Einleitung

Ein Thermoelement misst die Temperatur nicht über eine Widerstandsänderung, sondern erzeugt durch zwei unterschiedliche Leiterwerkstoffe eine kleine Thermospannung. Deshalb müssen Werkstoffzuordnung und Polarität vom Thermoelementfühler über Steckverbinder und Verlängerungs- beziehungsweise Ausgleichsleitung bis zum Messgerät korrekt beibehalten werden.

Thermoelement-Steckverbinder sind in der Regel deutlich mit „+“ und „−“ gekennzeichnet. Viele Ausführungen verwenden zusätzlich unterschiedlich große Kontakte, Gehäusefarben oder Aderfarben zur Identifikation. Da die Farbcodierung jedoch je nach Norm und Hersteller unterschiedlich sein kann, sollte die Polarität niemals ausschließlich anhand der Farbe bestimmt werden.

Die richtige Zuordnung von Plus- und Minuspol ist eine grundlegende Voraussetzung für eine zuverlässige Temperaturmessung.

Das Wichtigste im Überblick

● Die Kennzeichnungen „+“ und „−“ am Steckverbinder sind die wichtigste Referenz zur Bestimmung der Polarität;
● Viele polarisierte Thermoelementstecker besitzen unterschiedlich breite Kontakte, um ein falsches Einstecken zu erschweren;
● Aderfarben können je nach ANSI/ASTM-, IEC- oder anderem Farbsystem unterschiedlich sein;
● Thermoelemente des Typs K, J, T und E verwenden unterschiedliche Werkstoffe für Plus- und Minusleiter;
● Bei vertauschter Polarität kehrt sich die Richtung der Thermospannung um, wodurch deutlich falsche Messwerte entstehen können;
● Beim Austausch eines Steckverbinders müssen sowohl Polarität als auch Thermoelementtyp übereinstimmen.

Warum müssen Thermoelement-Steckverbinder nach Plus und Minus unterschieden werden?

Ein Thermoelement besteht aus zwei unterschiedlichen Metallen oder Legierungen, die an der Messstelle miteinander verbunden sind. Besteht zwischen Messstelle und Vergleichsstelle eine Temperaturdifferenz, entsteht eine Thermospannung.

Diese Spannung liegt typischerweise im Mikrovolt- bis Millivoltbereich, besitzt jedoch eine eindeutige Polarität. Thermoelemente verfügen deshalb über einen Plus- und einen Minusleiter.

Ein Thermoelement Typ K besteht beispielsweise üblicherweise aus Chromel als Plusleiter und Alumel als Minusleiter. Das Temperaturmessgerät wertet die gemessene Spannung anhand der für Typ K festgelegten Spannungs-Temperatur-Kennlinie aus.

Werden Plus- und Minusleiter am Steckverbinder vertauscht, kehrt sich die Polarität des am Messgerät anliegenden Signals um. Die angezeigte Temperatur kann sich dadurch entgegen der tatsächlichen Temperaturänderung entwickeln.

Die korrekte Polarität muss daher im gesamten Messkreis erhalten bleiben.

Die einfachste Methode: „+“ und „−“ am Steckverbinder prüfen

Geeignete Thermoelement-Steckverbinder sind normalerweise am Gehäuse oder unmittelbar an den Anschlussklemmen gekennzeichnet:

● „+“ kennzeichnet den Pluspol;
● „−“ kennzeichnet den Minuspol.

Beim Anschluss wird der Plusleiter des Thermoelements mit der „+“-Klemme und der Minusleiter mit der „−“-Klemme verbunden.

Dies ist die einfachste und in der Regel zuverlässigste Methode.

Sind die Markierungen durch Alterung, Beschädigung oder Verschleiß nicht mehr lesbar, sollten zusätzlich Kontaktgröße, Aderfarbcodierung und Leiterwerkstoff überprüft werden. Ein Anschluss nach Vermutung ist nicht empfehlenswert.

Polarität anhand der Kontaktgröße erkennen

Viele genormte Thermoelement-Steckverbinder besitzen eine mechanische Polarisation. Plus- und Minuskontakt unterscheiden sich in ihren Abmessungen, sodass der Stecker normalerweise nur in einer Richtung in die passende Buchse eingesetzt werden kann.

Bei vielen gebräuchlichen Ausführungen gilt:

● Der Pluskontakt ist schmaler beziehungsweise kleiner;
● Der Minuskontakt ist breiter beziehungsweise größer.

Diese Konstruktion reduziert das Risiko eines verpolten Anschlusses.

Wenn die „+“- und „−“-Kennzeichnung nicht mehr lesbar ist, kann die unterschiedliche Kontaktbreite daher als zusätzliche Orientierung dienen.

Da sich Steckverbinderserien, Baugrößen und Hersteller unterscheiden können, sollte die Kontaktgröße jedoch nur als ergänzendes Merkmal verwendet werden. Vorrang haben die Polkennzeichnung und die technischen Angaben des Herstellers.

Kann die Polarität anhand der Aderfarbe bestimmt werden?

Ja, jedoch nur ergänzend.

Thermoelement- und Ausgleichsleitungen sind häufig farbcodiert, damit Thermoelementtyp und Polarität leichter erkannt werden können. International existieren jedoch unterschiedliche Farbsysteme, beispielsweise nach ANSI/ASTM und IEC.

In bestimmten ANSI/ASTM-Farbsystemen ist der Minusleiter vieler gebräuchlicher Thermoelementtypen beispielsweise rot. Nach IEC ist der Minusleiter üblicherweise weiß.

Eine rote oder weiße Ader darf daher nicht ohne Kenntnis des zugrunde liegenden Standards eindeutig als Plus- oder Minusleiter interpretiert werden.

Empfohlen wird folgendes Vorgehen:

● Thermoelementtyp bestimmen;
● Verwendeten Farbstandard ermitteln;
● „+“- und „−“-Kennzeichnung des Steckverbinders prüfen;
● Bei Bedarf die technischen Daten von Leitung oder Steckverbinder heranziehen.

Die Aderfarbe eignet sich zur schnellen Orientierung, sollte jedoch nicht das einzige Entscheidungskriterium sein.

Welche Werkstoffe bilden Plus- und Minuspol gängiger Thermoelementtypen?

Je nach Thermoelementtyp werden unterschiedliche Leiterwerkstoffe verwendet.

Typische Beispiele sind:

● Typ K: Plusleiter üblicherweise Chromel, Minusleiter üblicherweise Alumel;
● Typ J: Plusleiter üblicherweise Eisen, Minusleiter üblicherweise Constantan;
● Typ T: Plusleiter üblicherweise Kupfer, Minusleiter üblicherweise Constantan;
● Typ E: Plusleiter üblicherweise Chromel, Minusleiter üblicherweise Constantan.

Fehlen Farbcodierung und Polkennzeichnung, kann der Werkstoff in manchen Fällen zusätzliche Hinweise liefern.

Beim Typ J besteht der Plusleiter beispielsweise aus Eisen und zeigt daher eine deutliche magnetische Reaktion. Beim Typ T besteht der Plusleiter aus Kupfer und ist häufig auch optisch leichter zu erkennen.

Viele Legierungen lassen sich jedoch nicht zuverlässig anhand ihres Aussehens identifizieren. Die Werkstoffoptik sollte deshalb nicht als alleinige Grundlage für den Anschluss verwendet werden.

Wie lässt sich die Polarität eines Typ-K-Steckverbinders erkennen?

Typ K zählt zu den am häufigsten eingesetzten Thermoelementen in Handthermometern, industriellen Temperaturmessgeräten und Datenloggern.

Die typische Werkstoffkombination lautet:

● Plus: Chromel, eine Nickel-Chrom-Legierung;
● Minus: Alumel, eine Nickellegierung mit Aluminiumanteil.

Beim Anschluss eines Typ-K-Steckverbinders wird der Chromel-Leiter mit „+“ und der Alumel-Leiter mit „−“ verbunden.

Standardisierte Typ-K-Stecker sind normalerweise durch „+“ und „−“ sowie durch mechanisch polarisierte Kontakte eindeutig gekennzeichnet.

Beim Austausch eines alten Steckverbinders empfiehlt es sich, die ursprüngliche Anschlussposition der beiden Leiter vor dem Abklemmen zu dokumentieren. Dies erleichtert die Zuordnung, wenn Aderfarben verblasst oder Leiteroberflächen oxidiert sind.

Was geschieht bei vertauschtem Plus- und Minuspol?

Werden Plus- und Minusleiter vertauscht, kehrt sich die Polarität der Thermospannung gegenüber dem Eingang des Messgeräts um.

Mögliche Auswirkungen sind:

● Das Messobjekt wird wärmer, während die angezeigte Temperatur sinkt;
● Der Messwert weicht deutlich von der tatsächlichen Temperatur ab;
● Unter bestimmten Bedingungen erscheinen ungewöhnlich niedrige oder negative Werte;
● Der Vergleich mit einem korrekt angeschlossenen Thermoelement zeigt große Abweichungen.

Wird ein Thermoelement beispielsweise in eine Umgebung eingebracht, deren Temperatur deutlich über Raumtemperatur liegt, und die Anzeige fällt statt zu steigen, sollte die Polarität überprüft werden.

Ein fehlerhafter Messwert muss jedoch nicht zwangsläufig durch Verpolung verursacht werden. Auch ein falsch eingestellter Thermoelementtyp, Fehler der Kaltstellenkompensation, ungeeignete Steckverbinderwerkstoffe oder beschädigte Leitungen können ähnliche Symptome hervorrufen.

Kann die Gehäusefarbe den Thermoelementtyp anzeigen?

Viele Thermoelement-Steckverbinder verwenden unterschiedliche Gehäusefarben zur Kennzeichnung der Thermoelementtypen K, J, T oder E.

Dies erleichtert die schnelle Zuordnung von Fühlern in Laboren, HVAC-Anwendungen, der industriellen Instandhaltung, bei Inbetriebnahmen und in mehrkanaligen Temperaturmesssystemen.

Die Gehäusefarbe kann jedoch je nach Norm, Region oder Hersteller unterschiedlich sein.

Deshalb sollte grundsätzlich die Typkennzeichnung am Steckverbinder geprüft werden, beispielsweise:

● K;
● J;
● T;
● E.

Ein mit „K“ gekennzeichneter Steckverbinder ist für einen Messkreis mit Thermoelement Typ K vorgesehen und sollte nicht allein aufgrund gleicher Abmessungen für Typ J oder T verwendet werden.

Warum muss der Steckverbinder zum Thermoelementtyp passen?

Ein Thermoelement-Steckverbinder ist nicht nur eine mechanische Verbindung.

Die leitenden Kontakte eines geeigneten Thermoelement-Steckverbinders bestehen üblicherweise aus Werkstoffen, die auf den jeweiligen Thermoelementtyp abgestimmt sind. Dadurch werden zusätzliche parasitäre Thermospannungen an der Verbindungsstelle möglichst gering gehalten.

Zwei Steckverbinder können daher äußerlich identisch aussehen und dennoch unterschiedliche Kontaktwerkstoffe besitzen.

Wird beispielsweise ein ungeeigneter Steckverbinder in einem Typ-K-Messkreis eingesetzt, können bei Temperaturgradienten am Steckverbinder zusätzliche Messfehler entstehen.

Grundsätzlich gilt:

● Typ K → Steckverbinder Typ K;
● Typ J → Steckverbinder Typ J;
● Typ T → Steckverbinder Typ T;
● Typ E → Steckverbinder Typ E.

Zusätzlich muss die Polarität entlang der gesamten Verbindung korrekt beibehalten werden.

Wie wird ein Ersatz-Steckverbinder korrekt angeschlossen?

Beim Austausch eines Thermoelementsteckers oder einer Buchse empfiehlt sich folgende Vorgehensweise:

● Thermoelementtyp K, J, T, E oder einen anderen Typ eindeutig bestimmen;
● Einen zum Thermoelementtyp passenden Steckverbinder auswählen;
● „+“- und „−“-Kennzeichnung an den Anschlussklemmen ermitteln;
● Polarität der beiden Leiter anhand von Werkstoff oder korrekter Farbcodierung bestimmen;
● Plusleiter mit „+“ und Minusleiter mit „−“ verbinden;
● Leiter sicher befestigen und auf lose Anschlüsse oder Kurzschlüsse prüfen;
● Fühler an das Messgerät anschließen und die Funktion an einer bekannten oder stabilen Temperaturquelle prüfen.

Wenn der verwendete Farbstandard nicht eindeutig bekannt ist, sollte auf die technischen Daten des Fühlers zurückgegriffen werden.

Wie lässt sich eine Verpolung schnell überprüfen?

Eine einfache Funktionsprüfung kann direkt vor Ort durchgeführt werden.

Das Thermoelement wird an ein Messgerät angeschlossen, das auf den richtigen Thermoelementtyp eingestellt ist. Anschließend wird die Messstelle beispielsweise mit der Hand erwärmt oder an ein stabiles Objekt gehalten, dessen Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur liegt.

Bei korrektem Anschluss muss die angezeigte Temperatur mit zunehmender Erwärmung steigen.

Sinkt die Anzeige trotz Erwärmung, sollten insbesondere folgende Punkte überprüft werden:

● Polarität des Thermoelement-Steckverbinders;
● Polarität von Verlängerungs- oder Ausgleichsleitungen;
● Eingestellter Thermoelementtyp im Messgerät;
● Mögliche Polvertauschung an Zwischenklemmen.

Diese Prüfung eignet sich für die erste Fehlersuche, ersetzt jedoch keine Kalibrierung oder messtechnische Verifikation.

Warum treten Polaritätsfehler bei mehrteiligen Messkreisen häufiger auf?

Komplexere Temperaturmesssysteme können mehrere Anschlussstellen enthalten, beispielsweise:

Thermoelementfühler → Thermoelementstecker → Verlängerungs- oder Ausgleichsleitung → Anschlussklemme → Thermometer oder Datenerfassungssystem.

Bereits eine einzige Vertauschung von Plus und Minus innerhalb dieser Kette kann zu fehlerhaften Messungen führen.

Bei längeren industriellen Installationen sollte deshalb nicht nur der Anschluss am Fühler geprüft werden. Der gesamte Signalweg muss abschnittsweise kontrolliert werden.

Dies ist besonders bei Wartungsarbeiten, dem Austausch von Ausgleichsleitungen, Umbauten in Schaltschränken oder Neuverdrahtungen von Klemmen wichtig. Werkstoffkompatibilität und Polarität müssen im gesamten Messkreis erhalten bleiben.

FAQ

Kann eine Verpolung den Thermoelement-Temperaturmesser beschädigen?

In der Regel nicht. Ein Thermoelement erzeugt nur eine sehr geringe Thermospannung. Eine Verpolung führt daher normalerweise zu falschen Messwerten, nicht zu einer Beschädigung eines dafür vorgesehenen Messgeräts. Der Anschluss sollte dennoch unverzüglich korrigiert werden.

Ist der größere Kontakt eines Thermoelementsteckers immer der Minuspol?

Bei vielen polarisierten Thermoelementsteckern ist der Minuskontakt größer als der Pluskontakt. Diese Eigenschaft sollte jedoch nicht als universelle Regel für alle Steckverbinder angesehen werden. Maßgeblich sind die Kennzeichnung und die technischen Angaben des Herstellers.

Welche Leitung ist beim Typ K positiv?

Der Plusleiter besteht üblicherweise aus Chromel, der Minusleiter aus Alumel. Bei einer Identifikation über die Aderfarbe muss zunächst der verwendete Farbstandard bekannt sein.

Warum sollte die Polarität nicht ausschließlich anhand der Aderfarbe bestimmt werden?

Weil ANSI/ASTM-, IEC- und andere Systeme unterschiedliche Farbcodierungen verwenden können. Die Farbe sollte immer zusammen mit Thermoelementtyp, Steckverbinderkennzeichnung und angewendetem Standard betrachtet werden.

Kann ein normaler Kupfersteckverbinder einen Thermoelement-Steckverbinder ersetzen?

Für präzise Thermoelementmessungen sollten gewöhnliche Steckverbinder nicht beliebig anstelle spezieller Thermoelement-Steckverbinder eingesetzt werden. Unterschiedliche Werkstoffe können bei Temperaturgradienten zusätzliche Thermospannungen und damit Messfehler erzeugen.

Wenn der Stecker mechanisch passt, ist dann auch der Thermoelementtyp richtig?

Nein. Verschiedene Thermoelement-Steckverbinder können ähnliche mechanische Abmessungen besitzen. Mechanische Kompatibilität bedeutet nicht automatisch, dass die Kontaktwerkstoffe geeignet sind. Die Kennzeichnung K, J, T, E oder eines anderen Typs muss überprüft werden.

Fazit

Die korrekte Bestimmung von Plus- und Minuspol eines Thermoelement-Steckverbinders ist eine grundlegende Voraussetzung für zuverlässige Temperaturmessungen.

Am sichersten ist die Orientierung an der „+“- und „−“-Kennzeichnung sowie die Kontrolle, ob Steckverbinder und Thermoelementtyp übereinstimmen. Kontaktgröße, Aderfarbe und Leiterwerkstoff können zusätzliche Hinweise liefern, sollten jedoch nicht unabhängig von Normen und Herstellerinformationen verwendet werden.

Beim Einbau oder Austausch gilt ein grundlegendes Prinzip: Thermoelementtyp korrekt zuordnen, kompatible Werkstoffe verwenden und die Polarität im gesamten Messkreis beibehalten.

Sind Fühler, Steckverbinder, Verlängerungs- oder Ausgleichsleitung und Messgeräteeingang korrekt aufeinander abgestimmt, lassen sich anschlussbedingte Messfehler wirksam reduzieren.