Leitungen für Thermoelemente sind ein Bestandteil des Messkreises. Die Legierungen, aus denen sie bestehen, erzeugen ihrerseits eine Spannung, die sich zum Signal des Sensors addiert und vom Messgerät als Bestandteil des Temperatursignals erfasst wird. Daraus ergeben sich die beiden wichtigsten Produktgruppen: die Verlängerungsleitung, die aus denselben Legierungen wie das Thermoelement besteht, und die Ausgleichsleitung, die aus Ersatzlegierungen gefertigt wird, deren thermoelektrische Kennlinie innerhalb eines begrenzten Temperaturbereichs derjenigen des Thermoelements entspricht.
Werden die beiden Leitungstypen miteinander verwechselt, kann dies zu Messabweichungen von mehreren Grad führen, obwohl der angezeigte Wert weiterhin plausibel erscheint. Ein Alarm erkennt diesen Fehler daher nicht zwangsläufig. Kurz gesagt: Verläuft die Leitung durch Bereiche mit hohen Umgebungstemperaturen oder außerhalb des zulässigen Temperaturbereichs der Ersatzlegierung, ist eine Verlängerungsleitung erforderlich. Ausgleichsleitungen sind dagegen insbesondere bei Edelmetall-Thermoelementen und bei Leitungsabschnitten vorteilhaft, die nahe der Umgebungstemperatur betrieben werden.
Eine Verlängerungsleitung verwendet dieselben Werkstoffe wie das Thermoelement. Eine Ausgleichsleitung besteht dagegen aus anderen Legierungen, die so ausgewählt werden, dass sie innerhalb eines festgelegten Temperaturbereichs eine vergleichbare Thermospannung erzeugen. Außerhalb dieses Bereichs nimmt die Übereinstimmung ab und der Messfehler steigt, ohne dass dies unmittelbar erkennbar ist.
Der wirtschaftliche Vorteil von Ausgleichsleitungen ergibt sich aus den verwendeten Werkstoffen. Bei Platin-Thermoelementen, also den Typen R, S und B, wäre eine Verlängerung mit denselben Legierungen teilweise teurer als der Sensor selbst. Beim Typ K sind beide Lösungen möglich; die Auswahl hängt davon ab, durch welche Temperaturbereiche die Leitung geführt wird. Beim Typ J stellt sich diese Frage dagegen nicht, da die Norm ausschließlich die Verlängerungsleitung JX vorsieht: Eisen und Konstantan sind vergleichsweise kostengünstig, sodass der Einsatz von Ersatzlegierungen keinen relevanten wirtschaftlichen Vorteil bietet.
Im Caviterm-Sortiment sind die beiden Produktgruppen getrennt aufgeführt: Ausgleichsleitungen für Thermoelemente auf der einen und Verlängerungsleitungen für Thermoelemente auf der anderen Seite.
Die auf dem Leitungsmantel aufgedruckte Kennzeichnung liefert nahezu alle Informationen, die zur Identifizierung erforderlich sind. Der erste Buchstabe bezeichnet den Thermoelementtyp: J, K, T, E und N für unedle Thermopaare sowie R, S und B für Thermoelemente auf Platinbasis.
Ein nachgestelltes X kennzeichnet eine Verlängerungsleitung, beispielsweise JX oder KX. Der Buchstabe C steht für eine Ausgleichsleitung und wird von einem zweiten Buchstaben ergänzt, der die verwendete Kombination der Ersatzlegierungen bezeichnet. KCA und KCB sind beispielsweise zwei unterschiedliche Ausgleichsleitungen für dasselbe Thermoelement vom Typ K.
Diese Kennzeichnungen sind nicht untereinander austauschbar. KCB ist beispielsweise für Leitungstemperaturen zwischen 0 und 100 °C vorgesehen. Verläuft die Leitung entlang eines Ofens oder innerhalb eines warmen Schaltschranks, kann dieser Temperaturbereich überschritten werden. KX ist dagegen für Temperaturen von -25 °C bis +200 °C geeignet.
Ein häufig übersehener Punkt ist, dass die Leitung passend zum Sensor und nicht zum Messgerät ausgewählt werden muss. Wird beispielsweise eine Thermoelementleitung Typ J an ein Thermoelement vom Typ K angeschlossen, folgt das Signal einer anderen thermoelektrischen Kennlinie. Das Display kann trotzdem weiterhin einen scheinbar plausiblen Wert anzeigen.
Die Toleranz wird separat für das Thermoelement und für die Leitung angegeben. Beide Beiträge wirken sich auf die Gesamtmessabweichung aus.
Für Thermoelemente gilt IEC 60584-1. Klasse 1 erlaubt den jeweils größeren Wert aus 1,5 °C oder 0,4 % der gemessenen Temperatur. Bei Klasse 2 gilt der größere Wert aus 2,5 °C oder 0,75 %. Bei einem Ofen mit einer Betriebstemperatur von 600 °C ist der Unterschied deutlich: 2,4 °C gegenüber 4,5 °C. Klasse 3 ist lediglich für bestimmte Thermoelementtypen bei niedrigen Temperaturen vorgesehen und gilt nicht für Typ J.
Für die Leitungen gilt dagegen IEC 60584-3. Sie sieht 1,5 °C für Klasse 1 und 2,5 °C für Klasse 2 vor, sofern die Leitung innerhalb ihres festgelegten Einsatztemperaturbereichs betrieben wird. Ausgleichsleitungen sind ausschließlich in Klasse 2 vorgesehen. Dieselben Klassen gelten auch für die Thermoelementleitung Typ K, den in Industrieanlagen am weitesten verbreiteten Thermoelementtyp.
Werden ein Sensor der Klasse 2, eine Leitung der Klasse 2 und die Messunsicherheit des Messgeräts gemeinsam betrachtet, kann ein vollständiger Messkreis eine Abweichung von rund sieben Grad erreichen, obwohl alle einzelnen Komponenten innerhalb der jeweils zulässigen Toleranzen liegen. Auf einer Extrusionslinie können sieben Grad den Unterschied zwischen einem einwandfreien und einem auszusondernden Profil ausmachen. Die Toleranzklasse ist daher kein Detail, das ausschließlich dem Einkauf überlassen werden sollte.
Nach IEC 60584-3 ist der negative Leiter immer weiß, während der Mantel die Farbe des positiven Leiters übernimmt.
| Typ | Positiv | Negativ | Mantel |
|---|---|---|---|
| J | schwarz | weiß | schwarz |
| K | grün | weiß | grün |
| T | braun | weiß | braun |
| E | violett | weiß | violett |
| N | rosa | weiß | rosa |
| R und S | orange | weiß | orange |
Der nordamerikanische Standard ANSI MC 96.1 verwendet dagegen eine andere Farbkennzeichnung: Der negative Leiter ist immer rot. Bei importierten Maschinen ist diese Kennzeichnung häufig anzutreffen. Wird die Polarität anhand des falschen Farbschemas bestimmt, besteht daher die Gefahr, die Anschlüsse zu vertauschen.
Darüber hinaus sind in älteren Anlagen teilweise noch frühere nationale Farbcodes zu finden. Bei Leitungen unbekannter Herkunft sollte die Zuordnung der Leiter deshalb immer überprüft werden. Bei Typ K lässt sich die Polarität schnell mit einem Magneten kontrollieren: Der negative Leiter ist magnetisch, der positive dagegen nicht.
Eine vollständige Übersicht bietet der Leitfaden zu den Farben von Thermoelementleitungen sowie die Tabelle der Thermoelementleitungen mit Kennzeichnungen und Temperaturbereichen.
Einer der häufigsten Fehler besteht darin, das Thermoelement mit einer gerade verfügbaren Leitung aus dem Lager zu verlängern. Wird beispielsweise ein Abschnitt aus Kupferleitung eingesetzt, entstehen an der Klemmleiste zwei zusätzliche Übergangsstellen. Diese wirken wie parasitäre Thermoelemente und erzeugen eine zusätzliche Thermospannung.
Solange sich die Klemmleiste etwa auf Umgebungstemperatur befindet, kann der dadurch verursachte Fehler gering bleiben. Steigt die Temperatur im Schaltschrank jedoch beispielsweise auf 50 °C, kann die Messabweichung deutlich zunehmen.
Ein weiterer häufiger Fehler ist eine vertauschte Polarität. Sie lässt sich meist daran erkennen, dass der angezeigte Temperaturwert sinkt, während sich der Prozess tatsächlich erwärmt.
Auch die Steckverbinder müssen berücksichtigt werden. Ein Thermoelement-Steckverbinder muss aus den passenden Thermowerkstoffen gefertigt sein. Andernfalls wird die thermoelektrische Messkette genau an der Stelle unterbrochen, an der sie äußerlich scheinbar durchgehend weitergeführt wird.
Ebenso entscheidend ist die Leitungsführung. Verläuft eine Signalleitung parallel zu einer Leistungsleitung, können elektromagnetische Störungen eingekoppelt werden. Da Thermoelemente lediglich Signale im Bereich von wenigen zehn Mikrovolt pro Grad erzeugen, können solche Störungen unmittelbar auf der Anzeige sichtbar werden.
Eine verdrillte Leitung und ein einseitig geerdeter Schirm reichen in den meisten Anlagen aus. Ist dies nicht ausreichend, sollte zunächst die Leitungsführung überprüft werden, bevor die Leitung selbst ausgetauscht wird. Weitere Informationen hierzu enthält der Beitrag über Störungen in elektrischen Leitungen.
Caviterm produziert seit 1981 Thermoelementleitungen in Provaglio d’Iseo, Italien. Zum Einsatz kommen unter anderem Legierungen der Klassifizierung Special ½ Toleranz. Ein entsprechend organisierter Lagerbestand ermöglicht zudem eine schnelle Lieferbereitschaft.
Das Sortiment umfasst sowohl Verlängerungs- als auch Ausgleichsleitungen für die gängigsten Thermoelementtypen. Zur Verfügung stehen unterschiedliche Isolierwerkstoffe von PVC bis Glasfaser sowie Standardausführungen für Betriebstemperaturen von bis zu 400 °C. Das Qualitätsmanagementsystem von Caviterm ist nach ISO 9001:2015 zertifiziert.
Wenn eine Standardleitung für die jeweilige Anwendung nicht ausreicht, entwickelt die technische Abteilung Lösungen nach Kundenspezifikation. Dazu gehören beispielsweise die Nachfertigung einer nicht mehr verfügbaren Leitung auf Grundlage eines Musters, spezielle Schirmungen oder Ausführungen mit einer von der Standardkonfiguration abweichenden Anzahl an Aderpaaren.
Als Ausgangspunkt steht die vollständige Produktpalette der Thermoelementleitungen zur Verfügung. Auf Grundlage der Anlagen- und Betriebsdaten kann anschließend gemeinsam mit der technischen Abteilung die geeignete Lösung bestimmt werden.
Nein. Thermoelemente bestehen aus unterschiedlichen Legierungspaaren. Dadurch unterscheiden sich unter anderem Messbereich, Empfindlichkeit und Beständigkeit gegenüber verschiedenen Prozessatmosphären. Ein Thermoelement vom Typ J und eines vom Typ K erzeugen bei derselben Temperatur unterschiedliche Spannungen und liefern daher bei Anschluss an dasselbe Messgerät unterschiedliche Messwerte.
Typ J besteht aus Eisen und Konstantan, ist für Temperaturen bis etwa 750 °C geeignet und vergleichsweise kostengünstig. Typ K besteht aus Nickel-Chrom und Nickel-Aluminium, kann bis etwa 1.200 °C eingesetzt werden und weist eine bessere Beständigkeit in oxidierenden Atmosphären auf.
Die Leitung muss entsprechend ausgewählt werden: JX für Typ J sowie KX oder eine geeignete Ausgleichsleitung für Typ K.
Bei einem Thermoelement vom Typ K besteht der positive Leiter aus Nickel-Chrom und der negative Leiter aus Nickel-Aluminium. Typ K gehört aufgrund seines großen Messbereichs und seiner vergleichsweise geringen Kosten gegenüber Platin-Thermoelementen zu den am häufigsten eingesetzten Thermoelementen in industriellen Anwendungen.
Ein Thermistor ist ein Halbleiterbauelement, dessen elektrischer Widerstand sich mit der Temperatur verändert. Er arbeitet typischerweise über einen vergleichsweise begrenzten Temperaturbereich und bietet eine hohe Empfindlichkeit.
Ein Thermoelement erzeugt dagegen eine Thermospannung und kann über wesentlich größere Temperaturbereiche eingesetzt werden, einschließlich Temperaturen von über 1.000 °C. Seine Empfindlichkeit ist im Vergleich geringer.
Nicht ohne zusätzliche Messfehler. An den Stellen, an denen die Kupferleiter auf die Thermoelementlegierungen treffen, entstehen zusätzliche Übergangsstellen. Diese erzeugen eine eigene Thermospannung. Der daraus resultierende Fehler steigt insbesondere dann an, wenn sich die Temperatur der Klemmstelle erhöht.
Nach IEC 60584-3 ist der negative Leiter weiß. Nach ANSI ist er rot. Ist die Kennzeichnung der Leitung nicht mehr eindeutig lesbar, lässt sich bei Typ K der negative Leiter zusätzlich mit einem Magneten bestimmen: Er ist magnetisch.
