Temperaturen messen und analysieren Damit das robuste Thermoelement nicht plötzlich ausfällt

Thermoelemente messen und regeln die Temperatur und sind robust. Deshalb trifft man sie bei Industrieanlagen an. Doch wie funktioniert ein Thermoelement und wie lässt sich rechtzeitig Verschleiß erkennen?

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Zu den alltäglichen Aufgaben in der industriellen Messtechnik gehört es, die Temperatur zu messen und zu regeln. Als Temperatursensor verwendet man Thermoelemente. Sie zeichnen sich durch eine hohe intrinsische Genauigkeit, einen großen Temperaturmessbereich, ein schnelles Ansprechverhalten bei Temperaturänderungen, Robustheit und hohe Zuverlässigkeit sowie durch einen günstigen Preis aus. Im folgenden Text wird beschrieben, wie ein Thermoelement funktioniert. Außerdem gehen wir auf ein spezielles Problem ein: Den Ausfall eines Thermoelementes durch Verschleiß. Wir zeigen außerdem Möglichkeiten für die Ausfallprognose von Thermoelementen, bevor eine Gefahr für den jeweiligen Industrieprozess entsteht oder es zum Totalausfall kommt.

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In den 1820er Jahren entdeckte Thomas Johann Seebeck, dass in einem Stromkreis aus zwei verschiedenen Metallen ein elektrischer Strom fließt, wenn eine der beiden Verbindungsstellen gegenüber der anderen erwärmt wird. Der Strom fließt, solange sich die beiden Verbindungsstellen auf verschiedenen Temperaturen befinden. Wird der Stromkreis in der Mitte unterbrochen, so wird die unbelastete Potentialdifferenz „Seebeck-Spannung“ genannt. Betrag und Vorzeichen der Spannung hängen von der Temperaturdifferenz zwischen den beiden Verbindungsstellen sowie von den Eigenschaften der verwendeten Metalle ab. Das bezeichnet man als „Seebeck-Effekt“.

Den Verschleiß rechtzeitig erkennen

Tauscht man die heiße Messstelle mit der kalten Verbindungsstelle, der Vergleichsstelle, so polt sich die Spannung um. Grundsätzlich können zwei beliebige, aber sich unterscheidende Metalle oder Legierungen verwendet werden. Die am Thermoelement anliegende geringe Thermospannung ist in erster Näherung proportional zur Temperaturdifferenz zwischen Mess- und Vergleichsstelle.

Eine so erzeugte Spannung liegt je nach verwendeten Metallen etwa zwischen 5 und 40 µV je Grad Celsius der Temperaturdifferenz. Welche Metalle für industriell hergestellte Thermoelemente eingesetzt werden, richtet sich nach der erforderlichen Anwendung und dem gewünschten Temperaturmessbereich. Ein Thermoelement von Typ K kann beispielsweise aus den NiCr/NiAl-Kontaktstellen bestehen und für Messungen über 1000 °C ausgelegt sein.

Wie bei jedem anderen metallischen Gegenstand findet auch bei Thermoelementen eine Materialermüdung durch chemische Reaktionen, Materialabtrag und Mikrorisse statt, sodass ihre Lebensdauer begrenzt ist. Viele Anwender denken nicht an diesen Verschleiß des Thermoelements bis es schließlich ausfällt. Das führt dann meist zu einer kostspieligen Unterbrechung eines Fertigungsprozesses.

Ein Thermoelement beispielsweise aus einem Ofen auszubauen, der sich auf Betriebstemperatur befindet, kann schwierig und gefährlich sein. Ein Thermoelement ist ein einfacher und preiswerter Sensor. Dieser liefert schon einige Zeit vor dem Ausfall ungenaue Messwerte. Spuren aus Verunreinigungen bei der Handhabung eines Thermoelements, beispielsweise während der Fertigung oder Installation, können die Alterung des Thermoelements durch chemische Reaktionen beschleunigen. Der Verschleiß von Edelmetall-Thermoelementen beruht meist auf Verunreinigungen, die besonders bei höheren Temperaturen leichter eindiffundieren und die chemischen Eigenschaften und damit die Seebeck-Spannung an diesen Stellen ändern. Eine so veränderte Oberfläche entspricht dann der Parallelschaltung einer anderen Thermoelement-Kombination.

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