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Thermospannung
Die Physik
Die Thermospannung ist eine Folge der Thermoelektrizität. In einem Leiter in dessen Verlauf ein Temperaturgradient herrscht kommt es zur Ausbildung einer Spannung entlang des Leiters (siehe Skizze a). Dieses Phänomen wird Seebeck Effekt genannt.
Die Spannung im Leiter in der Grafik berechnet sich zu
Dabei ist SA der zum Material A gehörende Seebeck Koeffizient. Diese ist auch temperaturabhängig. Typische Seebeck Koeffizienten sind im Bereich von einigen 10uV pro Kelvin.
Die direkte Messung dieser Spannung ist mit einem normalen Spannungsmessgerät nicht möglich, da auch in den zur Kontaktierung verwendeten Leitern ein Potential entsteht. Kontaktiert man jedoch den Leiter A mit einem Leiter B auf der Seite mit der Temperatur T1 (siehe Skizze b), so kann man eine Spannung Uth messen, die proportional zur Temperaturdifferenz und zur Differenz der Seebeck Koeffizienten ist. Dies ist die Thermospannung.
Die Thermospannung ist also in erster Näherung proportional zur Temperaturdifferenz. Die Temperaturabhängigkeit der Seebeck Koeffizienten führt jedoch zu einer Nichtlinearität.
Die Seebeck Koeffizienten sind abhängig vom Material. Verunreinigungen können den Seebeck Koeffizienten stark beeinflussen. Für Temperaturmessaufgaben sind nur wenige Legierungen im Einsatz, die eine hohe Stabilität der Kristallstruktur bei Temperaturänderung aufweisen.
Einfluss auf die Messunsicherheit reduzieren
Ich möchte hier den Einfluss der Thermospannung auf die Messunsicherheit diskutieren. Als erstes muss man sich eine Übersicht über die Temperaturverhältnisse in dem Messaufbau verschaffen.
Meist sind elektrische Verbindungen über grössere Distanzen vorhanden. Für diese Verbindungen ist die erste Regel die wichtigste:
Regel 1: Vermeide unterschiedliche Materialien
Es ist offensichtlich, dass die Temperaturunterschiede über grössere Distanzen schwierig zu kontrollieren sind. Idealerweise verwendet man das gleiche Kupferkabel für Hin- und Rückleitung, da schon unterschiedlich legierte Kupferkabel unterschiedliche Seebeck Koeffizienten haben.
An manchen Stellen kann man eine Temperaturdifferenz nicht vermeiden. Typischerweise trifft dies auf alle Orte zu, wo Verlustleistung entstehen, wie zum Beispiel an belasteteten Widerständen oder Halbleitern. Die Anschlussdrähte von solchen Bauteilen sind manchmal nicht aus Kupfer. So sind Glasdurchführungen zu hermetisch gekapselten Widerständen oft aus Kovar. Kovar und Kupfer bilden ein Thermoelement mit 14uV/K Steigung. Hier hilft nur
Regel 2: Reduziere Temperaturdifferenzen
Dies kann man entweder dadurch sicherstellen, dass die Übergangsstellen zum Kupfer möglichst nahe zueinander liegen oder / und dass die Übergangsstellen durch ein gut wärmeleitendes Material miteinander verbunden sind.
Häufig hat man in DC Messaufbauten die Möglichkeit die Thermospannung zu erfassen und die Messung entsprechend zu korrigieren. Das HP/Agilent/Keysight 3458A Multimeter bietet diese Möglichkeit z.B. bei der Widerstandsmessung. Da die Erfassung der Thermospannung und die eigentliche Widerstandsmessung nacheinander erfolgen ist die zeitliche Stabilität der Thermospannung hier der begrenzende Faktor.
Regel 3: Sorge für zeitlich stabile Temperaturverhältnisse
Dies kann an unerwarteter Stelle problematisch sein. So kann z.B. die Regelungscharakteristik der Klimaanlage eine Modulation der Temperatur im Bereich von einigen zehntel Grad verursachen. Daher muss die Stabilität der Thermospannung untersucht werden um die Grenzen der Kompensation zu bestimmen.