Funktionsprinzip von Thermoelementen

Das Prinzip eines Thermoelements beruht darauf, dass zwei unterschiedliche Leiter oder Halbleiter A und B, die einen geschlossenen Stromkreis bilden und an beiden Enden miteinander verbunden sind, eine elektromotorische Kraft erzeugen, sobald zwischen diesen beiden Verbindungsstellen – der Messstelle (Arbeitsende) und der Referenzstelle (kaltes Ende) – eine Temperaturdifferenz besteht.

Die Richtung und die Größe dieser elektromotorischen Kraft hängen vom verwendeten Leitermaterial sowie von den Temperaturen der beiden Kontaktstellen ab. Dieses Phänomen wird als thermoelektrischer Effekt bezeichnet, und ein aus zwei unterschiedlichen Leitern bestehender Stromkreis wird Thermoelement genannt.

Thermoelement Typ J – was ist das?

Bei Thermoelementen vom Typ J besteht der positive Leiter aus Eisen, während der negative Leiter aus einer Legierung aus Kupfer (55 %) und Nickel (45 %) gefertigt ist, die unter dem Namen Konstantan bekannt ist.

Thermoelement Typ J – Temperaturbereich

Thermoelemente vom Typ J eignen sich für einen Temperaturbereich von –40 °C bis 750 °C. Die obere Grenze beschreibt die maximale Dauerbetriebstemperatur, kurzfristig sind jedoch auch bis zu 1 000 °C möglich. Die Mindesttemperatur liegt bei –40 °C. Bei sehr niedrigen Temperaturen ist allerdings Vorsicht geboten: Aufgrund der Feuchtigkeit in der Umgebung kann Kondensation entstehen, die zu Korrosion des Eisenleiters führt.

Thermoelement Typ J – Genauigkeit

Thermoelemente dieses Typs liefern präzise Messergebnisse und besitzen eine Empfindlichkeit von etwa 55 µV/K. Damit eignen sie sich besonders gut für zahlreiche industrielle Anwendungen – unter anderem für viele Prozesse in der Kunststoffverarbeitung.

Thermoelement Typ J – Farbkennzeichnung

Nach DIN EN 60584 gilt folgende Farbregel:

• positiver Leiter (+): schwarz
• negativer Leiter (–): weiß

Wofür wird das Thermoelement vom Typ J verwendet?

Thermoelement‑Sensoren vom Typ J werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, insbesondere in reduzierenden Atmosphären und in Vakuumbedingungen. Sie zählen zu den wenigen Thermoelementtypen, die sicher in Umgebungen mit geringem Sauerstoffgehalt, aber mit reduzierenden Gasen wie Wasserstoff oder Kohlenmonoxid betrieben werden können – beispielsweise in Industrieöfen.

Thermoelement Typ J – industrielle Anwendungen

Dank ihrer hohen Empfindlichkeit und ihres breiten Messbereichs eignen sich Thermoelemente vom Typ J sehr gut für viele industrielle Prozesse. Sie finden Einsatz in:

• der Kunststoffindustrie, einschließlich der Herstellung medizinischer Produkte
• der Wärmebehandlung von Aluminium
• der Aushärtung von Verbundwerkstoffen
• der Produktion und Entwicklung von Chemikalien und Farben
• der Elektronikprüfung

Thermoelement Typ J – Einschränkungen

Aufgrund des Eisenanteils ist dieser Thermoelementtyp anfällig für Oxidation. Daher wird empfohlen, ihn nicht unter feuchten Bedingungen einzusetzen.

Ebenso sollte er nicht für Temperaturen über 750 °C in oxidierenden Atmosphären verwendet werden. Unter solchen Bedingungen erfährt der Eisenleiter eine molekulare Umwandlung, wodurch die Standardausgangsspannung dauerhaft verloren geht. Auch nach dem Abkühlen lässt sich dieser Effekt nicht rückgängig machen.

Darüber hinaus ist ein Thermoelement vom Typ J für Umgebungen mit hohem Schwefelgehalt ungeeignet, da Schwefel eine rasche Materialdegradation verursacht und die Eigenschaften des Sensors schnell verschlechtert.

Thermoelement Typ J vs. Typ K – welches ist empfindlicher? Gemeinsamkeiten und Unterschiede

Thermoelemente vom Typ J haben eine ähnliche Messgenauigkeit wie Thermoelemente vom Typ K. Allerdings besitzt der Typ J einen begrenzteren Temperaturbereich von –40 °C bis +750 °C, während der Typ K in einem erweiterten Bereich von –200 °C bis +1200 °C eingesetzt werden kann.

Dafür ist der Typ J empfindlicher – er erzeugt etwa 50 µV/°C, während der Typ K bei etwa 41 µV/°C liegt. Außerdem sind Thermoelemente vom Typ K dank ihrer NiCr‑Ni‑Legierung widerstandsfähiger gegenüber Ultraoxidation und sauren Atmosphären. Ein weiterer Vorteil des K‑Typs ist sein günstiger Preis, der zu den niedrigsten unter den gängigen Thermoelementtypen gehört.