Temperature measurement

Thermocouple

Thermocouples are based on the principle of comparative measurement. A thermocouple consists of two metallic conductors of different materials which are welded together at the tip. This makes thermocouples particularly resistant to vibration. An industrial thermocouple consists of a thermocouple which is used for measurement. The terminal temperature or reference junction temperature at which the thermocouple is connected to the evaluation unit (e.g. the transmitter) always serves as the reference. This is necessary so that the ambient temperature at the terminal point does not influence the measurement result.

Normalerweise besteht das Thermoelement aus einer Kombination von zwei Materialien mit Durchmessern von 0,2 bis 5 mm. Bei der Verwendung von Edelmaterialien wie Rhodium oder Platin reichen diese Abmessungen von 0,1 bis 0,5 mm. Bei der Auswahl eines Thermoelementmaterials sollte darauf geachtet werden, dass es einen hohen Seebeck-Faktor hat und dass die Temperatur seinen Wert so wenig wie möglich beeinflusst, um eine lineare Kennlinie zu erreichen. Das geeignete Thermoelement­material wird entsprechend dem Bereich der gemessenen Temperatur ausgewählt.

Der Außenmantel des Sensors ist sehr hohen Temperaturen ausgesetzt, so dass es notwendig ist, verschiedene Stahlsorten zu verwenden. Bei den höchsten Temperaturen wird das Thermoelement­schutzrohr aus hitzebeständigem Stahl oder keramischen Werkstoffen hergestellt. Das Schutzrohr muss gegen Korrosion, Temperatur­schock und mechanische Beschädigung beständig sein. Eine wünschenswerte Eigenschaft zur Vermeidung von Korrosion des Thermoelements ist die Undurchlässigkeit von Gasen, die den Alterungs­prozess des Thermoelements erheblich beschleunigen könnten. Es gibt auch Designs ohne Abdeckung, die zur Reduzierung dynamischer Fehler verwendet werden. Bei speziellen Messungen, wie z.B. der Temperatur von flüssigen Metallen, Glas oder flüssigem Stahl, kommen hochspezialisierte Thermoelement­ausführungen zum Einsatz.

From the large number of possible metal combinations, certain ones have been selected and their properties standardized, in particular the series of stresses and the permissible limit deviations. The following elements have been standardized with regard to thermoelectric voltage and its tolerance both worldwide (IEC) and European or national standards.

Colour coding for thermocouples

Element

Maximum temperature

Defined until

Plus leg

Minus leg

Fe-CuNi

„J“

750°C

1200°C

black

white

Ce-CuNi

„T“

350°C

400°C

brown

white

NiCr-Ni

„K“

1200°C

1370°C

green

white

NiCr-CuNi

„E“

900°C

1000°C

purple

white

NiCrSi-NiSi

„N“

1200°C

1300°C

purple

white

Pt10Rh-Pt

„S“

1600°C

1540°C

orange

white

Pt13Rh-Pt

„R“

1600°C

1760°C

orange

white

Pt30Rh-Pt6Rh

„B“

1700°C

1820°C

keine Angabe

white

Thermocouples according to DIN EN 60 584

 

Element

Maximum temperature

Defined until

Plus leg

Minus leg

Fe-CuNi

„L“

700°C

900°C

red

blue

Ce-CuNi

„U“

400°C

600°C

red

brown

Thermocouples according to DIN 43 710

 

Colour coding of compensating cables

Element

Type

Mantle

Plus leg

Minus leg

Cu-CuNi

„T“

brown

brown

white

Fe-CuNi

„J“

black

black

white

NiCr-Ni

„K“

green

green

white

NiCrSi-NiSi

„N“

purple

purple

white

NiCr-CuNi

„E“

purple

purple

white

Pt10Rh-Pt

„S“

orange

orange

white

Pt13Rh-Pt

„R“

orange

orange

white

Colour coding for elements according to DIN EN 60 584

 

Element

Type

Mantle

Plus leg

Minus leg

Fe-CuNi

„L“

blue

red

blue

Ce-CuNi

„U“

brown

red

brown

Colour coding for elements according to DIN 43 713

 

Element

Type

Mantle

Plus leg

Minus leg

NiCr-Ni

„K“

green

red

green

Pt10Rh-Pt

„S“

white

red

white

Pt13Rh-Pt

„R“

white

red

white

Colour coding for elements according to DIN 43 714, Status 1979


Das Prinzip der Thermoelemente ist das Ergebnis des so genannten Seebeck-Effekts. Dieses Phänomen lässt sich durch die Theorie der freien Elektronen erklären, nach der verschiedene Arten von Leitern eine unterschiedliche Dichte an freien Elektronen aufweisen. An der Kontaktstelle von zwei verschiedenen Leitern, die ein Thermoelement bilden, bewegen sich die Elektronen von einem Leiter zum anderen. Eine größere Anzahl von Elektronen wird sich von einem Leiter mit höherer Dichte zu einem Leiter bewegen mit geringerer Dichte. Die Intensität der Elektronenwanderung hängt von der Temperatur des Kontaktpunktes der beiden Leiter ab, sie ist auch umso höher, je höher die Temperatur ist. Die elektromotorische Kraft, die in einem Thermoelement-Schaltkreis gebildet wird, der aus zwei verschiedenen Leitern besteht, deren Enden bei unterschiedlichen Temperaturen platziert wurden, ist durch die Formel gegeben:

V=(S-SA)⋅(T2-T1)

Die resultierende elektromotorische Kraft liegt in der Größenordnung von einigen bis zu mehreren Dutzend Mikrovolt pro Grad Celsius.

The choice of thermocouple type depends primarily on the operating temperature. Furthermore, an element with a high thermoelectric voltage should be selected in order to obtain a measurement signal that is as insensitive to interference as possible. In the following table: Properties of Thermocouples the different elements are listed together with a short characterization. The recommended maximum temperatures can only be assumed as basic values, as they depend strongly on the application conditions. They refer to a wire diameter of 3 mm for the base and 0.5 mm for the noble elements.

Cu-CuNi

350°C1)

Little spread.

Fe-CuNi

700°C1)

Widely used, inexpensive, susceptible to corrosion.

NiCr-CuNi

700°C1)

Low spread, high thermoelectric voltage.

NiCr-Ni

1000°C

Often used in the range 800 - 1000°C, also suitable for the lower temperature range.

NiCrSi-NiSi

1300°C

(Still) little widespread. Can partially replace noble elements.

Pt10Rh-Pt

1500°C (1300°C1))

High costs, very good long-term consistency, closely tolerated.

Pt30Rh-Pt6Rh

1700°C

High costs, lowest thermovoltage, high maximum temperature.

1. According to DIN 43710 (1977) when used in clean air

A thermocouple does not supply voltage if the measuring temperature is equal to the reference junction temperature. If a thermocouple or the compensating cable is short-circuited, the new measuring point is created at the location of the short-circuit. If such a short-circuit occurs, for example in the connection head, the temperature of the actual measuring point is no longer displayed, but that of the connection head. If there is an interruption in the measuring circuit, the subsequent device displays the reference junction temperature.

The length of the thermocouple or compensation cable is of secondary importance due to the low internal resistance. However, for longer cable lengths with a small cross-section, the resistance of the thermocouple or compensating cable can assume comparatively high values. In order to avoid display errors, the internal resistance of the input circuit of slave devices must be at least 1000 times greater than the resistance of the connected thermocouple. Only compensating cables of the same material as the element itself or with the same thermoelectric properties may be used, otherwise a new element will be created at the junction. The compensating cable must be laid up to the reference junction. When connecting thermocouples, the polarity must be observed.

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