Das Thermokreuz; Der Thermowandler

Das Thermokreuz ist ein Meßwandler, der einen Strom (z.B. HF Strom) über den Zwischenschritt von Wärme in eine Gleichspannung wandelt. Der Wirkungsgrad ist dabei sehr gering, weshalb Thermokreuze nur für Meßzwecke verwendet werden. Aber der Vorteil besteht darin, daß wegen des Zwischenschrittes über die Wärme die erzeugte Thermo-Spannung proportional zur (umgesetzen) Leistung durch den zu messenden Strom ist. Dabei spielt die Kurvenform dieses HF-Stroms keine Rolle. Auf diese Weise wird die erzeugte Thermospannung proportional zum Quadrat des HF-Stroms und man erhält dadurch eine echte Effektivwert-Messung.

Der Seebeck-Effekt

Die physikalischen Untersuchungen zu den Effekten, die hierbei eine Rolle spielen, erfolgten bereits im 19. Jahrhundert. In einer zeitgenössischen Literatur (1901 /1905) findet man folgende Beschreibung dazu.

Die Erwärmung der Kontaktstelle zwischen den beiden unterschiedlichen Metallen erfolgte bei diesen physikalischen Versuchen mit Hilfe einer Flamme, Fig. 197. Beim Thermo-Kreuz dagegen erfolgt die Erwärmung elektrisch. Die Erzeugung der Thermospannung erfolgt da aber auch mit Hilfe des Seebeck-Effektes (1821).

Das Thermokreuz als Indikator für elektromagnetische Wellen

Bei den ersten Experimenten und Versuchen zur Funkübertragung um 1900 gab es noch keine wirkungsvollen Detektoren. Häufig wurden zu diesem Zweck "Fritter" (oder Kohärer), aber auch elektrolytische Detektoren ("Schlömilch-Zelle") oder magnetische Detektoren ("Marconi") verwendet. In dem Werk "Righi, Dessau: Telegraphie ohne Draht (1907)" werden insgesamt 24 "Wellendetektoren" beschrieben, darunter auch das Thermokreuz unter No. 18.

38. Die Indikatoren elektromagnetischer Wellen

18. Klemenčič ³⁹) und andere verwerten die von den elektrischen Wellen im Resonator entwickelte Wärme zur Erzeugung thermoelektrischer Ströme. Man erhält auf diese Weise einen Indikator, welcher die Wellen nicht nur anzeigt, sondern gleich zeitig auch ein Maß für die Intensität derselben liefert. Der Resonator besteht, aus zwei Metallstreifen, von welchen in Fig. 81 die einander zugewendeten, abgerundeten Enden sichtbar sind. Zwei Drähte as und bs' aus verschiedenen Metallen sind an diese Enden gelötet und werden, nachdem sie einander gekreuzt haben, mit Kupferdrähten verbunden, die zu einem empfindlichen Galvanometer führen. Die von den Schwingungen entwickelte Wärme steigert die Temperatur der Berührungsstelle der beiden Drähte und erzeugt einen thermoelektrischen Strom, dessen Intensität durch das Galvanometer gemessen wird.

Zu einer ähnlichen Anordnung griff auch Lebedew, um einen zu seinem kleinen Oszillator passenden Indikator zu erhalten. Noch genauer hat sich zu dem gleichen Zwecke neuerdings Pierce⁴⁰) an die von Klemenčič geschaffene Versuchsanordnung gehalten.

 

³⁹) Klemenčič, Wied. Ann. Bd. 42, S417 [1891]

⁴⁰) Pierce, Phil. Mag. Ser. 6, Bd. 1, S. 179, [1901]

 

Lit: Righi, A.; Dessau, B.: Die Telegraphie ohne Draht, 2.A., Vieweg, 1907

Auch bei Fleming "The Principles of Electric Wave Telegraphy and Telephonie" (1906 /1910) wird ein Thermokreuz als Empfangsdetektor in einer unabgestimmten Empfangseinrichtung gezeigt.

Hier wird das Thermokreuz in einem Dewar-Gefäß betrieben, wobei in Fig. 35 die Zunahme der Empfindlichkeit gezeigt ist, wenn der Dewar luftleer gepumpt wird. (Ein Dewar ist ein zweiwandiges Gefäß aus Glas entsprechend einer Thermos-Flasche.)

Die frühen Thermokreuze bestanden nur aus zwei Drähten aus unterschiedlichem Material, die mit einander verschlungen waren, Abb 215a) aus "Hollmann: Physik und Technik der ultrakurzen Wellen"

Später hat man erkannt, daß der zu messende Strom nicht wie im Fall a) ebenfalls über die Verbindungsstelle der beiden Metalle (Eisen / Konstantan) fließen muß, sondern daß es genügt, wenn dieser die Verbindungsstelle erwärmt, Fälle b) und c). Die Anwendungen hiervon finden sich dann in der Meßtechnik.

Das Thermokreuz in der Meßtechnik

Die wichtigste Rolle spielte das Thermokreuz in der (Nachrichten-) Meßtechnik, insbesondere zur Messung von Leistungen oder Effektivwerten (RMS, root mean square) z.B. von Strömen.

In der frühen Meßtechnik, z.B. bei "Hund: Hochfrequenzmeßtechnik" (1922 /1928) wird eine Anordnung gezeigt, wie sie auch als "Wellen-Detektor" verwendet werden konnte, Abb. 100.

In der Meßtechnik kommt es darauf an, nicht nur qualitativ zu messen, sondern quantitativ. Daher muß im Zusammenhang mit dem Thermokreuz einiges beachtet werden. In "Pflier, P.M.: Elektrische Meßgeräte und Meßverfahren, Springer, 1951 / 1957" wird dazu folgendes ausgeführt.

Drehspulinstrument mit Thermoumformer.

1. Prinzip.

Wenn man die Lötstelle eines Thermoelementes mit Wechselstrom beheizt, wird es zum thermoelektrischen Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer und eignet sich in Verbindung mit einem Drehspulmeßwerk zum Messen von Hochfrequenzströmen (Abb. 66). Die Thermo-EMK ist proportional der Temperaturdifferenz zwischen der beheizten Lötstelle und den kalten Anschlußenden, oder wenn die Wärmeabfuhr von der geheizten Lötstelle verhindert wird, proportional der Heizleistung

e = c(t₁ - t₀) = c₁I²R;                 (147)

e = Thermo-EMK,
t₁ = Temperatur der warmen Lötstelle,
t₀ = Temperatur der kalten Lötstelle,
I = Heizstrom,
R = Heizwiderstand,
c, c₁ = Konstanten

Der Thermoumformer ist anwendbar innerhalb des Frequenzbereiches, in dem noch keine wesentliche Stromverdrängung stattfindet, die Heizleistung also nur von der Stromstärke abhängt.

2. Ausführung der Thermoumformer.

Die Thermoumformer bestehen aus einem Heizer aus Nickel-Chrom, Manganin, Platin oder einem anderen Widerstandsmaterial in Form eines Drahtes, eines Bandes oder eines Röhrchens, der so bemessen ist, daß er eine Übertemperatur von etwa 2000 annimmt, wofür je nach Stromstärke und Länge des Heizers 1 mW ... 1 W aufgewendet werden muß. Das Thermoelement besteht aus Kupfer-Konstantan, Manganin-Konstantan, Nickel-Chrom-Konstantan oder einem anderen Elementenpaar und ist entweder durch Hartlöten oder Schweißen mit dem Heizer galvanisch verbunden oder isoliert von ihm angeordnet und steht nur in Wärmeaustausch mit ihm. Ein solcher Einfachthermoumformer liefert eine EMK von 5 ... 10mV, bei der isolierten Ausführung kann man mehrere Thermoelemente auf einem gemeinsamen Heizer hintereinander schalten und dadurch die Gesamt-EMK erhöhen. Die kalten Enden des Thermoelementes stehen in Wärmeaustausch mit den Anschlußklötzen des Heizfadens, nehmen also die Temperatur dieser Klötze an, so daß tatsächlich die Temperaturdifferenz zwischen der Mitte des Heizfadens und dem Anschlußklotz gemessen wird. Die beiden Anschlußklötze werden durch eine gemeinsame Metallgrundplatte, von der sie nur durch eine dünne Isolierschicht elektrisch getrennt sind, stets auf gleicher Temperatur gehalten.

Der Thermoumformer kann in Luft oder im Vakuum betrieben werden. Infolge der Wärmeabfuhr durch die Luft verbraucht die offene Ausführung eine wesentlich größere Heizleistung als die Vakuumausführung.

3. Eigenschaften.

a) Meßbereich. Thermoumformer werden als Vakuumumformer für Ströme von 1 ... 100 mA hergestellt. Sie sind auf etwa 10-5 mm Quecksilber evakuiert und unterscheiden sich je nach dem verlangten Frequenzbereich durch die Ausführung des Heizers sowie die Art der Stromzuführung. Wie Abb. 120 zeigt, verwendet man bei niedrigen Frequenzen Glaskolben mit Quetschfuß, während man bei höheren Frequenzen die Wechselstrom- und Gleichstromanschlüsse an entgegengesetzte Seiten des Glaskolbens legt und das Thermoelement durch eine Glasperle vom Heizer isoliert. Für die höchsten Frequenzen wird der Heizfaden geradlinig durch den Glaskolben gezogen.

Abb. 121 zeigt zwei Ausführungsformen von Vakuumthermoumformern (Hersteller H. & B.). Für Ströme von etwa 100 mA ... 10 A verwendet man Luftthermoumformer mit runden Heizfäden bei niedriger Frequenz, mit dünnen Heizbändern oder dünnwandigen Heizröhren bei hohen Frequenzen. Bei den höchsten Frequenzen führt man außerdem den Strom durch ein konzentrisches Kabel zu und schirmt das Kabel und das Meßinstrument gegen elektrische Felder. Die Luft- und Vakuumthermoumformer eignen sich bis zu Frequenzen von einigen Megahertz, Spezialausführungen mit isoliertem Thermoelement und sehr kleinen Kapazitäten und Induktivitäten sowie mit konzentrischer Stromzuführung und entsprechender Abschirmung sind bis etwa 300 MHz noch brauchbar.

Ströme über 10 A mißt man zweckmäßig über Hochfrequenzwandler in Verbindung mit Thermoumformern nach Abb. 122, weil der Verbrauch der Thermoumformer für große Ströme zu hoch ist. Die Hochfrequenzwandler haben einen sehr kleinen Eisenquerschnitt oder sind völlig eisenlos ausgeführt. Sie sind für Frequenzen von 2 ... 2000 kHz. verwendbar. Abb. 123 zeigt einen Hochfrequenzwandler von H. & B. mit dem zugehörigen Anzeigeinstrument. Die Instrumentenskala ist linear geteilt, die darüber liegende Eichskala gibt den Zusammenhang zwischen Skalenteilung und Meßstrom.

Thermospannungsmesser werden für etwa 1,5 ... 500 V hergestellt, sie nehmen 10 … 3 mA Strom auf. Die zugehörigen Vorwiderstände müssen möglichst kapazitäts- und induktivitätsarm hergestellt werden, sie. begrenzen den Frequenzbereich auf etwa 100 kHz.

b) Skalenverlauf. Wie die Gl. (147) zeigt, hängt die Thermo-EMK vom Quadrat des Heizstromes ab, die Skala verläuft quadratisch. Will man eine annähernd lineare Skalencharakteristik erhalten, so muß man das Feld im Luftspalt des Drehspulinstrumentes ungleichmäßig verteilen, was etwa durch Ausschleifen der Polschuhe geschehen kann. Man erreicht dann eine Skala, die im ersten Drittel gedrängt, von da ab nahezu linear ist, allerdings auf Kosten des Verbrauches.

c) Eigenverbrauch. Vakuumthermoumformer verbrauchen 1 bis 50 mW, Luftumformer, 100 ... 1000mW. Das Drehspulinstrument ist für 5 ... 10 mV bei einem Verbrauch von 0,2 ... 3 mA, also für 1 bis 30μW auszulegen. Die günstigste Anpassung erhält man, wenn der Widerstand des Instrumentes gleich dem Widerstand des Thermoelementes ist. Der Verbrauch des Thermoumformerinstrumentes ist also bei der Vakuumausführung niedrig gegenüber dem Verbrauch eines Hitzdrahtinstrumentes, dessen empfindlichste Ausführung immerhin noch etwa 1 W verbraucht.

d) Überlastbarkeit. Da die Heizleiter bereits bei Nennstrom eine Übertemperatur von etwa 200⁰ haben, sind sie nur wenig überlastbar; die zulässige Grenze liegt etwa beim doppelten Nennstrom, entsprechend einer Übertemperatur von 800⁰. Die Thermoumformerinstrumente brauchen deshalb die in den VDE-Regeln vorgeschriebenen Überlastungen nicht auszuhalten.

e) Dämpfung. Bei den Thermoumformerinstrumenten genügt die Dämpfung durch die in der Spule induzierte Gegen-EMK, die sich über das Thermoelement ausgleichen kann. Die Drehspulen dieser Instrumente werden deshalb ohne Dämpferrahmen frei gewickelt.

f) Genauigkeit. Das Thermoumformerinstrument hat eine gute Genauigkeit; sie ist bei den Luftumformern in erster Linie gefährdet durch Altern des Heizdrahtes, bei den Vakuumumformern durch Änderung des Vakuums infolge Nachgasens eingebauter Teile. Die Fehlergrenze liegt bei 0,5 ... 1%

g) Temperatureinfluß. Von Änderungen der Raumtemperatur wird man dadurch unabhängig, daß man die kalten Lötstellen thermisch mit den Anschlußklötzen verbindet, sie also stets auf der Temperatur dieser Klötze hält, womit gleichzeitig der Anwärmefehler beseitigt ist. Durch eine gemeinsame Montageplatte werden beide Anschlußklötze auf gleicher Temperatur gehalten, so daß zwischen den beiden kalten Verbindungsstellen keine EMK auftreten kann. Ein weiterer Temperaturfehler kommt zustande durch Thermoelemente, deren Thermo-EMK nicht linear mit der Temperatur steigt; dann erhält man bei verschiedener Ausgangstemperatur trotz gleicher Temperaturdifferenz verschiedene Thermospannungen. Endlich tritt noch ein Temperaturfehler durch die Widerstandsänderung des Heizers mit der Temperatur auf, wie sich aus der Gleichung ergibt, da sich ja damit die Heizleistung ändert. Man wählt deshalb für den Heizer Werkstoffe mit kleinem Temperaturkoeffizienten.

h) Frequenzeinfluß.

Da das Thermoumformer-Instrument für Hochfrequenz bestimmt ist, muß der Frequenzeinfluß besonders beachtet werden. Bei Hochfrequenzheizung erhöht sich der Scheinwiderstand des Heizdrahtes infolge der Stromverdrängung. Der Fehler wird klein gehalten, wenn man an Stelle massiver Runddrähte für den Heizer bei größeren Querschnitten dünne Bänder (Größenordnung 1 x 0,1 mm²) oder dünnwandige Rohre (Größenordnung 1 mm Ø; 0,01 mm Wandstärke) verwendet., Der Skin-Effekt führt erst bei Frequenzen über 10⁸ Hz zu meßbaren Fehlern.

Weitere Fehlerquellen sind die Kapazitäten und Induktivitäten des Meßkreises. Über die Erdkapazität des Thermoumformers können erhebliche Verschiebungsströme fließen, die das Meßergebnis fälschen und das Thermoelement zerstören können. Die Reihen- oder Parallelschaltung von Induktivitäten und Kapazitäten kann zu Resonanzen innerhalb des Frequenzbereiches führen. Durch Isolation des Thermoelementes vom Heizer, konzentrische Kabelzuführung, Vermeiden von Stromschleifen sowie Einbau des Thermoumformers in den geerdeten Leiter kann man diese Fehler klein halten. Während ansteckbare Thermoumformer auf Frequenzen unter 1 MHz beschränkt sind, kann, man mit Spezialausführungen nach Abb. 124 u. 125 (H. & B.) auch bei 10⁸ Hz noch einigermaßen richtig messen.

Bei diesen Geräten ist der Thermoumformer in einen Fühler aus keramischem Material eingebaut und durch eine verdrillte und geschirmte Leitung mit dem Drehspulinstrument verbunden. Das Instrument selbst ist durch ein Kupfergehäuse vor elektrischen Hochfrequenzfeldern geschützt.

Die Grenzfrequenz bei Strommessern liegt etwa bei 10⁸ Hz, bei Spannungsmessern liegt sie infolge der Schwierigkeit, frequenzunabhängige Vorwiderstände herzustellen, niedriger, und zwar bei etwa 10⁵ Hz.

i) Der Gleichstromfehler. Bei Gleichstrom ist die Thermo-EMK abhängig von der Stromrichtung. Dieser Umkehreffekt hat zwei Ursachen:

α) PELTIER-Effekt: Durchfließt ein Teil des Heizstromes die Lötstelle des Thermoelementes, was ja bei nicht isoliertem Aufbau stets der Fall ist, so macht sich der PELTIER-Effekt, das ist die Umkehrung des thermoelektrischen Effektes, bemerkbar, d. h. die Lötstelle kühlt sich ab, wenn der primäre Strom dieselbe Richtung hat wie der Thermostrom; sie erwärmt sich zusätzlich, wenn der Primärstrom dem Thermostrom entgegen gerichtet ist.

β) Spannungsabfall in der Lötstelle: Die Verbindungsstelle zwischen dem Heizdraht und dem Thermoelement ist kein idealer Punkt, sondern hat eine lineare Ausdehnung, es entsteht also auch in ihr ein Spannungsabfall, der sich einmal zu der Thermo-EMK addiert, das andere Mal von ihr subtrahiert.

Bei Gleichstrommessungen mit Thermoumformern sind deshalb stets zwei Messungen mit verschiedener Stromrichtung durchzuführen. Diese Gleichstromfehler weisen nur Thermoumformer mit galvanischer Verbindung zwischen Heizfaden und Thermoelement auf.

4. Ausführungsformen.

Thermoumformerinstrumente werden tragbar sowie als Schalttafelinstrumente mit eingebautem, angebautem oder auch völlig getrenntem Thermoumformer hergestellt. Bei tragbaren Instrumenten kann man die Thermoumformer auch ansteckbar machen und sie nach Belieben wie Nebenwiderstände eines Drehspulinstrumentes austauschen (Abb. 67).

5. Anwendungsgebiet.

Die Thermoumformerinstrumente werden für alle Hochfrequenzmessungen, insbesondere in der Nachrichten-, Rundfunktechnik und Elektromedizin gebraucht. Bei Nieder- und Mittelfrequenz werden sie angewendet, wenn infolge stark verzerrter Kurvenform keine Gleichrichterinstrumente genommen werden können oder wenn eine besonders träge Anzeige erwünscht ist. Die Schaltungen unterscheiden sich nicht von den Drehspulschaltungen. Meßbereicherweiterung ist durch Hochfrequenzwandler möglich.

(Die Abb. 355 entspricht der Abb. 67. "Drehspul-Tischinstrument von S. u. H. mit angestecktem Thermoumformer". Abb 355 ist aus "Neumann, H.: Das Messen mit elektrischen Geräten, Springer, 1960")

Lit:
Pflier, P.M.: Elektrische Meßgeräte und Meßverfahren, Springer, 1951 / 1957
Neumann, H.: Das Messen mit elektrischen Geräten, Grundlagen und Anwendungen, Springer, 1960

Die Skalenteilung ist nicht linear, wie aus Gl. (147) und aus der Abb. 355 hervorgeht. Daher muß die Skala "geeicht" werden. In "Skirl, W.: Elektrische Messungen" (1936) findet sich eine Anleitung hierzu, Bilder 502 - 506.

In "Zinke, O.: Hochfrequenz-Meßtechnik, Hirzel" (1938 / 1946 / 1959) finden sich weitere Schaltungen für Thermokreuze, wie sie in der Meßtechnik verwendet werden.

 

Da Thermokreuze höchstens bis zum doppelten Strom belastet werden dürfen, damit sie nicht durchbrennen, empfiehlt sich in der Praxis eine Schutzschaltung entweder mit einem Thermistor oder mit anti-parallel geschalteten Dioden, Bild 2,18.

 

 

 

Ausführungsformen

Zur Messung größerer Ströme wird das Thermokreuz mit einem Stromwandler kombiniert, Bild 2,24.

In "Stanek, J.: Technik elektrischer Meßgeräte" (1961) findet sich ein Beispiel für einen Thermowandler für höhere Ströme, Bilder 8.2, 8.3.

Ein Beispiel für ein Thermokreuz-Instrument für 3A von Ferranti zeigt die winzige Größe des Thermokreuzes (roter Pfeil). (Dank an Harald Giese für die Bilder.)

In "Henney, Radio Engineering Handbook, 5th ed. 1959, McGraw-Hill" sind Beispiele für kleine Termokreuze (Fig. 11) und für einen Thermo-Umformer für HF-Anwendungen (Fig. 8) zu finden.

In der Tabelle 5 sind noch charakteristische Daten von Vacuum Thermokreuzen gegeben.

MfG DR

Für diesen Post bedanken, weil hilfreich und/oder fachlich fundiert.

Effektivwert-Meßgeräte gibt es auch ohne Thermo-Kreuz. Hier wird dann der Effektivwert mit Hilfe von (analoger bzw. digitaler) Rechentechnik ermittelt. Siehe "Die Messung des Effektivwertes".

MfG DR

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