Altes und Neues zu thermoelektrischen Effekten und Thermoelementen

Das Kapitel 1 führt überblicksmäßig in die einzelnen Themenschwerpunkte dieses Buches ein. Insbesondere werden anfangs die thermoelektrischen Grundbegriffe erläutert.

Dieses Kapitel gibt einen geschichtlichen Überblick zur Entstehung und Weiterentwicklung der Thermoelektrik mit starkem Bezug zur thermoelektrischen Messtechnik. Dabei wird auch der in der Vergangenheit oft gestellten Frage nach dem Benedicks-Effekt und nach dem Entstehungsort der Thermospannung Raum gegeben.

Eine einseitige Betrachtung des Seebeck-Effektes als nützlicher Messeffekt verschließt u. U. die Betrachtungen seiner Zugehörigkeit. Er ist in erster Linie ein elektrophysikalischer Effekt und hat mit anderen Effekten verschiedene Gemeinsamkeiten aber auch Kombinationsmöglichkeiten. Das Kapitel ordnet in dieser Hinsicht die thermoelektrischen Effekte in die der elektrophysikalischen Effekte ein.

Am Anfang des Kapitel 4 erfolgt eine Betrachtung zu den thermoelektrischen Materialtypen und ihren speziellen festkörperphysikalischen Eigenschaften. Hauptgegenstand dieses Kapitels sind aber die Erläuterungen zum Basiseffekt und die Berechnung des diesbezüglichen absoluten Seebeck-Koeffizienten (ASC). Dabei wird darauf hingewiesen, dass der ASC eine quadratische, von der Temperatur abhängige Berechnungskomponente besitzt, die u. a. auch für die Entstehung des Benedicks-Effektes verantwortlich ist. Eine ASC-Berechnung erfordert eine genaue Betrachtung des Materialtyps. Daher wird zunächst eine Materialklassifizierung und in Folge eine ASC-Untergliederung vorgenommen. Diese Untergliederung des ASC erfolgt hinsichtlich offenen oder geschlossenen Kreises, in Bezug zur Kelvin-Temperatur oder zu einer beliebigen Temperaturdifferenz und letztlich hinsichtlich normaler Metalle, magnetischer und unmagnetischer Übergangsmetalle sowie binärer Mischmetalle.

Das Kapitel 5 dient der ausführlichen Betrachtung der vier wichtigen bzw. Klassischen thermoelektrischen Effekte, die durch Seebeck, Peltier, Thomson und Benedicks entdeckt wurden. Die Betrachtungen schließen die formelmäßige Herleitung der jeweiligen Bestimmungsgleichungen ein, wobei von dem thermoelektrischen Basiseffekt bzw. der vorliegenden energetischen Situation ausgegangen wurde. Bei der Darlegung des Benedicks- Effektes erfolgte sinngemäß ein Bezug auf verschiedene Temperaturfeldunsymmetrieen.

Dieses Kapitel gibt einen Überblick zu primären Industrieapplikationen. Da die Einzel- und Speziallösungen in unübersichtlicher Anzahl vorliegen, werden nur die Basislösungen betrachtet. Man unterscheidet vier thermoelektrische Basisapplikationen: Thermoelement, Thermosicherung, Thermogenerator sowie Peltier-Elemente (u. ä.). Der Überblick ist knapp gehalten, da Thermoelemente in anderen Kapiteln ausführlich behandelt werden. Die Thermosicherungen belegen nur ein sehr enges Gebiet der Flammenüberwachung, und Thermogeneratoren und Peltier-Elemente sind eine Domaine der Halbleitertechnik.

Dieses Kapitel enthält eine Übersicht zu Standardbeschaltungen und zur standardgemäßen thermolelektrischen Temperaturmesstechnik. Die Messfehlerbetrachtungen sind kurz und pragmatisch gehalten angesichts der umfangreichen vorliegenden Literatur und Vorschriften. In die Betrachtungen fließen die der Thermoelektrik zuordenbaren Effekte und verschiedenen Sondereinflüsse, inklusive möglicher Korrekturvarianten, ein. Explizit wird sich auch der Problematik der Selbstdiagnose gewidmet. Bei den Fühlerbeschreibungen findet der Praktiker überraschende Fühlerlösungen, wie z. B. thermoelektrische Dichtungen. Ein Unterkapitel widmet sich den sicherheitsrelevanten Fühlern. Es warden hier die explosionsgeschützten, die Sicherheitstemperatur begrenzenden, die functional sicheren und zünddurchschlagsicheren Thermoelemente betrachtet. Die beiden letzten Unterkapitel behandeln die aktuellen Problempunkte „Inhomogenität“ und „thermoelektrische Drift“ – dabei ist eine Drifterkennung eingeschlossen.

Das Kapitel 8 betrachtet überblicksmäßig die klassischen und nicht standardgemäßen Werkstoffe, die einerseits für Schutzrohre und andererseits für Thermopaare Verwendung finden. Einen Schwerpunkt bilden dabei die refraktären Materialien. Da nicht nur die Einsatztemperaturgrenzen sich nach oben verschieben, sondern auch die mechanischen Belastungen (z. B. 500 … 800 K/s Temperaturwechsel), wurden eine Reihe von mechanischen Kennwerten bei 1000 °C recherchiert bzw. angegeben.

Das abschließende Buchkapitel zeigt die sich der Thermoelektrik vielfältig eröffnenden Perspektiven. Insbesondere die thermoelektrische Messtechnik profitiert von einer Reihe materialtechnischer Entwicklungen.