Damit das robuste Thermoelement nicht plötzlich ausfällt

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Die erzeugte Thermospannung wird alterungsbedingt niedriger

Thermoelemente aus unedlen Metallen verschleißen schneller durch Oxidation oder anderweitige chemische Reaktionen beim Kontakt mit der umgebenden Atmosphäre. Wenn die Oberfläche der Drähte des Thermoelements oxidiert, verringert sich meist der stromführende Querschnitt bis schließlich kein Strom mehr fließen kann, da die Oxide bei vielen typischen Thermoelementen weniger leitfähig sind. Die angegriffene Oberflächenschicht kann zudem spröde und mechanisch anfällig werden.

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Die alterungsbedingten Spannungsänderungen können je nach Materialkombination in positive oder negative Richtung stattfinden. Durch geschickte Wahl der Drahtdurchmesser (Oberflächen) und Materialien lassen sich Spannungsänderungen prinzipiell kompensieren. In der Praxis tritt jedoch häufig der Fall auf, dass die erzeugte Thermospannung alterungsbedingt niedriger wird.

Der Verschleiß führt oft über mehrere Wochen zu einer schleichenden Verringerung der Seebeck-Spannung und bleibt deswegen häufig unentdeckt. Wird die Seebeck-Spannung geringer, täuscht sie eine zu geringe Temperatur vor. Dementsprechend wird die momentane Prozesstemperatur vom Temperaturregler solange erhöht, bis sich wieder die als Sollwert erforderliche Seebeck-Spannung einstellt.

Die schwindende thermoelektrische Leistung des verschleißenden Thermoelements wird also ausgeglichen, indem dem Prozess mehr Energie zugeführt wird, was sich auf den Energieverbrauch, die Umwelt und die Prozesskosten auswirkt. Werden die betreffenden Prozesse dauerhaft mit zu hoher Temperatur gefahren, sind Schäden an den eingesetzten Werkstoffen und der Produktion zu erwarten.

Thermoelemente und ihre Ausfallprognosen

Jeder, der Thermoelemente einsetzt, sollte sich über das Risiko eines sukzessiven Verschleißes und der damit einhergehenden Konsequenzen bewusst sein. Die Gesamtkosten im Fehlerfall übersteigen die Kosten eines Thermoelements in der Regel bei weitem.

Zum Glück experimentierte neben Seebeck mit seinen Drähten in den 1820er Jahren auch sein Zeitgenosse und Landsmann Georg Simon Ohm zum spezifischen Widerstand. Hilfreich ist das, weil sich durch die Materialänderungen des Thermoelements sein elektrischer Widerstand ändert. Zum Beispiel erhöht sich bei einem dünner werdenden Leiter der Widerstand.

Der Schleifenwiderstand eines Thermoelements hängt von Länge, Durchmesser und Material seiner Metalldrähte und Zuleitungen ab, aber auch von den Temperaturen entlang des Stromkreises und der Übergangswiderstände an allen Verbindungsstellen. Wenn man den Schleifenwiderstand bei der Erstinstallation sowie in regelmäßigen Abständen während des Betriebs misst, kann die Änderung dieses Widerstands als Frühwarnsignal der Alterung verwendet werden, also um zu erkennen, dass Drähte durch chemische Einflüsse dünner werden oder dass Verbindungen sich zu lockern bzw. zu korrodieren beginnen. Auch können solche geänderten Kontaktwiderstände infolge gebrochener, sich aber noch berührender Drähte vorliegen oder bei Nebenschlüssen durch Isolationsdefekte entlang der Drähte entstehen.

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