Einleitung

Thermoelemente werden häufig zur Temperaturmessung in Industrieanlagen, HVAC-Systemen, Laboren, Öfen, Maschinen und verfahrenstechnischen Anwendungen eingesetzt. Je nach Anwendung beträgt der Abstand zwischen Fühler und Thermometer, Datenlogger oder Regler nur wenige Zentimeter oder mehrere Meter beziehungsweise mehrere zehn Meter.

Daher stellt sich häufig die Frage: Beeinflusst eine zu lange Thermoelementleitung die Messgenauigkeit?

Die Antwort lautet: Ja, unter bestimmten Bedingungen – allerdings nicht allein aufgrund der Leitungslänge.

Unter idealen Bedingungen wird die vom Thermoelement erzeugte Thermospannung hauptsächlich durch die Temperaturdifferenz zwischen Messstelle und Referenzstelle sowie durch die thermoelektrischen Eigenschaften der verwendeten Werkstoffe bestimmt. Wird die Leitung mit geeigneten und homogenen Thermoelementwerkstoffen verlängert, entsteht kein Messfehler, der proportional mit der Leitungslänge zunimmt.

In der Praxis erhöhen längere Leitungswege jedoch das Risiko von Leitungswiderstand, elektromagnetischen Störungen, fehlerhaften Verbindungen, Werkstoffabweichungen und Isolationsproblemen.

Wichtige Punkte

● Die Leitungslänge selbst ist normalerweise nicht die wichtigste Fehlerquelle einer Thermoelementmessung;
● Mit zunehmender Leitungslänge steigen der Leitungswiderstand und die Anfälligkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen;
● Eine Verlängerung mit gewöhnlicher Kupferleitung kann zusätzliche thermoelektrische Übergänge erzeugen und Messfehler verursachen;
● Für längere Verbindungen müssen geeignete Thermoelement-Verlängerungsleitungen oder Ausgleichsleitungen verwendet werden;
● Schirmung, Erdung, Isolation, Verbindungsstellen und Kaltstellenkompensation gewinnen bei langen Leitungswegen an Bedeutung;
● Bei sehr langen Entfernungen oder starken elektromagnetischen Störungen kann ein Temperaturtransmitter in Sensornähe eingesetzt werden.

Warum führt eine längere Thermoelementleitung nicht automatisch zu einem Messfehler?

Ein Thermoelement nutzt den thermoelektrischen Effekt zwischen zwei unterschiedlichen Leitermaterialien. Das Messgerät erfasst die sehr kleine Thermospannung und berechnet daraus anhand der Kennlinie des jeweiligen Thermoelementtyps die Temperatur.

Werden zwischen Fühler und Messgerät durchgehend geeignete, homogene Thermoelementwerkstoffe verwendet und sind Polarität, Verbindungen sowie Kaltstellenkompensation korrekt, verändert eine längere Leitung die grundlegende Spannungs-Temperatur-Kennlinie des Thermoelements nicht.

Es gibt daher keine allgemeingültige Regel nach dem Prinzip „pro zusätzlichem Meter entsteht ein bestimmter Temperaturfehler“.

Entscheidend ist vielmehr, dass längere Leitungen zusätzliche potenzielle Fehlerquellen mit sich bringen.

Kann der Leitungswiderstand die Messgenauigkeit beeinflussen?

Thermoelemente liefern sehr kleine Signale im Millivoltbereich. Geeignete Thermoelement-Messgeräte verfügen deshalb üblicherweise über einen hohen Eingangswiderstand, sodass nur ein sehr geringer Strom im Messkreis fließt.

Unter normalen Bedingungen verursacht der zusätzliche Widerstand von mehreren Metern oder mehreren zehn Metern Thermoelementleitung daher keinen typischen Spannungsteilerfehler.

Bei extrem langen Leitungen, sehr kleinen Leiterquerschnitten, hohem Leitungswiderstand oder ungeeigneten Eingangseigenschaften des Messgeräts kann der Widerstand jedoch relevant werden. Auch Eingangsbiasströme oder Leitungsbrucherkennungen des Messgeräts können zusammen mit einem hohen Schleifenwiderstand zusätzliche Fehler verursachen.

Bei langen Messstrecken sollten daher sowohl die Leitungsspezifikation als auch der maximal zulässige Sensorwiderstand des Messgeräts berücksichtigt werden.

Lange Leitungen sind anfälliger für elektromagnetische Störungen

In industriellen Umgebungen stellen elektromagnetische Störungen häufig ein größeres Problem dar als der Leitungswiderstand.

Das Ausgangssignal eines Thermoelements liegt nur im Millivoltbereich. Je länger die Leitung ist, desto größer ist der Abschnitt, der elektromagnetischen Feldern von Frequenzumrichtern, Motoren, Relais, Schützen, Schweißanlagen, Leistungskabeln und anderen elektrischen Geräten ausgesetzt ist.

Störungen können zu schwankenden Messwerten, periodischen Abweichungen, Temperaturverschiebungen oder sporadischen Fehlwerten führen.

Bei langen Leitungen sind verdrillte oder geschirmte Thermoelementleitungen zu empfehlen. Außerdem sollten Signalleitungen nicht über längere Strecken parallel zu Leistungs- oder Hochstromleitungen verlegt werden.

Warum sollte ein Thermoelement nicht mit normaler Kupferleitung verlängert werden?

Dies ist ein zentraler Punkt bei langen Thermoelement-Messstrecken.

Jeder Thermoelementtyp besteht aus einer definierten Kombination unterschiedlicher Werkstoffe. Thermoelemente des Typs K, J, T und E verwenden jeweils andere Legierungen mit unterschiedlichen thermoelektrischen Eigenschaften.

Wird gewöhnliche Kupferleitung in den Messkreis eingefügt, entstehen zusätzliche Übergänge zwischen den Thermoelementwerkstoffen und dem Kupfer. Befinden sich diese Übergänge auf unterschiedlichen Temperaturen, können zusätzliche Thermospannungen entstehen und Messfehler verursachen.

Zur Verlängerung sollten daher zum Thermoelementtyp passende Verlängerungsleitungen oder Ausgleichsleitungen verwendet werden. Die Polarität muss über die gesamte Verbindung korrekt bleiben.

Bedeuten mehr Verbindungsstellen automatisch mehr Messfehler?

Nicht zwingend. Eine zusätzliche Verbindung verursacht nicht automatisch einen erheblichen Fehler, erhöht jedoch die Anzahl möglicher Fehlerstellen.

● Ungeeignete Kontakt- oder Leitermaterialien;
● Vertauschte Polarität;
● Verbindungsstellen bei unterschiedlichen Temperaturen;
● Oxidierte, lose oder instabile Klemmen;
● Feuchtigkeit, Öl, Verschmutzung oder Korrosion;
● Vermischung verschiedener Thermoelementtypen.

Alle diese Faktoren können das empfindliche Millivoltsignal beeinflussen.

Bei langen Thermoelementleitungen sollten unnötige Zwischenverbindungen daher vermieden werden. Erforderliche Verbindungen sollten mit geeigneten Thermoelement-Steckverbindern oder Klemmen ausgeführt werden.

Warum ist die Kaltstellenkompensation wichtig?

Ein Thermoelement misst nicht ausschließlich die absolute Temperatur an der Messstelle. Seine Ausgangsspannung hängt von der Temperaturdifferenz zwischen Messstelle und Referenzstelle ab. Daher muss das Messgerät die Temperatur an der Referenzstelle berücksichtigen.

Digitale Thermoelement-Messgeräte erfassen üblicherweise die Temperatur im Bereich der Eingangsklemmen und führen eine automatische Kaltstellenkompensation durch.

Werden in einer langen Messleitung Kupferleitungen, Standardklemmen oder andere abweichende Materialien eingefügt und befinden sich diese Übergänge in Bereichen mit starken Temperaturunterschieden, können zusätzliche Referenzstellen entstehen.

Deshalb sind geeignete Verlängerungsleitungen, korrekte Steckverbinder und fachgerechte Verdrahtung für präzise Thermoelementmessungen besonders wichtig.

Verlangsamt eine längere Thermoelementleitung die Ansprechzeit?

Wird lediglich die Anschlussleitung hinter dem Thermoelementfühler verlängert, während Messstelle, Fühlerdurchmesser und Einbausituation unverändert bleiben, verändert sich die thermische Ansprechzeit normalerweise kaum.

Die Ansprechzeit eines Thermoelements wird hauptsächlich durch die Bauform der Messstelle, den Fühlerdurchmesser, das Schutzrohr, die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums und den thermischen Kontakt zum Messobjekt bestimmt.

Sehr lange Leitungen können jedoch zusätzliche Störungen aufnehmen, sodass eine stärkere Signalfilterung erforderlich wird. In manchen Messsystemen kann dies dazu führen, dass die angezeigte Temperatur langsamer reagiert.

Daher sollte zwischen der thermischen Ansprechzeit des Sensors und der Anzeige- beziehungsweise Systemreaktionszeit unterschieden werden.

Wie sollten lange Thermoelementleitungen installiert werden?

Bei langen Messstrecken sollten folgende Punkte berücksichtigt werden.

● Für Typ K, J, T, E oder andere Thermoelemente geeignete Verlängerungs- oder Ausgleichsleitungen verwenden;
● Polarität über die gesamte Leitung kontrollieren;
● Unnötige Zwischenverbindungen vermeiden;
● In störungsreichen Umgebungen verdrillte oder geschirmte Thermoelementleitungen verwenden;
● Ausreichenden Abstand zu Leistungskabeln, Frequenzumrichter-Ausgangsleitungen und Hochstromleitungen einhalten;
● Schirme entsprechend dem Messsystemkonzept erden und ungeeignete Mehrfacherdungen vermeiden, die Erdschleifen verursachen können;
● Isolations- und Mantelwerkstoffe entsprechend Temperatur, Feuchtigkeit, Öl und chemischer Belastung auswählen;
● Sicherstellen, dass Thermometer, Datenerfassungssystem oder Regler den verwendeten Thermoelementtyp unterstützt und korrekt eingestellt ist;
● Bei hohen Genauigkeitsanforderungen die gesamte Messkette prüfen und nicht nur den Thermoelementfühler.

Was ist bei sehr großen Übertragungsentfernungen zu beachten?

Muss ein Thermoelementsignal über mehrere zehn Meter oder größere Entfernungen übertragen werden, beispielsweise in Industrieanlagen, Produktionslinien, Öfen oder Prozesssystemen, ist eine direkte Übertragung des Millivoltsignals nicht immer die robusteste Lösung.

Eine häufig verwendete Lösung ist ein Temperaturtransmitter in der Nähe des Thermoelements. Dieser wandelt das empfindliche Thermoelementsignal beispielsweise in ein 4–20-mA-Signal, ein digitales Kommunikationssignal oder ein anderes für industrielle Übertragungsstrecken geeignetes Signal um.

Dadurch wird die Strecke verkürzt, auf der das empfindliche Millivoltsignal übertragen werden muss, und die Störfestigkeit kann verbessert werden.

Ob ein Transmitter erforderlich ist, hängt von Leitungslänge, elektromagnetischer Umgebung, Genauigkeitsanforderungen und der Schnittstelle des Steuerungs- oder Überwachungssystems ab.

FAQ

Beeinflussen einige zusätzliche Meter Thermoelementleitung die Genauigkeit deutlich?

Normalerweise nicht. Bei geeigneter Leitung und fachgerechter Installation führen einige zusätzliche Meter nicht automatisch zu einem erheblichen Temperaturfehler. Entscheidend sind Werkstoff, Leitungswiderstand, Störumgebung, Verbindungen und Eigenschaften des Messgeräts.

Kann ein Thermoelement über mehrere zehn Meter verlängert werden?

Ja. Es müssen jedoch geeignete Verlängerungs- oder Ausgleichsleitungen verwendet und Leitungswiderstand, elektromagnetische Störungen, Schirmung, Erdung und Isolation berücksichtigt werden. Bei hohen Genauigkeitsanforderungen sollte die gesamte Messkette überprüft werden.

Kann ein Thermoelement Typ K mit normaler Kupferleitung verlängert werden?

Dies wird grundsätzlich nicht empfohlen. Für Typ K sollten geeignete Verlängerungs- oder Ausgleichsleitungen verwendet werden. Kupferleitungen können zusätzliche Übergänge erzeugen und bei vorhandenen Temperaturunterschieden Messfehler verursachen.

Warum schwankt die Anzeige bei langen Thermoelementleitungen?

Häufige Ursachen sind elektromagnetische Störungen durch Motoren, Frequenzumrichter, Relais oder Leistungskabel. Auch lose Verbindungen, ungeeignete Schirmung oder beschädigte Isolation können eine Rolle spielen.

Ist eine dickere Thermoelementleitung für lange Strecken besser geeignet?

Ein größerer Leiterquerschnitt reduziert normalerweise den Leitungswiderstand und erhöht die mechanische Belastbarkeit. Die Eignung hängt jedoch zusätzlich vom Thermoelementtyp, der Umgebung, der erforderlichen Flexibilität und den Systemanforderungen ab.

Ist bei langen Thermoelementleitungen immer ein Temperaturtransmitter erforderlich?

Nein. Bei moderaten Entfernungen und geringer Störbelastung kann eine direkte Thermoelementleitung ausreichend sein. Bei sehr langen Strecken, starken elektromagnetischen Störungen oder hohen Anforderungen an die Betriebssicherheit kann ein Transmitter vorteilhaft sein.

Fazit

Eine lange Thermoelementleitung verursacht nicht allein aufgrund ihrer Länge automatisch einen erheblichen Temperaturfehler. Werden geeignete, homogene Thermoelementwerkstoffe verwendet, die Polarität eingehalten und ein geeignetes Messgerät eingesetzt, können Thermoelemente über beträchtliche Entfernungen verlängert werden.

Mit zunehmender Leitungslänge steigt jedoch der Einfluss von Leitungswiderstand, elektromagnetischen Störungen, Werkstoffübergängen, zusätzlichen Verbindungsstellen, Isolationsproblemen und Fehlern bei der Kaltstellenkompensation.

Für zuverlässige Messungen über größere Entfernungen sollten deshalb geeignete Verlängerungs- oder Ausgleichsleitungen, eine fachgerechte Schirmung und Leitungsführung sowie möglichst wenige Materialübergänge eingesetzt werden. Bei sehr langen oder elektrisch stark belasteten Messstrecken kann eine Signalumwandlung in Sensornähe die Messstabilität zusätzlich verbessern.