Einleitung

Thermoelemente Typ K zählen zu den am häufigsten verwendeten Thermoelementen in der Temperaturmesstechnik. Sie kommen unter anderem in der industriellen Instandhaltung, in HLK-Systemen, an Heizgeräten, in Produktionsprozessen und im Labor zum Einsatz.

Ein Thermoelement Typ K misst nicht unmittelbar eine absolute Temperatur. Stattdessen erzeugt es eine Thermospannung, die von der Temperaturdifferenz zwischen Messstelle und Vergleichsstelle abhängt. Ein Thermoelement-Thermometer oder ein entsprechendes Messgerät wandelt diese Spannung anschließend in einen Temperaturwert um.

Dank des großen Einsatzbereichs, der guten Stabilität, des einfachen Aufbaus und der moderaten Kosten hat sich Typ K als universell einsetzbares Thermoelement etabliert.

Das Wichtigste auf einen Blick

● Thermoelemente Typ K bestehen üblicherweise aus zwei unterschiedlichen Nickelbasislegierungen, die häufig als Chromel und Alumel bezeichnet werden.
● Sie arbeiten nach dem Seebeck-Effekt und erzeugen eine Thermospannung in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz.
● Der genormte thermoelectriche Kennbereich ist sehr groß; der tatsächlich nutzbare Temperaturbereich hängt jedoch von Fühleraufbau, Isolation, Mantelwerkstoff und Einsatzbedingungen ab.
● Typ-K-Thermoelemente werden häufig in Industrie, Instandhaltung, HLK-Technik, Heiztechnik und Laboranwendungen eingesetzt.
● Thermoelementfühler, Steckverbinder, Ausgleichs- oder Verlängerungsleitungen und Messgerät müssen für Typ K ausgelegt sein.
● Die Gesamtgenauigkeit wird nicht nur vom Thermoelement selbst bestimmt, sondern auch von Messgerät, Vergleichsstellenkompensation, Verdrahtung, Montage und Messbedingungen.

Was ist ein Thermoelement Typ K?

Ein Thermoelement Typ K ist ein berührender Temperatursensor aus zwei unterschiedlichen metallischen Leitern.

Die beiden Thermodrähte werden an der Messspitze miteinander verbunden und bilden dort die Messstelle. Besteht zwischen dieser Messstelle und der am Messgerät befindlichen Vergleichsstelle eine Temperaturdifferenz, entsteht eine kleine Thermospannung.

Das Messgerät erfasst diese Spannung und berechnet anhand der genormten Spannungs-Temperatur-Kennlinie für Typ K die entsprechende Temperatur.

Das eigentliche Thermoelement benötigt keine externe Versorgung, um sein Messsignal zu erzeugen. Dies trägt zum einfachen und robusten Aufbau dieser Sensorart bei.

Aus welchen Materialien besteht ein Thermoelement Typ K?

Ein Thermoelement Typ K besteht aus zwei Nickelbasislegierungen mit unterschiedlichen thermoelektrischen Eigenschaften.

● Der positive Leiter besteht üblicherweise aus einer Nickel-Chrom-Legierung, die häufig als Chromel bezeichnet wird.
● Der negative Leiter besteht üblicherweise aus einer Nickelbasislegierung, die häufig als Alumel bezeichnet wird.

Bilden beide Leiter einen thermoelektrischen Stromkreis und herrschen an Mess- und Vergleichsstelle unterschiedliche Temperaturen, entsteht eine von dieser Temperaturdifferenz abhängige Thermospannung.

Gewöhnliche Kupferleitungen dürfen Thermoelementleitungen nicht ohne Weiteres ersetzen. Werden ungeeignete Metalle in den Messkreis eingebracht, können zusätzliche Übergangsstellen entstehen. Befinden sich diese in einem Temperaturgradienten, sind zusätzliche Messabweichungen möglich.

Wie misst ein Thermoelement Typ K die Temperatur?

Das Messprinzip beruht auf dem Seebeck-Effekt.

Werden zwei unterschiedliche Leiter zu einem Stromkreis verbunden und befinden sich ihre Verbindungsstellen auf unterschiedlichen Temperaturen, entsteht eine Thermospannung. Bei Typ K liegt dieses Signal typischerweise im Millivoltbereich und muss daher von einem geeigneten Thermoelement-Thermometer oder einer entsprechenden Messelektronik präzise erfasst werden.

Der Messablauf lässt sich vereinfacht wie folgt darstellen:

● Die Messstelle des Thermoelements wird mit dem Messobjekt in thermischen Kontakt gebracht.
● Zwischen Messstelle und Anschlussstelle des Messgeräts besteht eine Temperaturdifferenz.
● Das Thermoelement Typ K erzeugt eine entsprechende Thermospannung.
● Das Messgerät erfasst diese kleine Spannung.
● Anschließend werden Kennlinie des Thermoelements und Vergleichsstellenkompensation berücksichtigt.
● Die berechnete Temperatur wird auf dem Display ausgegeben.

Das eigentliche Ausgangssignal eines Thermoelements ist somit eine elektrische Spannung und kein direkt erzeugter Temperaturwert.

Welchen Temperaturbereich hat ein Thermoelement Typ K?

Die genormten thermoelektrischen Kennwerte von Typ K decken einen sehr breiten Bereich ab. Referenztabellen reichen typischerweise von etwa -270°C bis +1372°C.

Dies bedeutet jedoch nicht, dass jeder Typ-K-Fühler über den gesamten Bereich eingesetzt werden kann.

Der tatsächlich zulässige Temperaturbereich hängt unter anderem von folgenden Faktoren ab:

● Durchmesser des Thermodrahts;
● Mantelwerkstoff;
● Isolationsmaterial;
● Fühlerkonstruktion;
● Messmedium;
● Oxidierenden, korrosiven, reduzierenden oder sonstigen Umgebungsbedingungen;
● Zulässiger Dauerbetriebszeit;
● Eingangsbereich des Thermoelement-Thermometers oder Datenerfassungssystems.

Ein Typ-K-Fühler mit gewöhnlichem Edelstahlmantel kann beispielsweise eine deutlich niedrigere zulässige Dauerbetriebstemperatur besitzen als die theoretische obere Grenze des Thermoelementmaterials.

Für die Auswahl ist deshalb immer der vom Hersteller angegebene Arbeitsbereich des konkreten Fühlers maßgebend.

Wie genau ist ein Thermoelement Typ K?

Die Genauigkeit wird üblicherweise über zulässige Abweichungen beziehungsweise Toleranzklassen beschrieben. Die zulässige Abweichung ist abhängig von Norm, Temperaturbereich und Thermoelementklasse.

Nach gebräuchlichen IEC-Regelwerken sind für Thermoelemente Typ K unterschiedliche Toleranzklassen mit jeweils definierten Grenzabweichungen vorgesehen. Für einen konkreten Fühler sollten stets die Herstellerangaben zu Toleranzklasse und zulässigem Temperaturbereich geprüft werden.

Die Gesamtmessabweichung entsteht jedoch nicht ausschließlich im Thermoelement.

Mögliche Fehlerquellen sind:

● Toleranz des Typ-K-Thermoelements;
● Genauigkeit des Thermoelement-Thermometers;
● Fehler der Vergleichsstellenkompensation;
● Steckverbinder sowie Ausgleichs- oder Verlängerungsleitungen;
● Unzureichender thermischer Kontakt zum Messobjekt;
● Wärmeableitung über den Fühler;
● Änderungen der Umgebungstemperatur;
● Langzeitdrift des Thermoelements.

Die Genauigkeit des Thermoelements darf deshalb nicht mit der Gesamtgenauigkeit des kompletten Messsystems gleichgesetzt werden.

Warum benötigt Typ K eine Vergleichsstellenkompensation?

Die Thermospannung eines Thermoelements hängt von der Temperaturdifferenz zwischen Messstelle und Vergleichsstelle ab und nicht ausschließlich von der Temperatur an der Messstelle.

Bei modernen Thermoelement-Thermometern liegen die Eingangsanschlüsse in der Regel bei Umgebungstemperatur und nicht auf einer konstanten Referenztemperatur von 0°C. Deshalb muss das Messgerät die Temperatur im Bereich der Anschlussstelle erfassen und rechnerisch berücksichtigen.

Dieser Vorgang wird als Vergleichsstellenkompensation beziehungsweise Cold Junction Compensation (CJC) bezeichnet.

Ist diese Kompensation fehlerhaft, kann die angezeigte Temperatur trotz einwandfrei funktionierendem Thermoelement deutlich abweichen.

Ein hochwertiges Thermoelement-Thermometer benötigt deshalb sowohl eine präzise Millivolt-Messung als auch eine stabile Vergleichsstellenkompensation.

Welche Vorteile bietet ein Thermoelement Typ K?

Die weite Verbreitung von Typ K beruht auf seinem ausgewogenen Verhältnis von Leistung, Vielseitigkeit und Kosten.

● Großer Temperaturbereich: Für zahlreiche Anwendungen von niedrigen bis hohen Temperaturen geeignet.
● Schnelle Ansprechzeit: Dünne oder freiliegende Messstellen reagieren besonders schnell auf Temperaturänderungen.
● Einfacher Aufbau: Das Sensorelement besteht im Wesentlichen aus zwei unterschiedlichen Metallleitern.
● Vielfältige Fühlerformen: Als Oberflächen-, Einstech-, Luft-, Nadel-, offene oder ummantelte Fühler erhältlich.
● Moderate Kosten: Gut für viele industrielle und allgemeine Messaufgaben geeignet.
● Hohe Kompatibilität: Zahlreiche Digitalthermometer, Datenlogger und Prozessmessgeräte unterstützen Typ K.
● Geeignet für höhere Temperaturen: Einsatz bei Temperaturen möglich, die viele Thermistoren und Halbleitersensoren übersteigen.

Damit gehört Typ K zu den wichtigsten universellen Temperatursensoren für industrielle und mobile Messaufgaben.

Welche Einschränkungen hat Typ K?

Trotz seiner Vielseitigkeit ist Typ K nicht für jede Messaufgabe optimal geeignet.

● Das Ausgangssignal ist sehr klein und kann durch elektrische Störungen oder Verdrahtungsfehler beeinflusst werden.
● Die zulässige Abweichung ist temperaturabhängig und nicht über den gesamten Messbereich konstant.
● Längerer Betrieb bei hohen Temperaturen kann Oxidation, Gefügeveränderungen und thermoelectriche Drift verursachen.
● Bestimmte reduzierende Atmosphären, Vakuumbedingungen oder aggressive chemische Medien können Stabilität und Lebensdauer beeinträchtigen.
● Bei sehr niedrigen Temperaturen oder besonders hohen Genauigkeitsanforderungen können andere Sensortypen vorteilhafter sein.
● Zwischen mechanischer Robustheit und Ansprechzeit besteht häufig ein Zielkonflikt: Dickere Fühler sind robuster, reagieren aber meist langsamer.

Bei der Auswahl sollten daher Temperatur, Medium, Umgebung, Ansprechzeit und Genauigkeitsanforderungen gemeinsam betrachtet werden.

Welche Bauformen von Typ-K-Fühlern gibt es?

Abhängig von der Messaufgabe sind Typ-K-Thermoelemente in zahlreichen Bauformen erhältlich.

● Einstechfühler: Für Flüssigkeiten, weiche Materialien und Messungen im Inneren eines Objekts.
● Oberflächenfühler: Für Rohre, Metallflächen, Maschinenbauteile und andere Oberflächen.
● Luft- und Gasfühler: Für HLK-Kanäle, Raumluft, Luftströmungen und Gastemperaturen.
● Nadelfühler: Für kleine Messbereiche oder Anwendungen mit notwendigem Einstechen.
● Freiliegende Thermoelemente: Mit geringer thermischer Masse und schneller Reaktion, besonders für Labor- und dynamische Messungen.
● Mantelthermoelemente: Mit metallischem Schutzmantel für industrielle und mechanisch anspruchsvollere Einsatzbedingungen.

Zwei Fühler können beide Typ K verwenden und dennoch deutlich unterschiedliche Temperaturgrenzen, Ansprechzeiten, mechanische Eigenschaften und Lebensdauern besitzen.

Wo werden Thermoelemente Typ K eingesetzt?

Typ K eignet sich für zahlreiche berührende Temperaturmessungen.

Typische Anwendungen sind:

● Messung von Zu- und Rücklufttemperaturen in HLK-Systemen;
● Wartung von Klima-, Kälte- und Heizungsanlagen;
● Temperaturmessung an Kesseln, Öfen und Heizgeräten;
● Kontrolle von Motoren, Lagern und Maschinen;
● Messung an Rohrleitungen und Metalloberflächen;
● Überwachung industrieller Prozesse;
● Labor- und Forschungsanwendungen;
● Fahrzeugwartung und motornaher Temperaturmessung;
● Kunststoffverarbeitung, Formwerkzeuge und Wärmebehandlung;
● Lebensmittelverarbeitung und andere Anwendungen mit berührender Temperaturmessung.

Ob ein bestimmter Fühler für eine konkrete Anwendung geeignet ist, hängt zusätzlich von Werkstoff, Temperaturbereich, Sicherheitsanforderungen und benötigter Ansprechzeit ab.

Wie hängen Typ-K-Thermoelement und Thermoelement-Thermometer zusammen?

Thermoelement und Thermoelement-Thermometer sind zwei unterschiedliche Komponenten.

Das Thermoelement wandelt eine Temperaturdifferenz in ein elektrisches Signal im Millivoltbereich um. Das Thermometer erfasst dieses Signal, führt Vergleichsstellenkompensation und nichtlineare Umrechnung durch und zeigt anschließend die Temperatur an.

Ein vollständiges Messsystem umfasst typischerweise:

● Einen Typ-K-Thermoelementfühler;
● Geeignete Thermoelement-Steckverbinder oder Ausgleichs-/Verlängerungsleitungen;
● Ein Messgerät mit Typ-K-Eingang;
● Eine Schaltung zur Vergleichsstellenkompensation;
● Elektronik zur Signalerfassung, Umrechnung und Anzeige.

Daher kann derselbe Typ-K-Fühler an Messgeräten unterschiedlicher Genauigkeitsklassen zu unterschiedlichen Gesamtmessleistungen führen.

Was ist bei der Verwendung eines Thermoelements Typ K zu beachten?

Zuverlässige Messungen erfordern eine korrekte Abstimmung von Fühler, Messgerät, Verbindungstechnik und Messmethode.

● Prüfen, ob das Messgerät Typ-K-Thermoelemente unterstützt.
● Sicherstellen, dass am Gerät Typ K ausgewählt ist.
● Polarität der Thermoelementanschlüsse kontrollieren.
● Nur kompatible Typ-K-Steckverbinder und geeignete Ausgleichs- oder Verlängerungsleitungen verwenden.
● Zulässige Mindest- und Höchsttemperatur des Fühlers nicht überschreiten.
● Bei Oberflächenmessungen einen guten thermischen Kontakt sicherstellen.
● Bei Einstechmessungen ausreichende Eintauchtiefe verwenden, um Wärmeableitungsfehler zu reduzieren.
● Nach längerer Hochtemperaturbelastung Drift und Alterung berücksichtigen.
● In elektrisch störbehafteten Umgebungen auf Leitungsführung, Erdung und Abschirmung achten.
● Bei höheren Genauigkeitsanforderungen regelmäßige Funktionsprüfung oder Kalibrierung vorsehen.

Besonders wichtig: Ein Typ-K-Steckverbinder bedeutet nicht, dass der angeschlossene Fühler den gesamten theoretischen Temperaturbereich von Typ K verträgt. Entscheidend sind die Spezifikationen des konkreten Fühlers und Messgeräts.

Wie unterscheidet sich Typ K von anderen Thermoelementtypen?

Weitere gebräuchliche Thermoelementtypen sind unter anderem J, T, E, N, R und S.

Die Typen verwenden unterschiedliche Werkstoffkombinationen und unterscheiden sich daher hinsichtlich Thermospannung, Temperaturbereich, Umweltbeständigkeit und Kosten.

Die Stärke von Typ K liegt in seinem ausgewogenen Gesamtprofil. Gegenüber vielen Edelmetall-Thermoelementen ist er kostengünstiger und deckt dennoch einen sehr großen Temperaturbereich ab.

Für besonders tiefe Temperaturen, sehr hohe Genauigkeitsanforderungen, extreme Hochtemperaturanwendungen oder spezielle chemische Umgebungen kann jedoch ein anderer Thermoelementtyp geeigneter sein.

FAQ

Wie hoch ist die maximale Temperatur eines Thermoelements Typ K?

Die genormten Referenzkennwerte reichen bis etwa 1372°C. Das bedeutet jedoch nicht, dass jeder Typ-K-Fühler bei dieser Temperatur eingesetzt werden darf. Die tatsächliche Maximaltemperatur hängt von Drahtdurchmesser, Mantelwerkstoff, Isolation und Fühleraufbau ab. Maßgebend sind die Herstellerangaben des konkreten Fühlers.

Kann Typ K Temperaturen unter 0°C messen?

Ja. Thermoelemente Typ K sind für Temperaturen unter 0°C geeignet und ihre genormten Kennwerte reichen bis in sehr tiefe Temperaturbereiche. Die praktische Leistung hängt jedoch von Fühler, Messgerät und Messbedingungen ab. Für bestimmte Tieftemperatur- oder hochpräzise Messungen kann beispielsweise Typ T geeigneter sein.

Benötigt ein Thermoelement Typ K eine Stromversorgung?

Das Thermoelement selbst benötigt keine externe Stromversorgung zur Erzeugung der Thermospannung. Digitalthermometer, Anzeigeelektronik, Signalverarbeitung und Datenlogger benötigen jedoch in der Regel eine Batterie oder eine andere Spannungsversorgung.

Kann ein Typ-K-Thermoelement direkt an ein normales Multimeter angeschlossen werden?

Ein gewöhnliches Multimeter kann eventuell die erzeugte Millivoltspannung messen. Ohne Typ-K-Linearisierung und Vergleichsstellenkompensation lässt sich daraus jedoch nicht einfach eine genaue Temperatur ableiten. Üblicherweise sollte ein geeignetes Thermoelement-Thermometer verwendet werden.

Kann ein defekter Typ-K-Fühler durch jeden anderen Typ-K-Fühler ersetzt werden?

Grundsätzlich kann ein kompatibler Typ-K-Fühler eingesetzt werden, sofern Messgerät, Steckverbinder, Polarität und Temperaturbereich zusammenpassen. Bauform, Genauigkeit, Ansprechzeit und zulässige Höchsttemperatur können jedoch unterschiedlich sein und sollten vor dem Austausch geprüft werden.

Warum zeigen zwei Typ-K-Thermoelemente unterschiedliche Temperaturen an?

Unterschiede können durch Fühlertoleranz, Ansprechzeit, Messposition, thermischen Kontakt, Gerätegenauigkeit, Vergleichsstellenkompensation oder Alterung verursacht werden. Eine geringe Abweichung bedeutet nicht zwangsläufig, dass einer der Fühler defekt ist.

Fazit

Ein Thermoelement Typ K ist ein berührender Temperatursensor aus zwei unterschiedlichen Nickelbasislegierungen. Durch den Seebeck-Effekt wird die Temperaturdifferenz zwischen Mess- und Vergleichsstelle in eine Thermospannung umgesetzt, die anschließend vom Thermoelement-Thermometer in einen Temperaturwert umgerechnet wird.

Der große Temperaturbereich, die schnelle Reaktion, der einfache Aufbau, die moderaten Kosten und die hohe Kompatibilität machen Typ K zu einem der am häufigsten eingesetzten Thermoelemente in Industrie, HLK, Maschineninstandhaltung, Heizprozessen und Laboranwendungen.

In der Praxis müssen der genormte Kennbereich des Thermoelementmaterials, der zulässige Betriebsbereich des konkreten Fühlers und der Messbereich des Messgeräts klar voneinander unterschieden werden. Nur wenn Fühler, Verbindungstechnik, Vergleichsstellenkompensation und Messgerät korrekt aufeinander abgestimmt sind, lassen sich zuverlässige Messergebnisse erzielen.