Thermoelement

Im Pizzaofen herrschen 450 °C, im Lötofen 250 °C, an der Abgasanlage eines Motors über 800 °C, im Brennofen der Töpferei 1250 °C. Ein NTC wäre da längst geschmolzen, und ein Platin-Messwiderstand wird teuer. Hier misst ein Thermoelement: zwei Drähte aus unterschiedlichen Metallen, an der Spitze verschweißt. Es ist robust, billig, winzig und deckt von −200 °C bis über 1700 °C fast alles ab. Der Preis dafür ist ein sehr kleines Signal und eine Messkette, bei der du ein paar Dinge wissen musst.

Auch dein Multimeter mit „TEMP“-Funktion arbeitet meist mit einem Thermoelement Typ K – das ist der kleine Fühler mit dem flachen gelben Stecker.

Aufbau und Funktionsweise

Ein Thermoelement besteht aus zwei Leitern aus verschiedenen Metallen oder Legierungen, die an einem Ende verbunden sind. Diese Verbindung heißt Messstelle und sitzt dort, wo du die Temperatur wissen willst. Die beiden freien Enden führen zur Messelektronik; die Stelle, an der sie dort auf Kupfer treffen, heißt Vergleichsstelle (auch Kaltstelle).

Liegen Messstelle und Vergleichsstelle auf unterschiedlicher Temperatur, entsteht zwischen den freien Enden eine kleine Spannung. Dahinter steckt der Seebeck-Effekt: Ein Temperaturgefälle entlang eines Leiters treibt Elektronen vom warmen zum kalten Ende, und zwei verschiedene Metalle tun das unterschiedlich stark. Die Physik dazu erklärt Thermoelektrik und Piezo-Effekt ausführlich.

Wichtig für die Praxis ist nur eine Folge daraus:

Die Spannung ist klein: beim verbreiteten Typ K rund 41 µV je Kelvin. Bei 100 K Unterschied sind das gut 4 mV. Die genaue Thermospannung je Typ ist in der Norm IEC 60584 als Tabelle festgelegt; sie verläuft nicht ganz gerade, deshalb rechnen gute Messgeräte mit Tabelle oder Polynom statt mit einem festen Faktor.

Schaltzeichen

Das Schaltzeichen zeigt zwei Linien, die an einem Punkt zusammenlaufen – die Messstelle. Der Schenkel des Minuspols ist dicker gezeichnet. Im Schaltplan einer Leiterplatte siehst du meist aber nur einen zweipoligen Steckverbinder mit den Bezeichnungen „TC+“ und „TC−“ und das Wandler-IC dahinter. Mehr zu Schaltzeichen unter Schaltzeichen.

Typen und Kennwerte

Die Metallpaare sind genormt und mit einem Kennbuchstaben bezeichnet. Die wichtigsten:

Typ K ist der Allrounder und am weitesten verbreitet. Typ J ist in älteren Anlagen beliebt, aber der Eisenschenkel rostet. Typ T eignet sich für tiefe Temperaturen, Typ N ist stabiler als K bei Dauerbetrieb über 1000 °C. Die Edelmetall-Typen S, R und B sind teuer und haben ein winziges Signal; sie bleiben Öfen und Glasschmelzen vorbehalten.

Bei Leitungen nach IEC 60584-3 trägt der Plusleiter die Farbe des Typs, der Minusleiter ist weiß. Ältere Kabel nach DIN oder ANSI haben andere Farben – beim amerikanischen Typ K ist zum Beispiel der Minusleiter rot. Prüf im Zweifel mit dem Magneten: Beim Typ K ist der Minusschenkel (Nickel-Aluminium) magnetisch.

Auch die Genauigkeit ist genormt. Ein Typ-K-Thermoelement der Klasse 2 darf um ±2,5 K oder ±0,75 % der Temperatur in °C abweichen – es gilt der größere Wert. Bei 600 °C sind das ±4,5 K. Klasse 1 halbiert das ungefähr (±1,5 K oder ±0,4 %). Damit ist das Thermoelement deutlich ungenauer als ein Platinwiderstand, aber für Ofen, Lötstation und Abgas genau genug.

Vergleichsstelle und Messschaltung

Weil das Element nur den Unterschied misst, braucht jede Messung eine Vergleichsstellenkompensation: Ein zweiter Sensor – meist ein Temperatursensor-IC oder ein NTC – misst die Temperatur der Anschlussklemmen. Die Elektronik rechnet diese Temperatur in die zugehörige Thermospannung um, addiert sie zur gemessenen Spannung und schlägt das Ergebnis in der Tabelle nach.

Wie klein das Signal für einen Mikrocontroller ist, zeigt eine zweite Rechnung: Ein 12-Bit-ADC an 3,3 V löst etwa 0,81 mV auf. Bei 41 µV/K wären das rund 20 K je Stufe. Ohne Verstärkung um den Faktor 50 bis 100 ist also nichts zu holen, und die Verstärkung muss sehr wenig Offset haben – 50 µV Offset eines einfachen Operationsverstärkers wären schon über 1 K Fehler.

Deshalb nimmt man heute fast immer ein fertiges Wandler-IC. Der MAX31855 zum Beispiel enthält Verstärker, AD-Wandler, Vergleichsstellensensor und Kabelbrucherkennung und liefert die Temperatur mit 0,25 K Auflösung über SPI; den MAX31856 und MCP9600 gibt es für alle gängigen Typen und mit Linearisierung. Wichtig dabei: Die Vergleichsstelle ist dann die Stelle, an der die Thermodrähte auf Kupfer treffen, und genau dort muss der Sensor des ICs die Temperatur kennen.

Bauformen

• Blanke Drahtperle: zwei isolierte Drähte mit verschweißter Spitze. Sehr schnell, billig, mit Glasseide- oder Teflonisolierung je nach Temperatur.
• Mantelthermoelement: Die Drähte liegen in Magnesiumoxid-Pulver in einem dünnen Edelstahl- oder Inconelrohr, oft nur 0,5 bis 3 mm dick. Biegbar, druckfest, bis über 1000 °C. Die Messstelle kann isoliert oder mit dem Mantel verschweißt („geerdet“) sein; geerdete Spitzen sprechen schneller an, verbinden aber das Thermoelement elektrisch mit dem Messobjekt.
• Einschraub-, Einstech- und Oberflächenfühler für Rohre, Lebensmittel und Bleche.
• Stecker: Typisch sind die flachen Miniaturstecker mit zwei verschieden breiten Stiften, aus Thermomaterial gefertigt und in der Farbe des Typs.

Auswahl und Praxistipps

Wähle zuerst den Typ nach Temperaturbereich und Umgebung – im Zweifel Typ K. Dann die Bauform nach Ansprechzeit und Robustheit, zuletzt den Wandler nach Genauigkeit und Schnittstelle. Unter etwa 150 °C und bei Genauigkeit unter 1 K ist ein PT1000 meist die bessere Wahl.

Häufige Fehler:

• Verlängert mit Kupferlitze: Jede Verbindung zwischen Thermodraht und Kupfer ist eine neue Vergleichsstelle. Verlängere nur mit Thermo- oder Ausgleichsleitung des gleichen Typs und verbinde mit passenden Thermosteckern.
• Plus und Minus vertauscht: Die Anzeige läuft rückwärts, wenn der Fühler warm wird. Achte auf die Farben und auf die Stiftbreite am Stecker.
• Vergleichsstelle in der Wärme: Liegt der Steckverbinder neben einem Spannungsregler, wärmer als der Sensor im Wandler-IC, entsteht ein Fehler. Halte Klemmen und IC dicht beieinander und auf gleicher Temperatur, weit weg von Wärmequellen (siehe Wärme und Kühlung).
• Störungen auf langen Leitungen: Mikrovolt-Signale fangen Brummen ein. Verdrillte, gegebenenfalls geschirmte Leitungen und ein Filter vor dem Wandler helfen; mehr dazu unter EMV.
• Geerdete Messstelle an geerdetem Objekt: Hat das Messobjekt ein anderes Potential als deine Schaltungsmasse, fließen Ausgleichsströme oder der Wandler meldet Fehler. Nimm dann eine isolierte Messstelle.

Selbsttest