Ein Thermoelement lässt sich mit jedem Multimeter auslesen, das einen Millivoltbereich besitzt, doch die angezeigte Spannung ergibt erst nach einer kleinen Korrektur die Temperatur. Steckt ein Fühler vom Typ K in einem Ofen und das Gerät zeigt 8,30 Millivolt, ordnet die Tabelle diesem Wert etwa 204 Grad zu. Tatsächlich herrschen 226 Grad, denn die Klemmen des Multimeters liegen im Zimmer bei 22 Grad und erzeugen selbst eine Spannung, die von der Anzeige abgezogen wird, ohne dass das Display davon etwas verrät.
Das Thermoelement ist das einfachste elektrische Thermometer überhaupt: zwei Drähte aus verschiedenen Legierungen, an einem Ende verschweißt, keine Batterie, keine Elektronik. Aus diesem Grund hält es Temperaturen aus, bei denen jeder Halbleiterfühler aufgibt, bei Typ K bis über 1200 Grad.
Der Preis dafür sind winzige Signale. Rund 41 Mikrovolt entstehen pro Kelvin Temperaturunterschied, ein Multimeter im 200 Millivoltbereich zeigt in Schritten von 0,1 Millivolt, und jeder Anzeigeschritt steht damit für etwa 2,5 Kelvin. Das reicht zum Prüfen eines Backofens, eines Lötkolbens oder einer Heizplatte, verlangt aber ein genaues Verständnis dafür, was das Gerät eigentlich misst. Es misst nämlich nie die Temperatur an der Fühlerspitze allein, sondern immer den Unterschied zwischen Spitze und Anschlussklemmen.
Wie zwei Drähte eine Spannung erzeugen
In jedem Metall wandern Elektronen vom warmen zum kalten Ende, und wie stark sie das tun, hängt vom Werkstoff ab. Dieser Seebeck Wert beträgt bei Chromel, einer Nickel Chrom Legierung, grob plus 20 Mikrovolt pro Kelvin und bei Alumel, einer Nickellegierung mit Aluminium, Mangan und Silizium, grob minus 20. Die Differenz ergibt die rund 41 Mikrovolt des Typs K. Überraschend ist der Ort der Spannung: Die Spannung entsteht nicht an der Schweißstelle, sondern entlang der Drähte, überall dort, wo ein Temperaturgefälle herrscht. Die Schweißstelle schließt lediglich den Stromkreis.
Aus dieser Tatsache folgt ein Unterschied zweier Werte: Die Messstelle liefert ihren Beitrag, die Anschlussstelle zieht ihren ab. Der Verlauf zwischen den Enden spielt keine Rolle, ein heißer Fleck mittendrin hebt sich heraus. Kupferklemmen am Multimeter bilden zusätzlich zwei Übergänge von Kupfer auf Chromel und auf Alumel, doch beide liegen im selben Gehäuse bei derselben Temperatur und heben sich gegenseitig auf. Dieses Gesetz der Zwischenmetalle erlaubt es auch, Thermodrähte mit Ausgleichsleitungen zu verlängern, solange deren Werkstoff im Temperaturbereich dieselbe Spannung liefert wie das Original, und es erklärt, warum ein Lötzinntropfen im Messkreis nichts verändert, wenn er überall gleich warm ist. Die Umkehrung des Effekts, bei der Strom ein Temperaturgefälle erzeugt, treibt das Peltierelement in der Nebelkammer an.
Spannung und Temperatur beim Typ K im Überblick
Unterhalb von 0 Grad kehrt sich das Vorzeichen um, minus 50 Grad entsprechen minus 1,889 Millivolt und minus 100 Grad minus 3,554. Der Anstieg ist dort mit 37,8 Mikrovolt je Kelvin zwischen 0 und minus 50 Grad und 33,3 zwischen minus 50 und minus 100 Grad merklich flacher, eine Faustformel für Tiefkühlmessungen führt also in die Irre.
Die Kennlinie des Typs K verläuft nahezu geradlinig, aber nicht ganz. Zwischen 0 und 100 Grad liefert ein Kelvin im Mittel 41,0 Mikrovolt, zwischen 100 und 200 Grad 40,4 und zwischen 300 und 500 Grad 42,2. Für einen schnellen Überschlag genügt der Wert 41 Mikrovolt pro Kelvin, er liegt bei 300 Grad nur etwa 2 Kelvin neben dem Tabellenwert.
Andere Typen unterscheiden sich vor allem in der Empfindlichkeit. Bei 100 Grad liefert Typ J rund 5,27 Millivolt, Typ T etwa 4,28 und Typ S aus Platin nur 0,65 Millivolt. Aus den Tabellenwerten lässt sich ablesen, warum das Handgerät für Typ K ausreicht: Ein Anstieg von 41 Mikrovolt je Kelvin und ein Anzeigeschritt von 0,1 Millivolt ergeben 2,5 Kelvin, für Typ S wären es 15 Kelvin je Schritt. Je kleiner das Signal, desto stärker wirken sich der Anzeigeschritt und das Rauschen des Multimeters aus, weshalb Platinfühler ohne Messverstärker mit einem Handgerät kaum sinnvoll ablesbar sind.
| Temperatur der Messstelle | Spannung gegen 0 Grad | Mittlerer Anstieg seit der Zeile davor |
|---|---|---|
| 0 Grad | 0,000 mV | nicht zutreffend |
| 100 Grad | 4,096 mV | 41,0 Mikrovolt je Kelvin |
| 200 Grad | 8,138 mV | 40,4 Mikrovolt je Kelvin |
| 300 Grad | 12,209 mV | 40,7 Mikrovolt je Kelvin |
| 500 Grad | 20,644 mV | 42,2 Mikrovolt je Kelvin |
| 1000 Grad | 41,276 mV | 41,3 Mikrovolt je Kelvin |
Von der Anzeige zur Temperatur in drei Schritten
Zuerst wird der Messbereich auf den kleinsten Gleichspannungsbereich in Millivolt gestellt und der Fühler so angeschlossen, dass Chromel an den Pluspol kommt. Chromel ist unmagnetisch, Alumel zieht einen Magneten schwach an, daran lassen sich die Drähte auch ohne Farbcode zuordnen. Dann folgt die Rechnung: Anzeige plus Spannung der Klemmentemperatur ergibt die Gesamtspannung, und diese wird in der Tabelle in eine Temperatur übersetzt.
Im Beispiel zeigt das Gerät 8,30 Millivolt bei 22 Grad Raumtemperatur. Für 22 Grad nennt die Tabelle 0,88 Millivolt, die Summe beträgt 9,18. Zwischen 200 Grad mit 8,138 und 300 Grad mit 12,209 Millivolt liegt der Wert bei 200 plus (9,18 minus 8,138) geteilt durch 4,071 mal 100, das sind 225,6 Grad.
Ohne den Zuschlag landet die Ablesung bei 204 Grad, der Fehler entspricht fast genau der Raumtemperatur. Zum Überprüfen eignen sich zwei Bezugspunkte: Ein Eiswasserbad mit schmelzenden Würfeln liegt bei 0 Grad, das Multimeter zeigt dort bei 22 Grad Raumtemperatur minus 0,88 Millivolt. Siedendes Wasser auf Meereshöhe, 100 Grad, ergibt 3,22 Millivolt. Ein Backofen auf 220 Grad liefert bei 22 Grad Zimmertemperatur eine Anzeige von 8,06 Millivolt.
Wo die Anzeige zusätzlich danebenliegt
Neben der fehlenden Korrektur trüben drei weitere Effekte das Ergebnis. Der Anzeigeschritt ist der erste: Bei 0,1 Millivolt je Digit springt die Temperatur in Stufen von 2,5 Kelvin, und die Herstellerangabe eines einfachen Geräts, etwa 0,5 Prozent plus zwei Digit, schlägt bei 8 Millivolt mit weiteren 0,24 Millivolt zu Buche, das sind knapp 6 Kelvin. Der Widerstand der Fühlerdrähte spielt dagegen keine Rolle. Ein Meter Draht mit 0,5 Millimeter Durchmesser bringt es hin und zurück auf etwa 5 Ohm, der Eingang des Multimeters hat 10 Megaohm, und der Spannungsabfall liegt bei einem Millionstel der Messspannung.
Der zweite Effekt ist die Wärmeableitung. Ein dicker Fühler in einem kleinen Wasserglas kühlt die Messstelle durch seine eigene Masse und zeigt zu wenig an. Auch korrodierte Klemmen sind ein Thema, denn ein oxidierter Übergang erzeugt eine eigene kleine Thermospannung. Der dritte Effekt sind Störungen: Lange, parallel geführte Fühlerleitungen neben einer Netzleitung fangen 50 Hertz ein, die als wackelnde Anzeige im Bereich von 0,1 bis 0,5 Millivolt erscheinen. Verdrillte Drähte und ein Abstand von einigen Zentimetern zu Kabeln beruhigen die Ziffern, ebenso ein Fühler, dessen Ende nicht als Antenne durch den Raum ragt.
- Millivoltbereich wählen und Chromel an den Pluspol legen, Alumel an die Masse.
- Raumtemperatur an den Klemmen mit einem zweiten Thermometer messen.
- Spannung der Raumtemperatur zur Anzeige addieren, erst dann die Tabelle nutzen.
- Steckverbinder aus Kupfer vermeiden, wenn die Klemmen unterschiedlich warm werden können.
- Messstelle klein und wärmeleitend ankoppeln, Wärmeverlust über die Drähte begrenzen.
- Vor dem ersten Einsatz Eiswasser und Siedepunkt als Probe messen.
