Einleitung
Bei Thermoelementen an Maschinen, Rohrleitungen, Öfen oder Industrieanlagen entspricht die vorhandene Anschlussleitung nicht immer der tatsächlich benötigten Länge. Daher stellt sich häufig die Frage, ob eine Thermoelementleitung einfach gekürzt oder bei Bedarf verlängert werden kann.
Grundsätzlich gilt: Eine Thermoelementleitung kann gekürzt und auch verlängert werden, sofern dies fachgerecht erfolgt.
Ein Thermoelement misst die Temperatur nicht über den elektrischen Widerstand der Leitung. Es erzeugt vielmehr eine thermoelektrische Spannung zwischen zwei unterschiedlichen Leiterwerkstoffen. Bleiben die verwendeten Werkstoffe, ihre thermoelektrischen Eigenschaften und die Polarität korrekt, verändert die reine Leitungslänge normalerweise nicht die grundlegende Temperatur-Spannungs-Kennlinie.
Fehler können jedoch entstehen, wenn bei einer Verlängerung ungeeignete Leiterwerkstoffe, vertauschte Polarität oder zusätzliche Übergänge zwischen unterschiedlichen Metallen eingebracht werden. Befinden sich solche Übergangsstellen auf unterschiedlichen Temperaturen, können zusätzliche Thermospannungen entstehen und das Messergebnis verfälschen.
Das Wichtigste im Überblick
● Anschlussleitungen von Thermoelementen können normalerweise gekürzt werden, sofern Messstelle, Fühleraufbau und Isolation unbeschädigt bleiben;
● Eine Verlängerung ist ebenfalls möglich, jedoch nur mit einer zum Thermoelementtyp passenden Verlängerungs- oder Ausgleichsleitung;
● Thermoelemente der Typen K, J, T und E verwenden unterschiedliche Leiterwerkstoffe und dürfen nicht mit beliebigen Leitungen kombiniert werden;
● Gewöhnliche Kupferleitung ist für eine direkte Verlängerung in der Regel ungeeignet;
● Die Polarität muss über den gesamten Messkreis eingehalten werden;
● Bei langen Leitungen sind Schleifenwiderstand, elektromagnetische Störungen, Isolationsqualität und Umgebungstemperatur zu berücksichtigen;
● Eine Verlängerungs- oder Ausgleichsleitung dient primär der Signalübertragung und ist nicht automatisch für die eigentliche Messstelle geeignet.
Kann eine Thermoelementleitung gekürzt werden?
Ja.
Bei Thermoelementen mit flexibler Anschlussleitung kann überschüssige Leitung in der Regel entfernt und anschließend neu angeschlossen oder mit einem geeigneten Thermoelementstecker versehen werden.
Da das Messprinzip auf Thermospannung und nicht auf dem Leitungswiderstand beruht, führt eine fachgerecht gekürzte Leitung normalerweise nicht unmittelbar zu einem Genauigkeitsverlust.
Entscheidend ist jedoch, zwischen Anschlussleitung und eigentlichem Fühler zu unterscheiden.
● Flexible Thermoelementleitungen hinter dem Fühler können häufig gekürzt und neu terminiert werden;
● Mineralisolierte oder metallummantelte Fühlerbereiche dürfen nicht ohne Kenntnis ihres inneren Aufbaus abgeschnitten werden;
● Die eigentliche Messstelle an der Fühlerspitze darf nicht entfernt werden;
● Fühler mit angespritzten Steckern, abgedichteten Übergängen, Messumformern oder integrierter Elektronik sollten nicht ohne Freigabe verändert werden;
● Nach der Neuverdrahtung sind Polarität, Isolation und mechanische Festigkeit der Anschlüsse zu prüfen.
„Kürzen“ bedeutet daher in der Praxis das Anpassen eines dafür vorgesehenen Leitungsabschnitts und nicht das beliebige Abschneiden des kompletten Thermoelementfühlers.
Kann eine Thermoelementleitung verlängert werden?
Ja. Eine Verlängerung erfordert jedoch deutlich mehr Sorgfalt als das Kürzen.
Thermoelemente liefern nur eine sehr kleine Thermospannung im Millivoltbereich. Jede zusätzliche Leitung wird Bestandteil des Messkreises und kann deshalb nicht wie eine gewöhnliche Versorgungs- oder Signalleitung behandelt werden.
Üblicherweise wird eine zum jeweiligen Thermoelementtyp passende Verlängerungs- oder Ausgleichsleitung eingesetzt.
Ein Thermoelement Typ K sollte beispielsweise mit einer für Typ K vorgesehenen Leitung verlängert werden. Gleiches gilt für die Typen J, T und E.
Thermoelementleitungen mit Werkstoffen der entsprechenden Thermoelementpaarung können – abhängig von der Anwendung – sowohl im Messkreis als auch zur Verlängerung eingesetzt werden. Spezielle Verlängerungs- und Ausgleichsleitungen sind dagegen in erster Linie für die Signalübertragung zwischen Fühler und Messgerät, Regler, Datenlogger oder Datenerfassungssystem bestimmt. Ihr zulässiger Temperaturbereich kann gegenüber dem eigentlichen Fühlermaterial eingeschränkt sein.
Warum sollte keine gewöhnliche Kupferleitung zur Verlängerung verwendet werden?
Dies ist einer der häufigsten Fehler bei der Installation von Thermoelementen.
Bei den meisten Thermoelementtypen bestehen die Leiter nicht aus gewöhnlichem Kupfer. Typ K verwendet beispielsweise zwei definierte Nickellegierungen. Auch die Typen J, T und E besitzen jeweils eigene Materialpaarungen.
Wird Kupferleitung direkt in den Thermoelementkreis eingefügt, entstehen zusätzliche Übergänge zwischen Thermoelementwerkstoff und Kupfer.
Liegen diese Übergänge auf unterschiedlichen Temperaturen, können dort zusätzliche Thermospannungen entstehen. Das Messgerät empfängt dann ein Signal, das nicht mehr ausschließlich aus dem vorgesehenen Temperaturunterschied zwischen Messstelle und Referenzstelle resultiert.
Aus diesem Grund sollten nur geeignete Verlängerungs- bzw. Ausgleichsleitungen und passende Thermoelementsteckverbinder verwendet werden.
Warum muss der Thermoelementtyp bei einer Verlängerung übereinstimmen?
Unterschiedliche Thermoelementtypen besitzen unterschiedliche thermoelektrische Eigenschaften.
Die Typen K, J, T und E unterscheiden sich nicht nur in ihrer Bezeichnung, sondern in ihren Leiterwerkstoffen und ihren charakteristischen Temperatur-Thermospannungs-Kennlinien.
Wird beispielsweise eine Leitung für Typ J oder T in einen Typ-K-Messkreis eingebaut, entstehen zusätzliche Materialübergänge. Befinden sich diese Übergänge in Bereichen mit Temperaturgefällen, können relevante Messfehler auftreten.
Empfohlen wird daher:
● Den ursprünglichen Thermoelementtyp eindeutig bestimmen, beispielsweise K, J, T oder E;
● Eine zum gleichen Thermoelementtyp passende Verlängerungs- oder Ausgleichsleitung auswählen;
● Plus- und Minusleiter eindeutig zuordnen;
● Passende Thermoelementstecker verwenden;
● Den zulässigen Temperaturbereich der eingesetzten Leitung beachten.
Zusätzlich können sich die Farbkennzeichnungen nach IEC-, ANSI- und anderen Normsystemen unterscheiden. Die Polarität sollte daher nicht ausschließlich anhand der Leitungsfarbe beurteilt werden, wenn das zugrunde liegende Kennzeichnungssystem nicht eindeutig bekannt ist.
Beeinflusst das Kürzen oder Verlängern die Messgenauigkeit?
Bei fachgerechter Ausführung muss eine moderate Änderung der Leitungslänge nicht zu einer relevanten Messabweichung führen.
Entscheidender als die Länge selbst sind Fehler, die während der Änderung des Messkreises entstehen können.
Typische Ursachen sind:
● Verwendung einer ungeeigneten Verlängerungs- oder Ausgleichsleitung;
● Vertauschte Polarität;
● Lose, oxidierte oder verschmutzte Anschlussstellen;
● Unnötige zusätzliche Übergänge unterschiedlicher Metalle;
● Verlegung in unmittelbarer Nähe von Motoren, Frequenzumrichtern oder Starkstromleitungen;
● Zu hoher Schleifenwiderstand durch sehr lange oder dünne Leiter;
● Beschädigte Isolation, Leckströme oder unbeabsichtigte Erdung;
● Mehrere Übergangsstellen bei deutlich unterschiedlichen Umgebungstemperaturen.
Bei kurzen Messstrecken ist der Leitungswiderstand häufig kein dominierender Fehlerfaktor. Mit zunehmender Länge oder kleinerem Leiterquerschnitt steigt jedoch der Gesamtwiderstand, gleichzeitig kann die Empfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen zunehmen.
Die zulässige Leitungslänge muss daher gemeinsam mit Leiterquerschnitt, Thermoelementwerkstoff, Eingangseigenschaften des Messgeräts und den elektrischen Umgebungsbedingungen bewertet werden.
Was ist bei langen Thermoelementleitungen zu beachten?
In Industrieöfen, Prozessanlagen, HVAC-Systemen, Produktionslinien oder zentralen Datenerfassungssystemen können Leitungslängen von mehreren zehn Metern erforderlich sein.
In solchen Fällen reicht es nicht aus, nur die mechanische Verlängerbarkeit der Leitung zu betrachten.
● Geeignete Verlängerungs- oder Ausgleichsleitungen mit ausreichendem Leiterquerschnitt verwenden;
● Parallele Verlegung zu Motorleitungen, Frequenzumrichterausgängen und Starkstromkabeln möglichst vermeiden;
● Bei hoher elektrischer Störbelastung verdrillte oder geschirmte Thermoelementleitungen einsetzen;
● Den maximal zulässigen Sensor- bzw. Eingangswiderstand des Messgeräts prüfen;
● Unnötige Zwischenverbindungen vermeiden;
● Anschlüsse sauber, fest, isoliert und gegen Feuchtigkeit geschützt ausführen;
● Bei sehr großen Entfernungen, starker Störbelastung oder hohen Genauigkeitsanforderungen einen Temperaturmessumformer in Sensornähe einsetzen.
Eine allgemeingültige maximale Thermoelementleitungslänge existiert daher nicht. Die praktische Grenze wird durch Schleifenwiderstand, Geräteeingang, elektromagnetische Umgebung und Installationsqualität bestimmt.
Empfohlene Vorgehensweise beim Kürzen oder Verlängern
Beim Anpassen der Thermoelementleitung sollten folgende Grundregeln beachtet werden:
● Zuerst den Thermoelementtyp bestimmen, beispielsweise K, J, T oder E;
● Vor dem Kürzen sicherstellen, dass nur ein dafür vorgesehener Leitungsabschnitt und nicht die Messstelle oder eine abgedichtete Fühlerkonstruktion betroffen ist;
● Zur Verlängerung nur zum Thermoelementtyp passende Verlängerungs- oder Ausgleichsleitungen einsetzen;
● Plus- und Minuspol über den gesamten Messkreis korrekt zuordnen;
● Geeignete Thermoelementstecker oder passende Klemmen verwenden;
● Verbindungsstellen mechanisch sicher ausführen und gegen Feuchtigkeit sowie Beschädigung schützen;
● Keine gewöhnliche Kupferleitung einsetzen, sofern die Messschaltung nicht ausdrücklich dafür ausgelegt ist;
● Nach einer Änderung das Messergebnis nach Möglichkeit an einer stabilen Referenztemperatur oder mit einem Referenzthermometer prüfen.
Bei Laboranwendungen, kritischen Industrieprozessen oder Hochtemperaturmessungen ist eine Systemverifikation nach Änderungen an der Verdrahtung besonders empfehlenswert.
FAQ
● Muss ein Thermoelement nach dem Kürzen der Leitung neu kalibriert werden?
Nicht zwangsläufig. Das fachgerechte Kürzen einer Anschlussleitung macht eine Neukalibrierung nicht automatisch erforderlich. Bei neu hergestellten Steck- oder Klemmverbindungen sowie bei hohen Genauigkeitsanforderungen empfiehlt sich jedoch eine Vergleichsprüfung.
● Kann ein Thermoelement Typ K direkt mit Kupferleitung verlängert werden?
Im Allgemeinen nicht empfohlen. Für Typ K sollte eine passende Verlängerungs- oder Ausgleichsleitung verwendet werden, um unerwünschte thermoelektrische Übergangseffekte zu vermeiden.
● Ist eine kürzere Thermoelementleitung grundsätzlich genauer?
Nein. Eine kürzere Leitung kann Widerstand und Störanfälligkeit reduzieren, die Gesamtgenauigkeit hängt jedoch zusätzlich von Thermoelementtoleranz, Messgerätegenauigkeit, Vergleichsstellenkompensation, Montage und Umgebungseinflüssen ab.
● Kann eine Thermoelementleitung beliebig verlängert werden?
Nein. Eine unbegrenzte Verlängerung ist praktisch nicht sinnvoll. Mit zunehmender Länge steigen Schleifenwiderstand und mögliche Störeinflüsse. Die Spezifikation des Messgeräts und die Installationsbedingungen müssen berücksichtigt werden.
● Kann eine Verlängerungsleitung zur Herstellung der Messstelle verwendet werden?
In der Regel nicht. Verlängerungs- bzw. Ausgleichsleitungen sind primär für die Signalübertragung vorgesehen und können hinsichtlich Temperaturbereich und Genauigkeit geringere Anforderungen erfüllen als das eigentliche Thermoelementmaterial.
● Was geschieht bei vertauschter Thermoelementpolarität?
Bei falscher Polarität kann sich das Temperaturverhalten umkehren. Ist die Messstelle wärmer als die Referenzstelle, kann der angezeigte Wert sinken oder deutlich unplausibel werden.
Fazit
Thermoelementleitungen können grundsätzlich sowohl gekürzt als auch verlängert werden, sofern die Änderungen fachgerecht durchgeführt werden.
Das Kürzen ist meist unproblematisch, wenn lediglich ein zulässiger flexibler Leitungsabschnitt entfernt wird und Messstelle, Fühleraufbau sowie Polarität unverändert bleiben.
Bei einer Verlängerung sind höhere Anforderungen zu beachten. Für die Thermoelementtypen K, J, T und E müssen geeignete Verlängerungs- oder Ausgleichsleitungen, korrekte Polarität und passende Steckverbinder eingesetzt werden. Gewöhnliche Kupferleitungen oder nicht passende Thermoelementwerkstoffe sollten nicht ohne technische Begründung in den Messkreis eingebracht werden.
Bei langen Leitungswegen sind zusätzlich Schleifenwiderstand, elektromagnetische Störungen, Isolationszustand und Eingangseigenschaften des Messgeräts zu berücksichtigen. Entscheidend ist daher nicht die Leitungslänge allein, sondern die korrekte Werkstoffpaarung, Polarität und elektrische Integrität des gesamten Thermoelement-Messkreises.
