Einleitung

Ein Thermoelement besitzt nur zwei Leiter und scheint daher einfach anzuschließen zu sein. Diese beiden Leiter dürfen jedoch nicht beliebig vertauscht werden. Thermoelemente sind polaritätsabhängige Temperatursensoren, deren Thermospannung eine definierte Richtung besitzt. Thermoelement-Eingänge sind deshalb in der Regel mit „+“ und „−“ gekennzeichnet.

Werden Plus- und Minusleiter vertauscht, werden normalerweise weder das Thermoelement noch das Temperaturmessgerät unmittelbar beschädigt. Die Polarität der am Messgerät anliegenden Thermospannung wird jedoch umgekehrt, wodurch eine falsche Temperaturanzeige entsteht.

Wichtig ist: Bei einem verpolten Thermoelement entspricht die Anzeige nicht einfach der tatsächlichen Temperatur mit negativem Vorzeichen. Digitale Thermoelement-Thermometer verfügen üblicherweise über eine Kaltstellenkompensation. Der angezeigte Wert wird daher sowohl von der umgekehrten Thermospannung als auch von der Temperatur an den Anschlussklemmen beeinflusst.

Das Wichtigste im Überblick

● Thermoelemente besitzen eine definierte Polarität; Plus und Minus dürfen nicht vertauscht werden.
● Bei einer Verpolung wird die Thermospannung vom Messgerät mit entgegengesetzter Polarität erfasst.
● Erwärmt sich das Messobjekt, kann die angezeigte Temperatur sinken.
● Bei Messungen oberhalb der Umgebungstemperatur können ungewöhnlich niedrige oder negative Werte auftreten.
● Durch die Kaltstellenkompensation ist die Anzeige nicht einfach der negative Wert der tatsächlichen Temperatur.
● Eine Verpolung beschädigt das Thermoelement normalerweise nicht, führt jedoch zu erheblichen Messfehlern.
● Ein schneller Funktionstest besteht darin zu prüfen, ob die Anzeige beim Erwärmen der Messspitze ansteigt.

Warum haben Thermoelemente eine Plus- und Minuspolarität?

Ein Thermoelement besteht aus zwei unterschiedlichen Metallen oder Legierungen. Ein übliches Thermoelement Typ K besteht beispielsweise aus Chromel und Alumel.

Besteht zwischen Messstelle und Referenzstelle eine Temperaturdifferenz, entsteht eine temperaturabhängige Thermospannung. Diese liegt typischerweise im Bereich von wenigen Mikrovolt bis einigen zehn Millivolt und besitzt eine definierte Polarität.

Bei der Thermoelementmessung ist daher nicht nur die Höhe der Spannung relevant, sondern auch deren Richtung.

Für das Messgerät gilt:

● Bei korrektem Anschluss wird die Thermospannung mit der vorgesehenen Polarität erfasst.
● Bei vertauschtem Anschluss bleibt ihr Betrag im Wesentlichen erhalten, ihr Vorzeichen am Messeingang wird jedoch umgekehrt.

Das Messgerät wandelt anschließend dieses falsche Signal in einen Temperaturwert um.

Welches Symptom tritt bei einer Verpolung am häufigsten auf?

Das typischste Verhalten lautet: Das Messobjekt wird wärmer, während die angezeigte Temperatur sinkt.

Befindet sich der Fühler zunächst bei Raumtemperatur und wird anschließend an ein deutlich wärmeres Objekt gebracht, ergibt sich bei korrektem Anschluss:

● Die Temperatur der Messstelle steigt.
● Die Thermospannung ändert sich in der vorgesehenen Richtung.
● Die Temperaturanzeige steigt.

Bei verpoltem Anschluss:

● Die Messstelle erwärmt sich ebenfalls.
● Das Thermoelement erzeugt weiterhin eine normale Thermospannung.
● Das Messgerät erfasst diese jedoch mit umgekehrter Polarität.
● Die angezeigte Temperatur kann sinken.

Sinkt die Anzeige beim Erwärmen des Fühlers, sollte daher die Polarität frühzeitig überprüft werden.

Warum kann eine Verpolung zu negativen Temperaturwerten führen?

Angenommen, das Messgerät befindet sich bei etwa 25 °C und das Thermoelement misst ein deutlich wärmeres Objekt.

Im korrekten Zustand erzeugt das Thermoelement eine Thermospannung entsprechend der Temperaturdifferenz zwischen Messstelle und Referenzstelle.

Bei vertauschter Polarität wird diese Spannung am Eingang mit umgekehrtem Vorzeichen erfasst. Ein digitales Temperaturmessgerät führt trotzdem seine normale Kaltstellenkompensation durch. Dadurch kann die berechnete Temperatur deutlich unter der Umgebungstemperatur liegen und gegebenenfalls in den negativen Bereich fallen.

Misst ein Typ-K-Thermoelement beispielsweise tatsächlich etwa 100 °C und liegt die Anschlussstelle des Messgeräts bei ungefähr 25 °C, kann ein verpolter Anschluss bei manchen Geräten einen Wert von mehreren zehn Grad unter 0 °C erzeugen – nicht einfach −100 °C.

Der tatsächliche Fehlwert hängt unter anderem ab von:

● Thermoelementtyp;
● Tatsächlicher Temperatur der Messstelle;
● Temperatur am Messgeräteeingang;
● Kaltstellentemperatur;
● Linearisierungsalgorithmus des Messgeräts.

Die Annahme „verpolt = tatsächliche Temperatur mit negativem Vorzeichen“ ist daher nicht korrekt.

Warum beeinflusst die Kaltstellenkompensation die Anzeige?

Ein digitales Thermoelement-Thermometer wandelt die gemessene Millivoltspannung nicht einfach direkt in einen Temperaturwert um.

Üblicherweise führt das Gerät zwei Mess- bzw. Berechnungsschritte durch:

● Messung der Thermospannung am Thermoelement-Eingang;
● Messung der Temperatur an den Anschlussklemmen und Durchführung der Kaltstellenkompensation (CJC).

Bei korrektem Anschluss werden Thermospannung und Kaltstellentemperatur kombiniert, um die Temperatur der Messstelle zu bestimmen.

Bei Verpolung wird die Thermospannung umgekehrt, während die Kaltstellenkompensation weiterhin normal angewendet wird.

Der resultierende Fehler entsteht somit aus der Kombination von umgekehrter Thermospannung und normaler Kaltstellenkompensation. Deshalb entspricht die Anzeige in der Regel nicht einfach dem negativen Wert der realen Temperatur.

Was geschieht bei der Messung eines Objekts unterhalb der Umgebungstemperatur?

Die Richtung des Fehlers hängt von der Richtung der Temperaturdifferenz ab.

Ist die Messstelle kälter als die Anschlussstelle des Messgeräts, erzeugt ein korrekt angeschlossenes Thermoelement eine Thermospannung, die dieser negativen Temperaturdifferenz entspricht.

Bei vertauschter Polarität wird auch dieses Signal umgekehrt. Das Messgerät kann dadurch fälschlicherweise davon ausgehen, dass die Messstelle wärmer als die Umgebung ist.

Eine Verpolung bedeutet daher nicht grundsätzlich, dass die Anzeige immer zu niedrig ist.

Genauer gesagt:

Bei einer Verpolung interpretiert das Messgerät die Richtung der Temperaturdifferenz zwischen Mess- und Referenzstelle falsch.

Daraus folgt:

● Bei einem Messobjekt oberhalb der Umgebungstemperatur verschiebt sich die Anzeige typischerweise nach unten.
● Bei einem Messobjekt unterhalb der Umgebungstemperatur kann sich die Anzeige nach oben verschieben.

Kann eine Verpolung das Temperaturmessgerät beschädigen?

Normalerweise nicht.

Thermoelemente liefern nur sehr kleine Spannungen im Millivoltbereich. Das Vertauschen von Plus und Minus führt bei einem ordnungsgemäß ausgelegten Messgerät üblicherweise nicht zu einer schädlichen elektrischen Belastung.

Die Messung selbst kann jedoch vollständig unbrauchbar werden.

In Prozessanlagen, HLK-Anwendungen, Öfen, bei Wartungsarbeiten, im Labor oder in anderen Temperaturmessanwendungen können fehlerhafte Temperaturwerte zu falschen Entscheidungen oder Regelvorgängen führen.

Eine Verpolung ist daher ein typischer Fehlerfall, bei dem das Gerät weiterhin funktioniert, die Messung jedoch falsch ist.

Zeigen alle Thermoelement-Messgeräte bei Verpolung dasselbe Verhalten?

Das physikalische Prinzip ist identisch, die konkrete Anzeige kann jedoch je nach Gerät unterschiedlich ausfallen.

Mögliche Symptome sind:

● Deutlich zu niedrige Temperatur;
● Negative Temperaturanzeige;
● Temperaturtrend entgegen der tatsächlichen Änderung;
● Über- oder Unterschreitung des Messbereichs;
● Anzeigen wie OL, Hi oder Lo;
● Ein plausibel wirkender, aber falscher Temperaturwert.

Gerade der letzte Fall ist kritisch.

Offensichtlich falsche Werte werden meist schnell erkannt. Ein scheinbar realistischer, aber durch Verpolung verursachter Messwert kann dagegen unbemerkt bleiben.

Nach Neuinstallation oder Neuverdrahtung sollte deshalb die richtige Reaktionsrichtung des Thermoelements geprüft werden.

Wie lässt sich eine Verpolung schnell erkennen?

Für eine schnelle Funktionsprüfung genügt häufig ein einfacher Erwärmungstest.

● Messgerät einschalten und Anzeige stabilisieren lassen.
● Messspitze vorsichtig mit der Hand oder einer sicheren, kontrollierten Wärmequelle erwärmen.
● Die Richtung der Temperaturänderung beobachten.

Bei einer Raumtemperatur von etwa 20–25 °C sollte die Anzeige beim Erwärmen der Fühlerspitze normalerweise allmählich steigen.

Sinkt die Anzeige stattdessen, sollten folgende Punkte geprüft werden:

● Polarität des Thermoelements;
● Ausrichtung des Steckers;
● Polarität von Verlängerungs- oder Ausgleichsleitung;
● Zwischenklemmen und Anschlussstellen.

Dieser Test dient der Funktionsprüfung und ersetzt keine Kalibrierung.

Reicht es aus, nur den Anschluss am Messgerät zu prüfen?

Nein.

Ein vollständiges Thermoelement-Messsystem kann bestehen aus:

● Thermoelementfühler;
● Thermoelement-Steckverbinder;
● Verlängerungs- oder Ausgleichsleitung;
● Zwischenklemmen;
● Datenerfassungsmodul;
● Temperaturmessgerät oder Regler.

Eine Verpolung an jeder beliebigen Stelle des Signalwegs kann zu einem falschen Messergebnis führen.

Bei der Fehlersuche sollte deshalb die gesamte Messkette geprüft werden.

Besonders bei Systemen mit Verlängerungsleitungen, Ausgleichsleitungen, Klemmenleisten oder Mehrkanal-Datenerfassung können nach Installation, Wartung oder Leitungswechsel Anschlussfehler auftreten.

Wie lässt sich die Polarität eines Thermoelements erkennen?

Unterschiedliche Thermoelementtypen verwenden unterschiedliche Leiterwerkstoffe und besitzen jeweils eine festgelegte Polarität.

Bei einem Typ-K-Thermoelement gilt üblicherweise:

● Plusleiter: Chromel;
● Minusleiter: Alumel.

In der Praxis kann die Polarität über „+“/„−“-Kennzeichnungen, Leiterfarben, die Geometrie des Steckverbinders oder die Produktdokumentation erkannt werden.

Allerdings sind die Farbkennzeichnungen von Thermoelementleitungen international nicht vollständig einheitlich. Farbe allein sollte daher nicht als universelles Identifikationsmerkmal verwendet werden.

Zuverlässiger sind:

● Thermoelementtyp;
● Polaritätskennzeichnung am Stecker oder an der Klemme;
● Produktdokumentation;
● Die für die Installation verwendete Farbcode-Norm.

Kann auch eine verpolte Verlängerungsleitung denselben Fehler verursachen?

Ja.

Neben dem richtigen Thermoelementtyp muss auch die gesamte Verlängerungs- oder Ausgleichsleitung mit korrekter Polarität angeschlossen sein.

Ist der Fühler korrekt verdrahtet, werden aber Plus und Minus an einer Zwischenstelle vertauscht, kann das Signal am Messgerät dennoch die falsche Polarität besitzen.

Zusätzlich sollten folgende Fehler vermieden werden:

● Verwendung eines falschen Verlängerungsleitungstyps;
● Vertauschen oder Mischen der Leiterwerkstoffe;
● Einsatz gewöhnlicher Kupferleitung an Stellen, an denen Thermo- oder Ausgleichsleitung erforderlich ist;
● Mischen von Leitungen für unterschiedliche Thermoelementtypen.

Solche Fehler können neben einer Verpolung zusätzliche Thermospannungen erzeugen und die Messabweichung weiter vergrößern.

Warum kann die Anzeige trotz korrigierter Polarität noch falsch sein?

Die richtige Polarität ist nur eine Voraussetzung für eine genaue Thermoelementmessung.

Bleibt die Anzeige trotz korrekter Verdrahtung auffällig, sollten zusätzlich geprüft werden:

● Passt der am Messgerät eingestellte Thermoelementtyp zum Fühler?
● Ist das Thermoelement gealtert, oxidiert oder verunreinigt?
● Ist die Verlängerungs- oder Ausgleichsleitung vom richtigen Typ?
● Bestehen starke Temperaturgradienten im Bereich der Anschlüsse?
● Funktioniert die Kaltstellenkompensation korrekt?
● Ist die Eintauchtiefe des Fühlers ausreichend?
● Besteht ausreichender thermischer Kontakt zum Messobjekt?
● Beeinflussen Wärmestrahlung oder Wärmeleitung aus der Umgebung die Messung?

Ein auffälliger Temperaturwert sollte daher immer im Zusammenhang mit der gesamten Messkette bewertet werden.

FAQ

Zeigt ein verpoltes Thermoelement immer eine negative Temperatur an?

Nein. Die Anzeige hängt von Messstellentemperatur, Kaltstellentemperatur, Thermoelementtyp und Berechnungsalgorithmus des Messgeräts ab. Eine negative Anzeige ist nur eine mögliche Folge.

Kann eine Verpolung das Messgerät beschädigen?

Im Normalfall nicht. Thermoelemente liefern lediglich sehr kleine Spannungen im Millivoltbereich. Die Verpolung beeinflusst hauptsächlich das Messergebnis.

Warum sinkt die Anzeige, wenn der Fühler erwärmt wird?

Dies ist ein typisches Zeichen einer Verpolung. Die Thermospannung wird am Eingang mit umgekehrter Polarität erfasst, sodass das Gerät die Temperaturänderung in der falschen Richtung interpretiert.

Ist der angezeigte Wert einfach der negative Wert der tatsächlichen Temperatur?

Nein. Durch die Kaltstellenkompensation ist die Berechnung komplexer. Der falsche Wert lässt sich nicht allgemein durch Multiplikation der tatsächlichen Temperatur mit −1 bestimmen.

Warum zeigt ein neu ausgetauschtes Thermoelement einen falschen Temperaturtrend?

Zunächst sollte geprüft werden, ob Thermoelementtyp und Geräteeinstellung übereinstimmen. Anschließend sind Fühler, Stecker, Verlängerungsleitung und Zwischenklemmen auf korrekte Polarität zu prüfen.

Kann ein Thermoelement-Stecker falsch herum eingesteckt werden?

Standardisierte Steckverbinder verwenden häufig unterschiedlich breite Kontakte oder mechanische Kodierungen. Dennoch sollte immer die Kennzeichnung „+“ und „−“ überprüft werden.

Kann die Polarität durch Erwärmen der Fühlerspitze geprüft werden?

Ja, dies ist eine einfache Funktionsprüfung. Bei Raumtemperatur sollte die Anzeige beim Erwärmen der Spitze steigen. Sinkt sie, sollte die Polarität kontrolliert werden. Der Test ersetzt keine Kalibrierung.

Fazit

Thermoelemente sind polaritätsabhängige Temperatursensoren. Plus- und Minusleiter dürfen daher nicht beliebig vertauscht werden. Bei einer Verpolung erfasst das Messgerät die Thermospannung mit umgekehrter Polarität und interpretiert die Temperaturdifferenz zwischen Mess- und Referenzstelle in der falschen Richtung.

Bei digitalen Thermoelement-Thermometern mit Kaltstellenkompensation entspricht der Fehlwert nicht einfach dem negativen Wert der tatsächlichen Temperatur. Entscheidend sind die umgekehrte Thermospannung, die Kaltstellentemperatur und der Berechnungsalgorithmus des Messgeräts.

Sinkt die Temperaturanzeige beim Erwärmen des Fühlers oder treten ungewöhnlich niedrige beziehungsweise negative Werte auf, sollte zuerst die Polarität überprüft werden. Dabei ist die gesamte Messkette vom Fühler über Stecker, Verlängerungs- oder Ausgleichsleitung und Zwischenklemmen bis zum Messgerät zu kontrollieren.

Der richtige Thermoelementtyp, eine korrekte Polarität und geeignete Anschlussmaterialien sind grundlegende Voraussetzungen für zuverlässige Temperaturmessungen.