Einleitung

In industriellen Temperaturmessungen befindet sich das Thermoelement häufig in größerer Entfernung vom Thermometer, Datenerfassungssystem, Temperaturtransmitter oder Prozessregler. Deshalb ist eine geeignete Leitung erforderlich, um das Thermoelementsignal zuverlässig bis zum Messgerät zu übertragen.

Dabei werden häufig zwei Begriffe verwendet: Thermoelement-Verlängerungsleitung und Ausgleichsleitung.

Beide dienen zur Verlängerung des Thermoelementkreises. Der wesentliche Unterschied liegt jedoch in den verwendeten Leitermaterialien und deren thermoelektrischen Eigenschaften. Verlängerungsleitungen bestehen üblicherweise aus Werkstoffen, die den Materialien des zugehörigen Thermoelements entsprechen oder thermoelektrisch gleichwertig sind. Ausgleichsleitungen können dagegen aus völlig anderen Legierungen bestehen, deren thermoelektrisches Verhalten nur innerhalb eines festgelegten Temperaturbereichs dem jeweiligen Thermoelement angenähert ist.

Daher dürfen weder Verlängerungsleitungen noch Ausgleichsleitungen wie gewöhnliche Kupferleitungen behandelt oder beliebig zwischen unterschiedlichen Thermoelementtypen ausgetauscht werden.

Das Wichtigste auf einen Blick

● Verlängerungsleitungen und Ausgleichsleitungen verlängern die Verbindung zwischen Thermoelement und Messgerät;
● Verlängerungsleitungen verwenden in der Regel dieselben oder thermoelektrisch gleichwertige Legierungen wie das entsprechende Thermoelement;
● Ausgleichsleitungen bestehen normalerweise aus anderen Legierungen, deren thermoelektrische Eigenschaften nur innerhalb eines festgelegten Temperaturbereichs ausreichend übereinstimmen;
● Verlängerungsleitungen bilden das Verhalten des ursprünglichen Thermoelements meist genauer nach, können jedoch materialbedingt teurer sein;
● Ausgleichsleitungen sind häufig wirtschaftlicher bei langen Leitungswegen, müssen jedoch innerhalb des spezifizierten Temperaturbereichs eingesetzt werden;
● Beide Leitungstypen müssen zum Thermoelementtyp passen und mit korrekter Polarität angeschlossen werden;
● Gewöhnliche Kupferleitungen sind kein direkter Ersatz, da zusätzliche Metallübergänge unerwünschte Thermospannungen und damit Messfehler erzeugen können.

Warum sollte ein Thermoelement nicht einfach mit Kupferleitung verlängert werden?

Ein Thermoelement bestimmt die Temperatur nicht über eine Widerstandsänderung, sondern über den Seebeck-Effekt.

Werden zwei unterschiedliche Metalle miteinander verbunden und besteht zwischen den relevanten Übergangsstellen eine Temperaturdifferenz, entsteht eine Thermospannung. Das Messgerät ermittelt daraus zusammen mit der Kaltstellenkompensation die Temperatur.

Werden in den Thermoelementkreis beliebig Kupfer oder andere Fremdmetalle eingefügt, entstehen zusätzliche Materialübergänge. Liegen diese Übergänge auf unterschiedlichen Temperaturen, können zusätzliche Thermospannungen entstehen.

Wird beispielsweise ein Thermoelement Typ K direkt an gewöhnliche Kupferleiter angeschlossen und befinden sich beide Übergangsstellen exakt auf derselben Temperatur, kann der zusätzliche Fehler gering sein. Unter realen Industriebedingungen lässt sich jedoch kaum sicherstellen, dass beide Übergangsstellen dauerhaft isotherm bleiben.

Besonders in der Nähe von Schaltschränken, Ofenwänden, Maschinen oder Bereichen mit deutlichen Temperaturgradienten können solche zusätzlichen Thermospannungen als messbarer Temperaturfehler auftreten.

Thermoelementkreise sollten deshalb üblicherweise mit geeigneten Verlängerungs- oder Ausgleichsleitungen verlängert werden.

Was ist eine Thermoelement-Verlängerungsleitung?

Eine Thermoelement-Verlängerungsleitung wird auch als Verlängerungskabel für Thermoelemente bezeichnet.

Die beiden Leiter bestehen üblicherweise aus Legierungen, die den Materialien des zugehörigen Thermoelements entsprechen oder thermoelektrisch gleichwertig sind.

Bei einem Thermoelement Typ K werden beispielsweise nickelbasierte Thermoschenkel verwendet. Die zugehörige Verlängerungsleitung ist so ausgelegt, dass sie die entsprechenden thermoelektrischen Eigenschaften weiterführt.

Die Verlängerungsleitung dient nicht dazu, die gesamte Leitung direkt als Hochtemperaturfühler einzusetzen. Ihre Aufgabe besteht darin, den Thermoelementkreis vom Sensor bis zum Thermometer, Datenerfassungssystem, Transmitter oder einer geeigneten Referenzstelle zu verlängern.

Auch wenn die verwendeten Leiterwerkstoffe thermoelektrisch gleichwertig sind, liegt die zulässige Einsatztemperatur der Verlängerungsleitung häufig deutlich unter dem eigentlichen Messbereich des Thermoelements. Leiterklasse, Isolation und Kabelaufbau sind in erster Linie für die Signalverlängerung ausgelegt und nicht automatisch für den direkten Einsatz im Hochtemperaturbereich.

Was ist eine Thermoelement-Ausgleichsleitung?

Eine Thermoelement-Ausgleichsleitung wird auch als Ausgleichskabel bezeichnet.

Im Unterschied zur Verlängerungsleitung müssen ihre Leitermaterialien nicht dieselbe Zusammensetzung wie die Thermoelementwerkstoffe besitzen.

Stattdessen werden Legierungen verwendet, deren thermoelektrisches Verhalten innerhalb eines festgelegten Temperaturbereichs dem jeweiligen Thermoelement ausreichend ähnlich ist.

Die Ausgleichsleitung bildet die thermoelektrischen Eigenschaften des Thermoelements also nicht über dessen gesamten Temperaturbereich nach, sondern nur innerhalb definierter Einsatzgrenzen.

Dieses Konzept ist besonders bei langen Leitungswegen wirtschaftlich, weil sich damit Installationskosten reduzieren lassen, ohne die geforderte Messqualität zu verlieren.

Wird die Ausgleichsleitung jedoch außerhalb ihres spezifizierten Temperaturbereichs eingesetzt, kann die Abweichung zwischen ihrem thermoelektrischen Verhalten und dem des eigentlichen Thermoelements zunehmen und dadurch den Messfehler vergrößern.

Die wichtigsten Unterschiede zwischen Verlängerungsleitung und Ausgleichsleitung

Der entscheidende Unterschied liegt im Leitermaterial und in der Art, wie die erforderlichen thermoelektrischen Eigenschaften erreicht werden.

Die Auswahl darf daher nicht allein anhand von Leitungsquerschnitt, Aussehen oder Steckverbinder erfolgen.

Warum entspricht eine Verlängerungsleitung dem Thermoelement meist genauer?

Das Ausgangssignal eines Thermoelements entsteht aus dem thermoelektrischen Verhalten unterschiedlicher Metalle in einem Temperaturgradienten.

Verwendet eine Verlängerungsleitung dieselben oder thermoelektrisch sehr ähnliche Werkstoffe wie das ursprüngliche Thermoelement, bleibt die thermoelektrische Beziehung entlang des Messkreises weitgehend kontinuierlich.

Auch wenn an der Verbindung zwischen Thermoelement und Verlängerungsleitung gewisse Temperaturunterschiede auftreten, können die zusätzlichen Einflüsse bei korrektem Leitungstyp und richtiger Polarität innerhalb der spezifizierten Grenzen bleiben.

Eine Ausgleichsleitung verwendet dagegen eine andere Materialkombination, um das thermoelektrische Verhalten des Thermoelements anzunähern. Diese Übereinstimmung gilt in der Regel nur innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs.

Bleiben Übergangsstellen und Leitungsumgebung innerhalb dieses Bereichs, ist eine zuverlässige Messung möglich. Außerhalb davon kann die Abweichung zum ursprünglichen Thermoelement zunehmen.

Warum werden Ausgleichsleitungen eingesetzt?

Wenn Verlängerungsleitungen die thermoelektrischen Eigenschaften des Thermoelements genauer weiterführen, warum werden dennoch häufig Ausgleichsleitungen eingesetzt?

Ein wichtiger Grund sind die Kosten.

Einige Thermoelementtypen verwenden vergleichsweise kostspielige Legierungen. Insbesondere bei bestimmten Edelmetall-Thermoelementen würde der Einsatz entsprechender Materialien über mehrere Dutzend oder Hundert Meter die Installationskosten erheblich erhöhen.

In realen Messsystemen befindet sich jedoch meist nur die Messspitze im hohen Prozesstemperaturbereich. Sobald die Leitung die heiße Zone verlässt, ist die Umgebungstemperatur in der Regel deutlich niedriger.

In diesen Bereichen kann eine richtig ausgewählte Ausgleichsleitung die erforderliche thermoelektrische Funktion übernehmen und gleichzeitig die Gesamtkosten der Verkabelung reduzieren.

Daher werden Ausgleichsleitungen häufig in Industrieöfen, Wärmebehandlungsanlagen, Kesseln, chemischen Prozessen, Prozessleitsystemen und großen Produktionsanlagen eingesetzt.

Jeder Thermoelementtyp benötigt die passende Leitung

Thermoelementtypen wie K, J, T, E, N, R und S verwenden unterschiedliche Metallkombinationen und besitzen jeweils eine eigene Thermospannungs-Temperatur-Kennlinie.

Deshalb können sie nicht mit derselben Verlängerungs- oder Ausgleichsleitung betrieben werden.

In gängigen Bezeichnungssystemen kennzeichnet der Buchstabe X häufig Verlängerungsleitungen, beispielsweise KX, JX oder TX. Für bestimmte Ausgleichsleitungen werden Bezeichnungen mit C verwendet, beispielsweise KCA oder KCB, abhängig vom jeweiligen Klassifizierungssystem.

Für die Auswahl sollten immer die Leitungskennzeichnung, Herstellerdaten und die zugrunde liegende technische Spezifikation herangezogen werden.

Die Isolationsfarbe kann die Identifikation erleichtern, sollte jedoch nicht das einzige Kriterium sein, da Farbkennzeichnungen je nach Region, Regelwerk und Hersteller unterschiedlich sein können.

Warum ist der Temperaturbereich der Leitung so wichtig?

Die Eigenschaften von Verlängerungs- und Ausgleichsleitungen gelten nur innerhalb definierter Temperaturgrenzen.

Bei Ausgleichsleitungen ist dies besonders wichtig, da deren thermoelektrische Übereinstimmung mit dem zugehörigen Thermoelement nur in einem festgelegten Bereich garantiert werden kann.

Wird eine für moderate Temperaturen vorgesehene Ausgleichsleitung direkt an einer Ofenwand, Heizvorrichtung oder einem anderen zu heißen Bereich installiert, kann nicht nur die Isolation überlastet werden. Auch die thermoelektrischen Eigenschaften können außerhalb der zulässigen Toleranz liegen.

Mögliche Folgen sind:
● Systematische Temperaturabweichungen;
● Messwertdrift bei Änderungen der Umgebungstemperatur;
● Unterschiedliche Abweichungen während Aufheiz- und Abkühlvorgängen;
● Gute Ergebnisse bei der Kalibrierung, aber deutliche Fehler nach der Installation.

Bei der Auswahl müssen deshalb sowohl der zulässige thermoelektrische Einsatztemperaturbereich als auch die Temperaturbeständigkeit der Isolation berücksichtigt werden.

Diese beiden Angaben sind nicht identisch.

Was passiert bei vertauschter Polarität?

Verlängerungs- und Ausgleichsleitungen besitzen einen definierten Plus- und Minusleiter.

Werden diese vertauscht, wirkt die Thermospannung des verlängerten Leitungsabschnitts in die falsche Richtung.

Die Größe des daraus entstehenden Fehlers hängt von der Temperaturdifferenz zwischen Übergangsstelle und Geräteanschluss ab. Bei kleinen Temperaturdifferenzen kann die Abweichung gering sein, bei größeren Temperaturgradienten jedoch deutlich ansteigen.

Das Problem ist nicht immer sofort erkennbar, weil das Messgerät häufig weiterhin einen scheinbar plausiblen Temperaturwert anzeigt.

Bei der Installation sollten deshalb folgende Punkte geprüft werden:
● Richtiger Thermoelementtyp;
● Richtiger Verlängerungs- oder Ausgleichsleitungstyp;
● Plus an Plus;
● Minus an Minus;
● Keine ungeeigneten zusätzlichen Fremdmetallübergänge;
● Passende Thermoelementeinstellung am Messgerät.

Führt eine längere Leitung automatisch zu größerem Messfehler?

Nicht unbedingt.

Ein Thermoelement basiert auf Thermospannung und nicht primär auf der Messung des Leitungswiderstands. Deshalb entsteht bei einer korrekt spezifizierten Verlängerungs- oder Ausgleichsleitung nicht automatisch ein fester zusätzlicher Temperaturfehler pro Meter.

Wenn Leitungstyp und Polarität stimmen, die Verbindungen zuverlässig sind und der vorgesehene Temperaturbereich eingehalten wird, können auch längere Leitungswege zuverlässige Messergebnisse liefern.

Mit zunehmender Leitungslänge können jedoch andere Einflüsse wichtiger werden:
● Höherer Leiterwiderstand;
● Größere Empfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen;
● Mehr potenzielle Verbindungsstellen;
● Höheres Risiko von Isolationsalterung;
● Größere Empfindlichkeit gegenüber Erdpotenzialen und Gleichtaktstörungen;
● Störeinflüsse bei paralleler Verlegung zu Leistungskabeln.

Bei langen Thermoelementleitungen müssen daher Schirmung, Erdung, Leitungsführung und Anschlussqualität sorgfältig geplant werden.

Wann darf Kupferleitung in einem Thermoelement-Messsystem verwendet werden?

Kupferleiter sind in Thermoelement-Messsystemen nicht grundsätzlich ausgeschlossen. Entscheidend ist, an welcher Stelle der Übergang von Thermoelementwerkstoffen zu Kupfer erfolgt und ob diese Stelle kontrolliert wird.

Moderne Thermoelement-Thermometer, Datenerfassungssysteme und Temperaturtransmitter verfügen üblicherweise über eine Kaltstellenkompensation an ihren Eingängen.

Die Verlängerungs- oder Ausgleichsleitung sollte daher bis zum dafür vorgesehenen Thermoelementeingang des Geräts geführt werden.

Innerhalb des Geräts können Kupferleiter und elektronische Schaltungen verwendet werden, weil das Messgerät die Temperatur der Referenzstelle erfasst und das Thermoelementsignal entsprechend kompensiert.

Probleme entstehen vor allem dann, wenn im Feld frühzeitig auf gewöhnliche Kupferleitung gewechselt wird und diese Übergangsstelle einem unbekannten oder wechselnden Temperaturgradienten ausgesetzt ist.

Die präzisere Regel lautet daher: Der Übergang von Thermoelementmaterial zu Kupfer sollte an einer Referenzstelle erfolgen, deren Temperatur vom Messsystem korrekt kompensiert werden kann.

Wie wählt man Verlängerungs- oder Ausgleichsleitungen aus?

Bei der Auswahl sollten insbesondere folgende Punkte geprüft werden.

● Thermoelementtyp: Zunächst feststellen, ob Typ K, J, T, E, N, R, S oder ein anderer Typ verwendet wird;
● Leitungsklasse: Verlängerungs- oder Ausgleichsleitung entsprechend Genauigkeit, Temperaturbedingungen und Systemanforderungen auswählen;
● Umgebungstemperatur: Sowohl den thermoelektrisch zulässigen Bereich als auch die Temperaturbeständigkeit der Isolation prüfen;
● Leitungslänge: Bei langen Strecken Leiterwiderstand, Störfestigkeit und mechanische Anforderungen berücksichtigen;
● Isolationsmaterial: Abhängig von der Umgebung beispielsweise PVC, Glasfaser, PTFE, Silikon oder andere geeignete Materialien wählen;
● Schirmung: In der Nähe von Frequenzumrichtern, Motoren, leistungsstarken Heizelementen oder Netzkabeln sind elektromagnetische Störungen besonders zu beachten;
● Mechanische Belastung: Bewegte Maschinen, Energieketten, Vibrationen und feste Verlegung stellen unterschiedliche Anforderungen an Flexibilität und Robustheit;
● Polaritätskennzeichnung: Vor der Montage Leiterfarbe, Anschlusskennzeichnung und Polarität prüfen.

Wann ist eine Verlängerungsleitung besonders geeignet?

Eine Verlängerungsleitung ist häufig die bevorzugte Lösung, wenn eine hohe Messqualität gefordert wird oder die verlängerte Messstrecke die thermoelektrischen Eigenschaften des ursprünglichen Thermoelements möglichst genau beibehalten soll.

Typische Anwendungen sind:
● Temperaturmessungen im Labor;
● Kalibrier- und Prüfaufbauten;
● Forschungs- und Entwicklungssysteme;
● Präzise industrielle Prozessüberwachung;
● Verbindungen zwischen Thermoelementen und Datenerfassungssystemen;
● Anwendungen mit Temperaturänderungen im Bereich der Anschlussstellen.

Die endgültige Auswahl sollte dennoch immer auf Thermoelementtyp, Genauigkeitsanforderung, Leitungsklasse und Installationsbedingungen abgestimmt werden.

Wann ist eine Ausgleichsleitung sinnvoll?

Ausgleichsleitungen eignen sich besonders für längere Leitungswege, wenn die Leitungsumgebung innerhalb des vorgeschriebenen Ausgleichstemperaturbereichs gehalten werden kann.

Typische Anwendungen sind:
● Industrieöfen und Wärmebehandlungsanlagen;
● Kesselüberwachung;
● Chemische Prozessanlagen;
● HVAC- und größere elektromechanische Systeme;
● Industrielle Schaltschränke;
● Temperaturüberwachung in Produktionslinien;
● Mehrkanalige Temperaturerfassung;
● Fabrikautomatisierung mit umfangreicher Festverkabelung.

In solchen Anwendungen bietet eine richtig ausgewählte Ausgleichsleitung einen guten Kompromiss zwischen Messleistung und Installationskosten.

FAQ

Sind Thermoelement-Verlängerungsleitung und Ausgleichsleitung dasselbe?
Nein. Beide verlängern den Thermoelementkreis. Verlängerungsleitungen verwenden in der Regel gleiche oder thermoelektrisch gleichwertige Materialien, während Ausgleichsleitungen andere Legierungen verwenden, die nur innerhalb eines definierten Temperaturbereichs ein ähnliches thermoelektrisches Verhalten aufweisen.

Kann ein Thermoelement Typ K mit einer Verlängerungsleitung für Typ J betrieben werden?
Nein. Jeder Thermoelementtyp besitzt eine eigene Thermospannungs-Temperatur-Kennlinie und benötigt die passende Leitung.

Kann ein Thermoelement direkt an normale Kupferleitung angeschlossen werden?
Ein unkontrollierter Übergang im Feld sollte vermieden werden. Befinden sich die Kupferübergänge auf unterschiedlichen Temperaturen, können zusätzliche Thermospannungen entstehen. Die Thermoelementleitung sollte normalerweise bis zum Eingang mit Kaltstellenkompensation geführt werden.

Verschlechtert eine Ausgleichsleitung die Messgenauigkeit?
Bei korrekter Auswahl, richtiger Polarität und Einsatz innerhalb des spezifizierten Temperaturbereichs kann eine geeignete Ausgleichsleitung die geforderten Toleranzen einhalten. Falscher Leitungstyp, vertauschte Polarität oder zu hohe Temperatur können dagegen deutliche Messfehler verursachen.

Kann eine Verlängerungsleitung direkt im Hochtemperaturofen eingesetzt werden?
Normalerweise nicht. Verlängerungsleitungen sind für die Verlängerung des Messkreises vorgesehen und ihre Isolation sowie Leiterklasse sind nicht automatisch für dieselben Temperaturen wie der eigentliche Thermoelementfühler geeignet.

Können Verlängerungs- und Ausgleichsleitung miteinander kombiniert werden?
In technisch korrekt ausgelegten Systemen sind Übergänge möglich, sofern Materialeigenschaften, Temperaturgrenzen und Polarität eingehalten werden. Unnötige Übergangsstellen sollten jedoch vermieden werden.

Wie lässt sich erkennen, ob eine Leitung eine Verlängerungs- oder Ausgleichsleitung ist?
Am zuverlässigsten anhand der Typkennzeichnung, Thermoelementzuordnung, Leitungsklasse und Herstellerdokumentation. Die Isolationsfarbe allein reicht nicht aus.

Beeinflusst die Leitungslänge die Messgenauigkeit eines Thermoelements?
Eine korrekt ausgewählte Leitung verursacht nicht allein aufgrund ihrer Länge einen festen Temperaturfehler. Längere Leitungen können jedoch Widerstand, elektromagnetische Störungen und Anschlussrisiken erhöhen, weshalb Leitungsführung, Schirmung und Erdung sorgfältig ausgeführt werden sollten.

Fazit

Thermoelement-Verlängerungsleitungen und Ausgleichsleitungen übertragen beide die geringe Thermospannung vom Messpunkt zum Thermometer, Temperaturtransmitter, Datenerfassungssystem oder Prozessregler.

Der entscheidende Unterschied liegt nicht nur in der Bezeichnung, sondern in den Leitermaterialien und der Art der thermoelektrischen Anpassung.

Verlängerungsleitungen verwenden in der Regel Werkstoffe, die dem zugehörigen Thermoelement entsprechen oder thermoelektrisch gleichwertig sind. Dadurch folgen sie dessen Verhalten besonders eng. Ausgleichsleitungen verwenden dagegen andere Werkstoffkombinationen, die das gewünschte thermoelektrische Verhalten innerhalb eines begrenzten Temperaturbereichs nachbilden und dadurch insbesondere bei langen Industrieverkabelungen eine wirtschaftliche Lösung ermöglichen.

Unabhängig vom gewählten Leitungstyp müssen Thermoelementtyp, Leitungsklasse, zulässiger Temperaturbereich, Polarität, Isolation und Installationsumgebung geprüft werden. Bei langen Leitungswegen sind zusätzlich Schirmung, Erdung, elektromagnetische Störungen und die Qualität aller Verbindungsstellen zu berücksichtigen.

Eine zuverlässige Thermoelementmessung entsteht erst durch das Zusammenspiel von richtigem Sensor, passender Verlängerungs- oder Ausgleichsleitung und korrekter Kaltstellenkompensation. Fehler in einem dieser Bereiche können sich unmittelbar als Temperaturmessfehler bemerkbar machen.