1 Überblick über die Sensorik

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46 3.2 Thermoelektrische Sensoren 3.2.2 Thermoelemente 47
ist eine regelmäßige Nacheichung der Thermoelemente erforderlich.
Weitere Fehlerquellen entstehen durch Unvollkommenheiten in der metallurgischen
Verbindung der beiden Thermoelementwerkstoffe: Die Herstellung zuverlässiger und
hochtemperaturstabiler Schweißkontakte erfordert große Sorgfalt . Dasselbe gilt auch
für Hartlöttechniken, die zusätzlich den zulässigen Temperaturbereich der Thermoelemente
einschränken.
Bei Verwendung dünner Drähte haben Thermoelemente meist eine relativ kleine Wärmekapazität,
die auch recht kurze Meßzeiten (z.B. unterhalb einer Sekunde) zuläßt.
Nachteilig ist dann, daß die entscheidenden Bereiche des Thermoelements nur wenig
geschützt der Umgebung ausgesetzt ist, d.h. mechanisch, elektrisch oder chemisch (insbesondere
durch Reaktion mit dem Luftsauerstoff) verändert werden können. Beim
Schutz der Thermoelemente durch Einbau in keramische oder metallische Gehäuse geht
die geringe Wärmekapazität verloren: Die Zeitauflösung der Temperaturmessung kann
sich bis in den Minutenbereich verschieben.
Eine wichtige passivierte Ausführungsform ist das Mantelthermoelement: Dabei werden
die Thermoelementdrähte in ein isolierendes Keramikpulver (z.B. aus Magnesiumoxid
MgO) eingebettet und von einem Metallmantel umgeben. Auf diese Weise läßt sich
das Alterungsverhalten erheblich verbessern (Bild 3.2.2-8)
Bild 3.2.2-7
Alterungsverhalten von Thermoelementen
a) Alterung in Luft (nach [3.1])
b) Mittlere Änderung der Thermospannungvon PtRh10-Thermoelementen bei
1083 °C nach Auslagerung (durchgezogen: Auslagerungszeit 1h, sonst wie angegeben)
bei höheren Temperaturen. Im Bereich bis 1400 °C werden im Thermoelementmaterial
Gitterfehler ausgeheilt, weiterhin tritt eine Rekristallisation ein,
oberhalb von 1400 °C beginnt die Abdampfung von Rhodium (nach [3.8].
Bild 3.2.2-8 Alterungsverhalten von Mantelthermoelementen in Luft (nach [3.1])
Vor dem Eichen neu hergestellter Thermoelemente empfiehlt sich daher eine ausgedehnte
Temperbehandlung zur Stabilisierung der Werkstoffparameter.
Die eingeschränkte Alterungsbeständigkeit der Thermoelemente bringt eine erhebliche
Meßunsicherheit mit sich: Gerade bei Dauerbetrieb im Bereich höherer Temperaturen
Bild 3.2.2-9 zeigt verschiedene Ausführungs- und Einbauformen von
Thermoelementen.