Warum Typ K eine Ausgleichsleitung braucht

Typ K braucht eine Ausgleichsleitung, weil jede Verbindung zweier verschiedener Metalle selbst ein Thermoelement ist und die Messung dorthin verlegt, wo die Fühlerdrähte enden. Mit gewöhnlichem Kupferkabel zeigt ein Fühler bei 150 Grad nur 92 Grad an, wenn der Anschlusskopf 80 Grad warm ist und das Messgerät bei 22 Grad steht. Das sind 58 Kelvin zu wenig. Der Fehler löst keine Warnung aus, die Anzeige bleibt ruhig, stabil und plausibel, sie stimmt nur nicht. Das macht ihn tückisch, denn ein Wert von 92 Grad sieht an einem Heizkessel oder Ofen nicht verdächtig aus. Beim Heizungsbauer tritt er am Kessel auf, beim Hobbybastler an der Räucheranlage: Der Fühler hängt im heißen Rauchgas, das Kabel läuft über die warme Verkleidung zum Regler.

Warum nicht einfach Kupfer? Die Fühlerdrähte bestehen aus Nickelchrom und Nickelaluminium. Die Strecke vom Fühler zum Gerät beträgt in Werkstatt und Heizungskeller leicht zehn Meter, und Drähte aus diesen Legierungen kosten pro Meter ein Mehrfaches von Kupfer, sind steifer und brechen in dünnen Querschnitten leichter. Kupferlitze wäre biegsam und billig, nur ändert sie die Messung.

Eine Ausgleichsleitung ist die Antwort auf diesen Zwiespalt: ein Kabel, das sich bis zu einer begrenzten Temperatur elektrisch wie das Fühlerpaar verhält, aber aus günstigeren, handlicheren Werkstoffen besteht.

Wo die Vergleichsstelle wirklich liegt

Das Messgerät misst nicht eine Temperatur, sondern eine Spannungsdifferenz und rechnet den Beitrag seiner eigenen Klemmen heraus, indem es dort die Temperatur bestimmt und den dazu passenden Spannungswert addiert. Dieses Verfahren steht in dem Beitrag über das Messen mit dem Multimeter.

Es setzt voraus, dass zwischen Fühlerspitze und Geräteklemme nur das Fühlerpaar oder ein elektrisch gleichwertiges Paar liegt.

Wird am Anschlusskopf auf Kupfer gewechselt, entstehen dort zwei neue Kontaktstellen, Nickelchrom gegen Kupfer und Kupfer gegen Nickelaluminium. Beide liegen auf der Temperatur des Kopfes und erzeugen zusammen genau die Spannung, die ein Typ K Paar zwischen Kopf und Raum erzeugen würde, nur mit umgekehrtem Vorzeichen. Der Temperaturverlauf entlang des Kupfers spielt dabei keine Rolle, weil in beiden Kupferadern dieselbe Spannung entsteht und sich aufhebt. Wirksam wird allein der Kopf als neue Vergleichsstelle, doch das Gerät glaubt, sie läge an seinen Klemmen. Die Anzeige wird um die Spannungsdifferenz zwischen Kopf und Gerät verfälscht: bei 80 Grad am Kopf 3,267 Millivolt, bei 22 Grad am Gerät 0,879 Millivolt. Die Differenz von 2,388 Millivolt entspricht bei etwa 41 Mikrovolt je Kelvin gerade 58 Kelvin.

Was jede Anschlusstemperatur kostet

Die Rechnung lässt sich für jede Kopftemperatur wiederholen. Die Fühlerspitze liegt dabei stets auf 150 Grad, das sind 6,138 Millivolt, und das Gerät hält 22 Grad. Mit Ausgleichsleitung zeigt die Anzeige in jedem Fall 150 Grad. Mit Kupferleitung hängt sie vom Kopf ab. Auch der umgekehrte Fall kommt vor: Liegt der Kopf kälter als das Gerät, steigt die Anzeige zu hoch. In einem Tiefkühlraum mit Fühler bei minus 20 Grad, Kopf bei 0 Grad und Gerät bei 22 Grad zeigt das Gerät plus 2,5 Grad statt minus 20, denn 0,879 Millivolt Geräteanteil bleiben ohne Gegenstück stehen, und die Fühlerspannung von minus 0,778 Millivolt schrumpft auf 0,101.

Die Zahlen folgen einer einfachen Faustregel. Der Fehler in Kelvin entspricht fast eins zu eins dem Temperaturunterschied zwischen Kopf und Gerät, weil die Spannung je Kelvin im Bereich von 20 bis 120 Grad nahezu gleich bleibt. Solange der Kopf nur Raumtemperatur hat, bleibt Kupfer harmlos. Das verführt dazu, die Leitung im Keller zu verlängern, weil die Anzeige bei Raumtemperatur stimmt, und danach zu wundern, dass sie im Heizbetrieb davonläuft. Eine echte Ausgleichsleitung hält den Fehler nach üblichen Herstellerangaben innerhalb von etwa 100 Mikrovolt, das sind rund 2,5 Kelvin.

Thermoleitung oder Ausgleichsleitung

Für Typ K gibt es zwei Bauarten, die im Handel durcheinandergehen. Die Thermoleitung mit dem Kürzel KX besteht aus denselben Legierungen wie der Fühler und passt deshalb über den ganzen Temperaturbereich ihrer Isolierung, je nach Mantel zwischen 105 Grad bei PVC und 200 Grad bei Silikon oder PTFE. Die eigentliche Ausgleichsleitung, KCA oder KCB, nutzt Eisen und Kupfernickel beziehungsweise Kupfer und Kupfernickel, die nur zwischen etwa null und 150 Grad (KCA) oder null und 100 Grad (KCB) die passende Spannung liefern.

Die Grenze von 100 oder 150 Grad, die auf dem Datenblatt steht, gilt für den Bereich, der die Leitung erwärmt, nicht für den Fühler selbst. Wird ein KCB Kabel durch einen Raum von 130 Grad am Kessel geführt, verlässt es seinen Bereich, und es entsteht ein Fehler, der schwerer zu finden ist als der Kupferfehler. Zur Kostensenkung setzt der Installateur im warmen Bereich Thermoleitung ein und wechselt erst in der kühlen Zone auf das günstige Kabel. Dabei zählt nur, dass beide Enden jedes Wechsels dieselbe Temperatur haben, auch wenn die Leitung dazwischen an einem Rohr entlang durch heiße und kalte Zonen läuft, denn nur dann heben sich die zusätzlichen Kontaktspannungen auf.

Verlegen und Anschließen ohne neue Fehler

Die häufigste Panne nach dem Kupferfehler ist die vertauschte Polung. Bei einer Ausgleichsleitung, die am Kopf verkehrt angeschlossen wurde, kehren sich beide Zusatzspannungen um, und der Fehler verdoppelt sich. Mit den Zahlen von oben, Spitze 150 Grad, Kopf 80 Grad, Gerät 22 Grad, ergeben sich 6,138 minus 3,267 minus 3,267 plus 0,879 plus 0,879 gleich 1,362 Millivolt, und das Gerät zeigt etwa 34 Grad statt 150. Ein so extremer Fehler fällt wenigstens auf, doch bei kleinerem Temperaturunterschied bleibt er unauffällig, und bei einem Kopf von 40 Grad läge die Anzeige noch bei rund 114 Grad, was in einer laufenden Anlage nach einer Regelabweichung aussieht und nicht nach einem Verdrahtungsfehler.

Gegen beide Fehler helfen einfache Gewohnheiten:

• Leitungsart und Typ auf dem Mantel prüfen, ein Typ K Fühler verlangt KX, KCA oder KCB.
• Polung an jeder Verbindung gegenprüfen, dabei die Farbcodierung des Kabels mit der Klemmenbeschriftung abgleichen.
• Stecker und Kupplungen aus passendem Thermomaterial wählen, bei Messingklemmen müssen beide Kontakte dieselbe Temperatur haben.
• Den Bereichsgrenzwert 100 Grad bei KCB und 150 Grad bei KCA im warmen Teil des Kabelwegs einhalten.
• Das Messgerät fern von Wärmequellen aufstellen, weil seine Klemmentemperatur in jede Anzeige eingeht.

Ein Prüfversuch deckt den Kupferfehler in fünf Minuten auf und gibt Sicherheit über die gesamte Messkette. Mit passender Leitung bleibt die Anzeige in der Nähe von null, mit Kupfer fällt sie auf etwa minus 41 Grad, denn 60 minus 22 sind 38 Kelvin Temperaturunterschied, die als Fehler durchschlagen. Nach der Probe sitzt die Reihenfolge von Kopf, Kabel und Gerät fest im Kopf des Monteurs. Der Ablauf:

1. Den Fühler in ein Glas mit Eiswasser stellen, bis die Anzeige auf null Grad steht.
2. Den Anschlusskopf mit einem Heißluftföhn etwa zwei Minuten auf rund 60 Grad bringen, ohne die Fühlerspitze zu erwärmen.
3. Die Anzeige beobachten: Eine Abweichung bis 2,5 Kelvin ist normal, deutlich mehr deutet auf Kupfer oder Polungsfehler hin.
4. Den Versuch mit abgeklemmter Verlängerung wiederholen, um das Kabelstück als Ursache einzugrenzen.