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Thermoelemente sind vielseitige Temperaturfühler, die schnell und einfach zu bedienen sind. Sie bestehen aus zwei verschiedenen Metallen, die an einem Ende verbunden sind und erzeugen eine sehr geringe Spannung, wenn Wärme angewendet wird. Diese Spannung dient dann zur Temperaturmessung.
Thermoelemente sind in verschiedenen Temperaturbereichen erhältlich, gekennzeichnet durch Buchstaben wie Typ K, der sehr universell einsetzbar ist. Die Materialkombinationen variieren, was zu unterschiedlichen Temperaturbereichen und Messwerten führt.
Wenn ein Metallstab erhitzt wird, bewegen sich Elektronen zum kühleren Ende, da die Wärme die Atome und Moleküle anregt und somit einen Temperaturgradienten erzeugt. Dies führt zu einer Ladungsdifferenz und somit zu einer Spannung zwischen den Enden.
Spannung ist ein Maß für die Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten, ähnlich wie Druck. Bei der Temperaturmessung mit Thermoelementen wird die Spannung durch den Vergleich der Elektronenansammlungen an den kalten Enden unterschiedlicher Metalle gemessen, die durch einen Temperaturgradienten entstehen.
Werden zwei Drähte aus dem gleichen Material verwendet, entsteht keine messbare Spannung, da der Temperaturgradient und die Elektronenansammlung an beiden Enden gleich sind. Bei Verwendung unterschiedlicher Metalle, wie Kupfer und Eisen, leiten diese Wärme und Elektrizität unterschiedlich, was zu einer messbaren Spannungsdifferenz führt.
Thermoelemente werden kalibriert, indem ihre Spannung bei bekannten Temperaturen gemessen wird. Um präzise zu sein, wird oft ein Eisbad als Referenzpunkt (0°C) verwendet. Für praktische Anwendungen wird die Temperatur der Kaltverbindung gemessen und eine Formel angewendet, um den Messfehler zu kompensieren, oft mit Hilfe eines Widerstandsthermometers.
Widerstandsthermometer sind ebenfalls Temperaturfühler, die auf dem Prinzip basieren, dass der elektrische Widerstand eines Materials sich mit der Temperatur ändert. Die meisten Metalle erhöhen ihren Widerstand, wenn sie heißer werden. Materialien wie Platin werden verwendet, da sie einen nahezu linearen Widerstands-Temperatur-Gradienten aufweisen.
Der Anstieg des Widerstands bei Erhitzung erklärt sich durch die stärkere Bewegung der Atome und Moleküle, was den Elektronenfluss erschwert. Gemäß dem Ohmschen Gesetz (Spannung = Strom x Widerstand) kann durch Messen der Spannung bei konstantem Strom die Temperatur bestimmt werden. RTDs bestehen oft aus Platin, das in einem Muster auf eine Keramikplatte beschichtet oder um einen Keramikkern gewickelt und glasversiegelt ist.