorische Kraft erzeugt wird.
Eine der Verbindungsstellen befindet sich an der Messstelle, die andere an einer Referenzstelle mit bekannter Temperatur.
Die Höhe der erzeugten elektromotorischen Kraft hängt von der verwendeten Metallkombination ab und ist proportional zur Temperaturdifferenz zwischen den beiden Verbindungsstellen.
K-Typ-Thermoelemente bestehen aus den Werkstoffen Chromel und Alumel und zählen zu den am häufigsten eingesetzten Thermoelementen. Aufgrund ihres breiten Temperaturmessbereichs eignen sie sich für eine Vielzahl industrieller Anwendungen.
Allerdings sind Thermoelemente vom Typ K nicht universell einsetzbar. In Umgebungen mit hohem Schwefelgehalt in der Luft kann es zu Beeinträchtigungen der Sensorelektroden kommen, was die Messgenauigkeit und Lebensdauer negativ beeinflusst.
Thermoelemente vom Typ K basieren auf einer Chrom-Aluminium-Legierung. Sie zählen zu den am häufigsten eingesetzten Temperatursensoren in einer Vielzahl industrieller Anwendungen.
Ihr Temperaturmessbereich reicht von −200 °C bis +1350 °C. In oxidierenden oder inerten Atmosphären werden Thermoelemente vom Typ K typischerweise bis zu 1260 °C eingesetzt.
Die thermoelektrische Empfindlichkeit von Thermoelementen vom Typ K beträgt etwa 41 µV/K.
Der Thermoelement‑Sensor vom Typ K besteht, wie jedes Thermoelement, aus zwei Drähten aus unterschiedlichen Werkstoffen.
Beim Typ K besteht ein Draht aus einer Nickel‑Chrom‑Legierung (ca. 90 % Nickel, 10 % Chrom), während der zweite Draht aus einer Nickel‑Aluminium‑Legierung (ca. 95 % Nickel, 2 % Aluminium, 2 % Mangan und 1 % Silizium) gefertigt ist.
Thermoelemente vom Typ J (Fe‑CuNi) weisen im Vergleich zu Thermoelementen vom Typ K bei höheren Temperaturen eine geringere Lebensdauer sowie einen kleineren Temperaturmessbereich auf.
Thermoelemente vom Typ K sind in der Regel langlebiger als solche vom Typ J, da der Eisendraht von Thermoelementen des Typs J insbesondere bei höheren Temperaturen zur Oxidation neigt.
Daher eignen sich thermoelektrische Sensoren vom Typ J vor allem für Anwendungen im niedrigeren Temperaturbereich zwischen 0 °C und 600 °C. Hinsichtlich Kosten, Zuverlässigkeit und Messgenauigkeit sind Thermoelemente vom Typ J und Typ K in vielen Anwendungen vergleichbar.
Aufgrund ihrer Eigenschaften können diese Temperatursensoren zur Temperaturüberwachung in einer Vielzahl von Umgebungen eingesetzt werden, beispielsweise in Wasser, milden chemischen Lösungen, Gasen oder trockenen Bereichen.
Sie werden besonders häufig in Anwendungen bei Temperaturen über 550 °C betrieben – bis zum maximal zulässigen Einsatztemperaturbereich des Thermoelements. Thermoelemente vom Typ K werden aufgrund ihrer vergleichsweise hohen Strahlungsbeständigkeit zudem in kerntechnischen Anwendungen eingesetzt.