Die vier Thermoelementtypen mit den Buchstaben J, K und T sowie dem Platintyp S unterscheiden sich im Metallpaar, im Temperaturbereich und in der Spannung, die ein Kelvin Temperaturunterschied hervorruft. Typ K arbeitet von etwa minus 200 bis 1100 Grad im Dauerbetrieb und deckt damit den größten Teil aller Messaufgaben ab, Typ J nutzt Eisen und endet bei rund 750 Grad, Typ T mit Kupfer reicht im Dauereinsatz nur bis etwa 370 Grad, dafür aber tief in den Frostbereich, Typ S mit Platin hält Temperaturen über 1400 Grad aus.
Der Buchstabe sagt also nichts über Qualität. Er ist ein genormter Code für ein Drahtpaar, so wie bei Widerständen die Farbringe nur einen Wert nennen. Ein Typ K Fühler im Gefrierschrank funktioniert, ein Typ T Fühler im Brennofen schmilzt nicht gleich, sondern oxidiert schleichend und liefert Werte, die jeden Tag ein Stück weiter abdriften. Genau diese schleichenden Fehler machen die Wahl so wichtig. Ein defekter Fühler fällt auf, ein driftender nicht.
Dazu kommt ein Detail, das im Datenblatt gern untergeht: Alle vier Typen erzeugen nur Millivolt. Wie fein ein Messgerät unterscheiden muss, hängt davon ab, wie viel Spannung der Typ pro Kelvin liefert. Typ S gibt davon so wenig ab, dass ein einfaches Multimeter an seine Grenze stößt. Die folgenden Abschnitte gehen die Typen nach ihren Metallen durch, danach folgt die Gegenüberstellung mit Toleranzen und Farben.
Eisen und Kupfer als Pluspol bei Typ J und Typ T
Typ J kombiniert Eisen mit Konstantan, einer Kupfer Nickel Legierung. Bei 500 Grad entsteht eine Spannung von 27,393 Millivolt, das entspricht im Mittel 54,8 Mikrovolt je Kelvin. Kaum ein anderer Standardtyp liefert mehr Signal, und genau das macht Typ J in Vakuumöfen, Spritzgussmaschinen und Kunststoffverarbeitung beliebt. Die Schwäche sitzt im Eisen. Es rostet bei Feuchte binnen Wochen, und in der Nähe von 770 Grad verliert es seinen Magnetismus, wobei die Kennlinie einen Knick bekommt. Hersteller begrenzen Typ J deshalb auf etwa 750 Grad.
Ein unbeschrifteter Fühler lässt sich mit einem Magneten prüfen, und Typ J verrät sich sofort mit einem Magneten: Der Pluspol aus Eisen haftet kräftig am Magneten. Bei Typ K haftet nur der Nickelaluminium Schenkel, und das schwach.
Typ T paart Kupfer mit Konstantan. Bei 300 Grad liegen 14,862 Millivolt an, und im Minusbereich bleibt die Kennlinie glatt bis weit unter minus 200 Grad. Deshalb steckt Typ T in Gefriertrocknern, Kühlketten und Kältekammern. Kupfer verträgt Feuchte, oxidiert aber ab etwa 370 Grad zügig. Ein zweiter Haken ist die Wärmeleitung: Kupferdraht führt Wärme vom Messpunkt weg, der Fühler zeigt dann etwas zu wenig. Dünne Drähte und eine lange Eintauchtiefe von mindestens zehn Drahtdurchmessern zum Rohrende drücken diesen Ableitfehler.
Platin bei Typ S und die Nickelvariante Typ N
Typ S besteht aus einem Draht mit Platin und zehn Prozent Rhodium und einem Draht aus reinem Platin. Bei 1000 Grad entstehen 9,587 Millivolt, also nur 9,6 Mikrovolt je Kelvin. Das ist knapp sechsmal weniger als bei Typ J. Ein Multimeter mit 0,1 Millivolt Anzeigeschritt löst bei Typ J etwa 1,8 Kelvin auf, bei Typ S dagegen rund 10 Kelvin. Platinfühler brauchen deshalb Messverstärker, die einzelne Mikrovolt trennen. Der Preis pro Meter Draht liegt um Größenordnungen über dem von Unedelmetall, und der Aufwand lohnt sich erst, wo Typ K nicht mehr mitkommt: in Glasschmelzen, Keramiköfen und Metallurgie bis über 1400 Grad.
Platin hat eine unangenehme Eigenschaft. Es nimmt bei hoher Temperatur Silizium, Phosphor und Metalldämpfe aus der Umgebung auf und verändert dabei seine Spannung. Dichte Keramikschutzrohre aus Aluminiumoxid sind Pflicht, und Rhodium wandert langsam in den Platinschenkel, sodass sich der Fühler über Monate verstimmt.
Typ N gehört nicht zum Titel, erklärt aber, warum Typ K nicht immer die erste Wahl bleibt. Nicrosil und Nisil liefern bei 1000 Grad 36,256 Millivolt, also etwas weniger als Typ K, driften zwischen 250 und 600 Grad aber merklich weniger. Wo über Jahre ohne Nachkalibrierung gemessen wird, etwa in Turbinen, lohnt der Umstieg.
Gegenüberstellung der vier Typen und Typ N
| Typ | Metallpaar Plus und Minus | Dauereinsatz in Luft in Grad | Farbe nach IEC |
|---|---|---|---|
| J | Eisen und Konstantan | minus 40 bis 750 | schwarz |
| K | Nickelchrom und Nickelaluminium | minus 40 bis 1100 | grün |
| T | Kupfer und Konstantan | minus 200 bis 370 | braun |
| S | Platin Rhodium und Platin | 0 bis 1450 | orange |
| N | Nicrosil und Nisil | minus 40 bis 1150 | rosa |
Die Bereiche in der Tabelle sind Erfahrungswerte für Fühler mit mittlerem Drahtdurchmesser. Dünne Drähte altern schneller, dicke halten länger. Verbindlich ist die Toleranz, und sie wird in zwei Klassen angegeben. Typ K, J und N halten bei Klasse 1 eine Abweichung von höchstens 1,5 Kelvin oder 0,4 Prozent des Messwerts ein, je nachdem, was größer ausfällt. Klasse 2 erlaubt 2,5 Kelvin oder 0,75 Prozent. Bei 600 Grad ergibt das für Typ K in der engeren Klasse 2,4 Kelvin und in der weiteren 4,5 Kelvin. Typ T liegt in der engeren Klasse deutlich darunter: Es gelten 0,5 Kelvin, und erst ab 125 Grad greifen die 0,4 Prozent, die bei 200 Grad 0,8 Kelvin ergeben.
Diese Werte gelten nur für das Drahtmaterial, nicht für die gesamte Messkette mit Stecker, Leitung und Gerät.
Die Farben erleichtern die Zuordnung, sind aber tückisch. Die europäische Norm färbt Typ K grün, der amerikanische Code gelb. Bei falscher Annahme steht das Gerät auf dem falschen Typ. Ein Typ J Fühler an einem auf Typ K gestellten Gerät zeigt bei echten 200 Grad grob 265 Grad an, weil Typ J bei 200 Grad 10,779 Millivolt liefert und diese Spannung auf der Kennlinie von Typ K höher liegt.
Welcher Typ zu welcher Umgebung passt
Die Wahl folgt der Umgebung, nicht dem Temperaturbereich allein. Ein Räucherofen bei 120 Grad liegt weit unter jeder Grenze, doch Rauch, Teer und Feuchte greifen Eisen an, und Typ J scheidet aus. Im Gefrierlager dagegen verlangt die Messung Typ T, weil Typ K unter null Grad seine Toleranz verschlechtert. Für Heizkessel, Backöfen und Lötstationen gilt Typ K als Standard, weil Fühler, Stecker und Messgeräte überall zu bekommen sind. Typ N kostet etwas mehr, rechnet sich aber dort, wo ein Fühler jahrelang an derselben Stelle sitzt und nicht ausgetauscht werden soll. Typ S bleibt Anlagen mit Schutzrohr und Messverstärker vorbehalten, bei denen der Fühlerpreis gegenüber den Stillstandskosten kaum zählt. Eine einfache Faustregel lautet: erst die Umgebung prüfen, dann die Höchsttemperatur, zuletzt die gewünschte Genauigkeit.
- Backofen, Kamin, Heizungsabgas und Lötstation von 100 bis 1000 Grad: Typ K
- Vakuum, Spritzguss oder trockene Anlagen bis 750 Grad mit hohem Signal: Typ J
- Kältekammer, Gefrierschrank und feuchte Räume unter 300 Grad: Typ T
- Glas, Keramik und Schmelzen über 1200 Grad: Typ S mit dichtem Schutzrohr
- Dauermessung bei 600 bis 1100 Grad ohne Nachkalibrierung: Typ N
Zwei Regeln gelten unabhängig vom Typ. Die Verlängerung eines Fühlers muss aus dem Material desselben Typs bestehen, sonst entsteht an jeder Klemme ein zusätzliches Thermoelement. Und das Anzeigegerät muss auf den Fühlertyp eingestellt sein, denn es rechnet Millivolt nur mit der passenden Kennlinie in Grad um. Wie sich die Spannung am Multimeter in Temperatur übersetzen lässt, steht im Beitrag Thermoelement mit dem Multimeter messen.
