Wie funktioniert ein Thermoelement?

Thermoelemente sind Temperaturmessgeräte, bei denen ein Thermoelementdrahtpaar – also zwei Drähte aus unterschiedlichen Materialien – als Messfühler dient. Zusätzlich zum eigentlichen Thermoelement gehören Verbindungsleitungen, die die Messstelle mit einem Referenzpunkt oder den Anschlüssen verbinden.

Ein Ende des Thermoelements befindet sich an der Messstelle, während die freien Enden auf der anderen Seite als Anschlüsse ausgeführt sind. Dort wird die durch den thermoelektrischen Effekt erzeugte Spannung gemessen.

Thermoelementanschluss

In den meisten Fällen wird ein Thermoelement über spezielle Anschlussleitungen mit einem Messgerät verbunden. Dabei unterscheidet man zwischen Verlängerungsleitungen und Ausgleichsleitungen.

Ausgleichsleitung – was ist das?

Ausgleichsleitungen dienen dazu, Thermoelemente mit Messgeräten zu verbinden. Sie bestehen aus Materialien, die im gültigen Temperaturbereich gemäß DIN EN 60584 die gleichen elektrischen Eigenschaften wie das jeweilige Thermoelement aufweisen. Dadurch wird verhindert, dass sich die Messung verfälscht. Für ein Thermoelement vom Typ K werden Ausgleichsleitungen beispielsweise aus folgenden Leiterpaaren hergestellt: Fe/Cu‑Ni, Ni/Cr‑Ni oder Pt‑Rh/Pt.

Eine Ausgleichsleitung besteht aus einem „+“- und einem „–“-Leiter, die bei Verbindungstemperaturen bis zu 200 °C dieselbe thermoelektrische Spannung erzeugen wie das Thermoelement selbst.

Ausgleichskabel – Bezeichnungen

Ausgleichsleitungen sind mit unterschiedlichen Isolierungen, Schutzmänteln und Leiterpaaren erhältlich. Zur eindeutigen Identifikation werden sie mit einem Farbcode sowie einer Buchstabenkennzeichnung versehen. Die Buchstaben haben folgende Bedeutung:

• 1. Buchstabe: Kennzeichnung des Thermoelementtyps gemäß Norm.

• 2. Buchstabe:

  • X = Leiter aus dem gleichen Material wie das Thermoelement
  • C = Leiter aus Spezialmaterial

• 3. Buchstabe: Wird verwendet, wenn es mehrere Varianten eines Ausgleichsleitertyps gibt.

Beispiel:

KX: Ausgleichsleitung für NiCr-Ni-Thermoelement vom Typ K, hergestellt aus dem gleichen Material wie das Thermoelement.

RCA: Ausgleichsleitung für ein PtRh‑Pt‑Thermoelement vom Typ R, gefertigt aus Spezialmaterial Typ A.

Toleranzklasse von Ausgleichsleitungen für Temperaturmessungen

Für Ausgleichsleitungen sind zwei Toleranzklassen definiert: Klasse 1 und Klasse 2. Die Toleranzklasse 1 kann nur bei Ausgleichsleitungen erreicht werden, die aus dem gleichen Material wie das Thermoelement bestehen (Kennzeichnung X).

Ausgleichsleitungen der Toleranzklasse 2 werden in der Regel standardmäßig geliefert.

Der Anwendungstemperaturbereich gibt an, welcher Temperatur das gesamte Ausgleichskabel, einschließlich der Anschlüsse zum Thermoelement, ausgesetzt werden darf, ohne dass die in der Tabelle definierten Toleranzen überschritten werden.

Da die Thermoelementspannung nichtlinear verläuft, beziehen sich die angegebenen Grenzabweichungen in mV oder °C immer auf die in der rechten Spalte angegebene Messtemperatur.

Konkret bedeutet das beispielsweise:

Ein Thermoelement vom Typ J ist mit einer Ausgleichsleitung JX, Toleranzklasse 2 verbunden.
Wenn die Messtemperatur 500 °C beträgt und die Temperatur an den Anschlüssen bzw. die Temperatur der Ausgleichsleitung zwischen –25 °C und +200 °C schwankt, kann die Anzeige um maximal 2,5 °C variieren.
Die Toleranz der Temperaturanzeige eines Thermoelements vom Typ J, das über eine Ausgleichsleitung vom Typ JX der Klasse 2 angeschlossen ist, beträgt ±2,5 °C.

Was ist der Unterschied zwischen Ausgleichskabeln und Verlängerungskabeln?

Ausgleichsleitungen und Verlängerungsleitungen (thermoelektrische Leitungen) sind Komponenten eines Messsystems, das einen Thermoelementsensor mit einem Messgerät wie einem Regler, Temperaturaufzeichner oder Anzeigegerät verbindet.

Der Hauptunterschied besteht darin, dass Ausgleichsleitungen aus Ersatzmaterialien hergestellt werden, die die gleichen thermoelektrischen Eigenschaften wie das Thermoelement besitzen, während Verlängerungsleitungen aus denselben Materialien bestehen wie das Thermoelement selbst.

Ausgleichskabel – Verwendungszweck

Die an den Enden eines Thermoelements entstehende Spannung ist proportional zur Temperaturdifferenz zwischen der Messstelle und der Referenztemperatur. In den Normen sind die Eigenschaften von Thermoelementen für eine Referenztemperatur von 0 °C angegeben. Nur bei diesem Wert können Messanordnungen ohne Korrektur der Messwerte betrieben werden.

Unter Laborbedingungen lässt sich eine Referenztemperatur von 0 °C erreichen, indem der Referenzpunkt in Eiswasser gehalten wird. Bei industriellen Anwendungen ist dies jedoch nicht möglich, da die Temperatur im Bereich der Anschlussstelle ständig schwankt.

Dieses Problem wird durch Ausgleichsleitungen gelöst: Sie verlagern die Referenzstelle an einen Ort, an dem die Umgebungstemperatur wesentlich stabiler ist und nur geringe Schwankungen aufweist.

Ausgleichsleitungen – Farbcodierung

Für Thermoelemente nach DIN EN 60584 gilt folgende Regel:Der positive Leiter (+) hat dieselbe Farbe wie die Kabelummantelung, während der negative Leiter (–) weiß ist.

Für die „alten“ Thermoelementtypen U und L nach DIN 43 713 gelten jedoch abweichende Farbkennzeichnungen.

Eine Ausnahme bilden eigensichere Stromkreise in explosionsgefährdeten Bereichen: Wenn die Leitungen farbig ausgeführt sind, ist die Ummantelung aller Ausgleichsleitungen hellblau, während die Farben der Innenleiter weiterhin den jeweiligen Farbcodes entsprechen. Die historische blaue Kennfarbe des Cu‑CuNi‑Thermoelements gemäß DIN 43 713 ist dagegen dunkelblau.

Bitte beachten Sie, dass die Farbcodierung je nach Norm variieren kann.

JUMO-Thermoelementkennzeichnungen – Beispiel

Beispiel für die Kennzeichnung mit grüner Farbe des Thermoelementtyps K:

Ausgleichsleitungen für Thermoelemente

Ausgleichsleitung für Thermoelement Typ K

Das Einschraubthermoelement vom Typ K oder L mit Ausgleichsleitung von JUMO ist in verschiedenen Ausführungen erhältlich und kann je nach Version mit einer Silikon‑Ausgleichsleitung oder einer Leitung mit Metallgeflecht geliefert werden. Je nach Bauart eignen sich diese Ausgleichsleitungen für den Einsatz in trockenen und feuchten Bereichen und decken einen Temperaturbereich von –20 bis +350 °C ab.