Einleitung

Thermoelemente unterscheiden sich grundlegend von widerstandsbasierten Temperatursensoren wie Pt100-Sensoren, RTDs oder Thermistoren. Sie erzeugen keine Widerstandsänderung, sondern eine kleine Thermospannung, die aufgrund eines Temperaturunterschieds in einem Stromkreis aus zwei unterschiedlichen Leiterwerkstoffen entsteht.

Deshalb können die verwendeten Leiterwerkstoffe, die Verbindungsstellen und die Temperaturverteilung zwischen Messstelle und Temperaturmessgerät das Messergebnis beeinflussen.

Eine Thermoelementleitung darf daher nicht wie eine gewöhnliche Signalleitung behandelt werden. Wird eine beschädigte Leitung beispielsweise durch eine Kupferleitung oder eine Leitung für einen anderen Thermoelementtyp ersetzt, können zusätzliche thermoelektrische Übergänge entstehen. Die Folge können zu hohe oder zu niedrige Messwerte sowie temperaturabhängige Messabweichungen sein.

Das Wichtigste im Überblick

● Die Thermoelementleitung ist Bestandteil des Temperaturmesskreises und nicht nur eine elektrische Verbindung;
● Thermoelementtypen wie K, J, T und E verwenden unterschiedliche Legierungskombinationen und besitzen unterschiedliche Thermospannungskennlinien;
● Falsche Leiterwerkstoffe können zusätzliche Thermospannungen und damit Messfehler verursachen;
● Beim Austausch müssen sowohl Thermoelementtyp als auch Polarität stimmen;
● Für eine Leitungsverlängerung sind zum Thermoelement passende Verlängerungs- oder Ausgleichsleitungen zu verwenden;
● Zusätzlich sind Isolationsmaterial, Einsatztemperatur, Leiterquerschnitt, mechanische Beanspruchung und Umgebungsbedingungen zu berücksichtigen.

Warum ist eine Thermoelementleitung keine gewöhnliche elektrische Leitung?

Ein Thermoelement besteht aus zwei unterschiedlichen Metallen oder Legierungen. Ein Thermoelement Typ K verwendet beispielsweise üblicherweise Nickel-Chrom- und Nickel-Aluminium-basierte Legierungen. Besteht zwischen Messstelle und Referenzstelle ein Temperaturunterschied, entsteht eine Thermospannung.

Das Messgerät erfasst diese Spannung, die typischerweise im Millivoltbereich liegt, und berechnet daraus anhand der Kennlinie des eingestellten Thermoelementtyps die Temperatur.

Die Leiterwerkstoffe innerhalb des Messkreises besitzen somit definierte thermoelektrische Eigenschaften. Wird ein weiteres Metall in den Stromkreis eingebracht, entstehen zusätzliche Übergänge zwischen unterschiedlichen Werkstoffen.

Bei einer gewöhnlichen elektrischen Leitung stehen vor allem Widerstand, Strombelastbarkeit, Isolation und mechanische Eigenschaften im Vordergrund. Bei einer Thermoelementleitung muss zusätzlich das thermoelektrische Verhalten des Leiterwerkstoffs berücksichtigt werden. Genau deshalb kann sie nicht beliebig ersetzt werden.

Warum benötigt jeder Thermoelementtyp die passende Leitung?

Thermoelementtypen wie K, J, T und E bestehen aus unterschiedlichen Leiterpaarungen. Dadurch besitzt jeder Typ eine eigene Beziehung zwischen Temperatur und erzeugter Thermospannung.

Selbst bei identischer Temperatur liefern Thermoelemente vom Typ K, J und T nicht dieselbe Thermospannung. Das Temperaturmessgerät muss daher die jeweils passende Kennlinie verwenden.

Wird beispielsweise ein Thermoelement Typ K mit einer Leitung für Typ J, Typ T oder einem anderen Material mit abweichenden thermoelektrischen Eigenschaften verlängert, können sich die Eigenschaften des gesamten Messkreises verändern.

Vor einem Leitungstausch sollte deshalb immer der verwendete Thermoelementtyp eindeutig bestimmt werden. Die Auswahl darf nicht allein anhand von Leitungsfarbe, Querschnitt oder äußerem Erscheinungsbild erfolgen.

Was passiert, wenn eine gewöhnliche Kupferleitung verwendet wird?

Dies ist eine häufige Fehlerquelle bei Thermoelementinstallationen.

Wird zwischen Thermoelement und Messgerät eine normale Kupferleitung eingefügt, entstehen zusätzliche Verbindungsstellen zwischen den Thermoelementlegierungen und dem Kupfer.

Nach dem Gesetz der Zwischenmetalle beeinflusst ein zusätzlich eingefügter Leiterwerkstoff die resultierende Thermospannung nicht, wenn sich beide neu entstandenen Übergangsstellen exakt auf derselben Temperatur befinden.

Unter realen Industriebedingungen lässt sich dies jedoch häufig nicht dauerhaft gewährleisten.

Eine Verbindung kann sich beispielsweise in der Nähe einer warmen Maschine befinden, während die andere in einem deutlich kühleren Schaltschrank liegt. Zwischen den beiden Übergangsstellen entsteht dann eine Temperaturdifferenz, die zu einem unerwünschten thermoelektrischen Spannungsanteil führen kann.

Gewöhnliche Kupferleitungen sind deshalb keine universelle Lösung zur Verlängerung von Thermoelementen. Dies gilt besonders bei großen Temperaturgradienten, langen Leitungswegen oder höheren Anforderungen an die Messgenauigkeit.

Warum verursachen falsche Leitungen Messfehler?

Wird ein ungeeigneter Leiterwerkstoff in einen Thermoelementkreis eingebracht, liegt das Hauptproblem nicht in einer unzureichenden elektrischen Leitfähigkeit. Entscheidend ist vielmehr die mögliche Entstehung zusätzlicher Thermospannungen.

Besteht der ursprüngliche Thermoelementkreis aus den Materialien A und B und wird ein drittes Material C eingefügt, entstehen neue Übergänge A-C und B-C.

Befinden sich diese Übergänge auf unterschiedlichen Temperaturen, können zusätzliche Thermospannungen entstehen. Das Temperaturmessgerät kann nicht unterscheiden, welcher Spannungsanteil vom eigentlichen Messpunkt und welcher von den zusätzlichen Übergängen stammt. Es wertet die gesamte gemessene Spannung anhand der eingestellten Thermoelementkennlinie aus.

Dadurch kann der angezeigte Temperaturwert von der tatsächlichen Temperatur an der Messstelle abweichen.

Typisch ist außerdem, dass sich dieser Fehler mit der Umgebungstemperatur verändert. Eine Anlage kann daher unmittelbar nach dem Einschalten plausible Werte anzeigen, während sich nach der Erwärmung der Umgebung ein zunehmender Offset entwickelt.

Warum muss die Polarität korrekt sein?

Bei Thermoelementen müssen nicht nur die Leiterwerkstoffe stimmen, sondern auch die Polarität.

Die beiden Leiter besitzen eine definierte Plus- und Minuspolarität. Werden sie vertauscht, ändert sich die Richtung der Thermospannung.

In manchen Fällen führt dies zu einem offensichtlich falschen Messwert. Aufgrund von Kaltstellenkompensation und Umgebungstemperatur muss der Messwert jedoch nicht zwangsläufig einfach negativ werden. Stattdessen kann ein scheinbar plausibler, aber falscher Temperaturwert angezeigt werden.

Bei Wartungs- oder Anschlussarbeiten sollten daher folgende Punkte geprüft werden:

● Richtiger Thermoelementtyp;
● Korrekte Plus- und Minuspolarität;
● Zum Thermoelement passende Klemmen oder Steckverbinder;
● Keine unbeabsichtigten Übergänge zu ungeeigneten Metallwerkstoffen in Bereichen mit Temperaturunterschieden.

Was ist eine Thermoelement-Verlängerungsleitung?

Eine Verlängerungsleitung dient dazu, die Entfernung zwischen Thermoelement und Messgerät zu vergrößern.

Sie ist so ausgelegt, dass ihre thermoelektrischen Eigenschaften innerhalb eines festgelegten Temperaturbereichs denen des zugehörigen Thermoelements entsprechen oder sehr nahekommen.

Bei vielen gebräuchlichen Thermoelementen aus unedlen Metallen können Verlängerungsleitungen Werkstoffsysteme verwenden, die dem eigentlichen Thermoelement entsprechen. Fertigungstoleranzen, zulässige Temperaturbereiche und der mechanische Aufbau können sich jedoch von einer Leitung unterscheiden, die direkt zur Bildung der Messstelle vorgesehen ist.

Der Begriff „Verlängerungsleitung“ bedeutet daher nicht, dass alle Thermoelementleitungen untereinander austauschbar sind. Für Typ K ist eine passende K-Verlängerungsleitung erforderlich, ebenso für Typ J, T oder E.

Was ist eine Ausgleichsleitung?

Eine Ausgleichsleitung dient ebenfalls dazu, das Thermoelementsignal bis zum Messgerät weiterzuführen, unterscheidet sich jedoch von einer Verlängerungsleitung.

Bei bestimmten Ausgleichsleitungen bestehen die Leiter nicht aus denselben Legierungen wie das eigentliche Thermoelement. Stattdessen werden Werkstoffe eingesetzt, deren thermoelektrisches Verhalten innerhalb eines festgelegten Temperaturbereichs ausreichend ähnlich ist.

Dieses Prinzip ist insbesondere bei Thermoelementen mit teuren oder speziellen Werkstoffen von Vorteil.

Ausgleichsleitungen sind normalerweise nur innerhalb eines definierten Temperaturbereichs für die angegebene Genauigkeit geeignet. Sie dürfen daher nicht in Bereichen eingesetzt werden, die über ihrer zulässigen Temperatur liegen, und sollten nicht ohne entsprechende Freigabe als eigentliche Messstelle verwendet werden.

Sowohl Verlängerungs- als auch Ausgleichsleitungen dienen der Signalverlängerung. Leiterwerkstoffe, Temperaturgrenzen und Genauigkeit können jedoch unterschiedlich sein und müssen zum jeweiligen Thermoelement passen.

Können gleichfarbige Thermoelementleitungen untereinander ausgetauscht werden?

Nein. Die Farbe allein ist kein zuverlässiges Kriterium.

Farbkennzeichnungen für Thermoelemente können je nach Norm, Region oder Hersteller unterschiedlich ausfallen. Zwei äußerlich ähnlich gekennzeichnete Leitungen können daher aus völlig unterschiedlichen Leiterlegierungen bestehen.

Auch die Farbe des Außenmantels und die Farbkennzeichnung der einzelnen Plus- und Minusleiter sind unterschiedliche Identifikationsmerkmale. Eine Beurteilung ausschließlich anhand des Mantels kann zu einer falschen Auswahl führen.

Zuverlässiger sind Typenkennzeichnung, Leitungsbeschriftung, technisches Datenblatt und die Anschlussangaben des Herstellers.

Lässt sich der ursprüngliche Leitungstyp nicht eindeutig bestimmen, sollte keine Ersatzleitung allein aufgrund eines ähnlichen Erscheinungsbilds gewählt werden.

Welche weiteren Faktoren müssen berücksichtigt werden?

Bei der Auswahl einer geeigneten Thermoelementleitung ist nicht nur die Leiterlegierung entscheidend.

● Isolationsmaterial: PVC, PTFE, Glasfaser und andere Isolationssysteme besitzen unterschiedliche Temperatur- und Umweltbeständigkeiten;
● Einsatztemperatur: Der Leiterwerkstoff kann unter Umständen höhere Temperaturen vertragen als seine Isolation;
● Mechanische Beanspruchung: Bei Vibration, häufiger Biegung, Bewegung oder Energieketten sind Flexibilität und mechanische Festigkeit wichtig;
● Chemische Umgebung: Öl, Feuchtigkeit, Chemikalien und korrosive Atmosphären können Isolation und Leiter beeinträchtigen;
● Elektromagnetische Störungen: In der Nähe von Motoren, Frequenzumrichtern und leistungsstarken elektrischen Anlagen können geschirmte Leitungen und eine geeignete Leitungsführung erforderlich sein;
● Leiterquerschnitt und Leitungslänge: Die Thermoelementmessung basiert zwar primär auf der Thermospannung und nicht auf dem Leitungswiderstand, sehr lange oder dünne Leitungen sowie schlechte Kontaktstellen können jedoch die Störfestigkeit reduzieren oder bestimmte Gerätefunktionen wie die Fühlerbrucherkennung beeinflussen.

Eine geeignete Ersatzleitung muss deshalb sowohl zum Thermoelement als auch zu den elektrischen, thermischen, mechanischen und umgebungsbedingten Anforderungen passen.

Wie sollte eine beschädigte Thermoelementleitung ersetzt werden?

Zunächst muss der Thermoelementtyp, beispielsweise K, J, T oder E, festgestellt werden. Anschließend ist zu klären, ob die vorhandene Leitung eine Thermoelementleitung, Verlängerungsleitung oder Ausgleichsleitung ist.

Die Ersatzleitung sollte zum Thermoelementtyp passen. Zusätzlich müssen Polarität, Leiterwerkstoff, Isolation, zulässiger Temperaturbereich und Eignung für die Einsatzumgebung geprüft werden.

Wo möglich, sollten Klemmen und Thermoelementsteckverbinder verwendet werden, die für den jeweiligen Thermoelementtyp vorgesehen sind. Dadurch lassen sich unnötige Übergänge zwischen unterschiedlichen Metallwerkstoffen in Bereichen mit Temperaturgradienten vermeiden.

Nach dem Anschluss ist sicherzustellen, dass das Temperaturmessgerät auf denselben Thermoelementtyp eingestellt ist. Bei höheren Genauigkeitsanforderungen sollte die gesamte Messkette an einem bekannten Temperaturpunkt, mit einer geeigneten Temperaturquelle oder einem Referenzthermometer überprüft werden.

Eine reine Durchgangsprüfung reicht bei präzisen Thermoelementmessungen nicht aus. Entscheidend ist die korrekte thermoelektrische Funktion der gesamten Messkette.

Welche Anzeichen können auf eine falsche Leitung hinweisen?

Treten nach einer Reparatur oder einem Leitungstausch folgende Symptome auf, sollte die Thermoelementverkabelung überprüft werden:

● Die angezeigte Temperatur passt offensichtlich nicht zum Prozesszustand;
● Nach dem Leitungstausch tritt ein konstanter Messoffset auf;
● Die Messabweichung verändert sich mit der Umgebungstemperatur;
● Der Fehler nimmt zu, sobald sich benachbarte Anlagenkomponenten erwärmen;
● Das Thermoelement misst direkt am Gerät korrekt, zeigt über die Verlängerungsleitung jedoch eine Abweichung;
● Die Polarität scheint korrekt zu sein, die Werte bleiben aber instabil oder unplausibel;
● Der Messwert verändert sich deutlich, wenn andere Verbindungsstellen verwendet werden.

Diese Symptome müssen nicht ausschließlich durch die Leitung verursacht werden. Ein falscher Thermoelementtyp, eine ungeeignete Ausgleichsleitung, Kupferverlängerungen oder eine vertauschte Polarität sollten jedoch frühzeitig geprüft werden.

FAQ

Kann eine beschädigte Thermoelementleitung einfach mit einer normalen Elektroleitung repariert werden?

Im Allgemeinen ist dies nicht zu empfehlen. Durch Kupferleiter entstehen zusätzliche Übergänge zwischen unterschiedlichen Metallen. Befinden sich diese Übergänge auf unterschiedlichen Temperaturen, können zusätzliche Thermospannungen und damit Messfehler entstehen. Verwenden Sie stattdessen eine zum Thermoelement passende Verlängerungs- oder Ausgleichsleitung.

Kann eine Leitung für Typ J mit einem Thermoelement Typ K verwendet werden?

Nicht als regulärer Ersatz. Typ K und Typ J verwenden unterschiedliche Legierungen und besitzen unterschiedliche thermoelektrische Kennlinien. Eine falsche Leitung kann den Messkreis verändern und Fehler verursachen.

Was passiert, wenn die Polarität des Thermoelements vertauscht wird?

Die Richtung der Thermospannung wird umgekehrt, wodurch deutlich falsche Temperaturwerte entstehen können. Beim Anschluss müssen deshalb Thermoelementtyp und Polarität geprüft werden.

Kann eine Thermoelement-Verlängerungsleitung direkt als Fühler verwendet werden?

In der Regel nicht. Verlängerungsleitungen sind primär für die Signalübertragung vorgesehen. Toleranzen, Leiterzustand, Aufbau und zulässiger Temperaturbereich können von Thermoelementdraht für die eigentliche Messstelle abweichen.

Was unterscheidet eine Ausgleichsleitung von einer normalen Kupferleitung?

Die Leiterwerkstoffe einer Ausgleichsleitung werden so ausgewählt, dass sie innerhalb eines definierten Temperaturbereichs die thermoelektrischen Eigenschaften eines bestimmten Thermoelementtyps nachbilden. Eine gewöhnliche Kupferleitung besitzt diese abgestimmten Eigenschaften nicht.

Verbessert ein größerer Leiterquerschnitt die Messgenauigkeit?

Nicht automatisch. Die Genauigkeit hängt vor allem von Thermoelementwerkstoff, Toleranzklasse, Kaltstellenkompensation, Einbausituation und Messgerät ab. Ein größerer Leiterquerschnitt verbessert die thermoelektrische Genauigkeit nicht direkt, kann jedoch mechanische Vorteile bieten und bei langen Leitungswegen oder störbehafteten Anwendungen sinnvoll sein.

Zusammenfassung

Thermoelementleitungen dürfen nicht beliebig ersetzt werden, weil sie nicht nur eine vorhandene Spannung übertragen, sondern Bestandteil des thermoelektrischen Messkreises sind.

Jeder Thermoelementtyp basiert auf einer bestimmten Legierungskombination mit definierter Temperatur-Thermospannungs-Kennlinie. Falsche Leitungen, gewöhnliche Kupferkabel, ungeeignete Ausgleichsleitungen oder vertauschte Polarität können die Thermospannung im Messkreis verändern und Messfehler verursachen.

Bei Reparatur oder Verlängerung einer Thermoelementleitung sollte deshalb zunächst der Thermoelementtyp bestimmt werden. Anschließend sind eine passende Verlängerungs- oder Ausgleichsleitung sowie geeignete Polarität, Steckverbinder, Isolation, Temperaturbeständigkeit und Umgebungsbedingungen zu berücksichtigen. Nur eine durchgehend kompatible Messkette vom Sensor bis zum Messgerät ermöglicht stabile und zuverlässige Temperaturmessungen.