Thermoelementkabel – Betriebseigenschaften

Inhalt

1. Eigenschaften von Thermoelementkabeln
2. Verlängerungsleitungen
3. Ausgleichsleitungen
4. Leitungswiderstand
5. Isolationsarten
6. Farbkennzeichnung und Spezifikation
7. Zusammenfassung

Eigenschaften von Thermoelementkabeln

In vielen Thermoelementinstallationen ist es erforderlich, eine lange Leitung zwischen der Messstelle und einer entfernten Mess- oder Referenzeinrichtung zu verlegen. Die Verwendung hochwertigen Thermoelementdrahts über die gesamte Länge kann jedoch unnötig teuer und aufwendig sein. Idealerweise möchte man eine kostengünstigere Leitung anschließen, die die Messgenauigkeit nicht beeinträchtigt und zugleich der üblichen Thermoelementpraxis folgt, nur die Temperaturen an der Heißstelle und an der Referenzstelle zu berücksichtigen.

Hierfür muss die zusätzliche Leitung thermoelektrische Eigenschaften besitzen, die denen des Thermoelements sehr nahekommen. Thermo- und Ausgleichsleitungen sind genau für diesen Zweck ausgelegt. Beide bieten eine praktische Lösung mit unterschiedlichen Abwägungen hinsichtlich Genauigkeit, Kosten und Einsatzbereich.

Thermoleitungen  werden mit denselben Metallleitern hergestellt wie das Thermoelement, für das sie bestimmt sind. Dadurch weisen sie ähnliche thermoelektrische Eigenschaften auf und minimieren Fehlanpassungen – selbst wenn Abzweigdosen oder Zwischenverbindungen unterschiedlichen Umgebungstemperaturen ausgesetzt sind.

Sie sind zwar günstiger als durchgehend verwendeter Thermoelementdraht, verursachen jedoch dennoch mittlere Kosten. Üblicherweise sind sie in flexiblen oder mehradrigen Ausführungen für lange Strecken erhältlich und werden für höchste Genauigkeit empfohlen.

Ausgleichsleitungen sind eine kostengünstigere Alternative. Anstelle identischer Metalle kommen alternative Legierungen zum Einsatz, deren thermoelektrisches Verhalten dem des zugehörigen Thermoelements ähnlich, aber nicht identisch ist. Dies senkt die Kosten, bedeutet aber auch, dass die Verbindungsstelle zwischen Thermoelement und Ausgleichsleitung innerhalb eines begrenzten Temperaturbereichs bleiben muss. Wird dieser Bereich überschritten, nehmen Fehlanpassungen zu und die Genauigkeit wird beeinträchtigt.

Ausgleichsleitungen sind besonders zur Verlängerung teurer Thermoelementtypen nützlich, etwa von platinbasierten Sensoren oder dickdrähtigen Thermoelementen, wie sie in Industrieöfen oder nuklearen Umgebungen eingesetzt werden. In solchen Fällen bieten sie eine leichte und kostengünstige Lösung, die die Installation vereinfacht, ohne dass dabei zu viel Genauigkeit eingebüßt wird – vorausgesetzt, die Umgebungsbedingungen sind kontrolliert.

Ein häufiges Beispiel ist der Einsatz einer Cu/Cu-Ni-Ausgleichsleitung mit einem Thermoelement des Typs K bei niedrigen Temperaturen. Da Kupfer bereits einer der Leiter ist, verringert sich die Anzahl der Referenzstellen, was die Verdrahtung bei Mehrpunktmessungen vereinfacht. Zudem weisen diese Leitungen im Vergleich zu Standard-Thermoleitungen des Typs K meist einen geringeren Schleifenwiderstand auf.

⚠️ Hinweis : Um Temperaturmessfehler zu vermeiden, ist es entscheidend sicherzustellen, dass der Klemmenkasten bzw. die Verbindungsstelle, an der Thermoelement und Ausgleichsleitung zusammentreffen, innerhalb des spezifizierten Temperaturtoleranzbereichs bleibt. Driftet die Temperatur außerhalb dieses Bereichs, kann eine thermoelektrische Fehlanpassung das Ausgangssignal verfälschen.

Leitungswiderstand

Um die Signalqualität über lange Strecken sicherzustellen, ist der Schleifenwiderstand zu berücksichtigen. Hersteller geben für Verlängerungs- und Ausgleichsleitungen Widerstandswerte an, die für jeden Thermoelementtyp spezifisch sind. Diese Werte werden üblicherweise in Ohm pro Meter für eine Doppelader angegeben und aus einer Konstante berechnet, die durch die Querschnittsfläche des Leiters geteilt wird (siehe Tabelle 3.1).

Widerstand in Ohm/Meter der gängigen Kombinationen von Thermo- und Ausgleichsleitungen bei 20 °C 
Um die Schleifenwiderstände für Doppeladerläufe pro Meter zu erhalten, nehmen Sie die unten angegebenen Konstanten für die gewünschte Kombination und teilen die Konstante durch die Querschnittsfläche in mm² des vorgesehenen Leiterquerschnitts.

Isolationsarten

Die Wahl der Kabelisolierung beeinflusst sowohl die Eignung für Umgebungsbedingungen als auch die Installationsausführung. Wichtige Isolationsarten sind:

1. PVC:
• Temperaturbereich: –30 °C bis +105 °C
• Verfügbare Ausführungen: verdrilltes Paar, Flachpaar oder Multipaar
• Aufbau: Optionale Reißfäden, PVC-Mäntel, Schirmung, Kupfer-Drainadern oder Stahldrahtarmierung
• Leitertypen: massiv oder Litze
2. PFA:
• Temperaturbereich: –273 °C bis +250 °C (kurzzeitig bis 300 °C)
• Ausführungen: Flachpaar oder verdrilltes Paar
• Hinweis: Keine Ausführungen mit Stahldrahtarmierung, Edelstahlgeflecht optional
3. Glasfaser (lackiert und unlackiert):
• Lackiert: –50 °C bis +400 °C
• Unlackiert: bis +500 °C (einige Typen bis +800 °C)
• Ausführungen: Einzel- oder Mehrpaar in flacher oder verdrillter Ausführung
• Optionale Edelstahlumflechtung verfügbar

Farbkennzeichnung und Spezifikation

Thermo- und Ausgleichsleitungen sind farbcodiert, um die Identifikation von Stromkreisen zu vereinfachen. Historisch bedingt variierten die Praktiken je nach Region,  IEC 60584-3 hat eine einheitliche internationale Norm etabliert, die inzwischen weithin übernommen wurde.

Wesentliche Identifikationsrichtlinien:

1. Kabeltyp-Buchstaben:
• 'X'-Suffix     = Thermoleitung (z. B. JX)
• 'C'-Suffix     = Ausgleichsleitungleitung (z. B. NC)
• 'A(B)'-Suffix = Ausgleichsleitungleitung mit mehreren Varianten (z. B. KCA, KCB)
2. Unterscheidung nach Klassen:
• Keine Farbunterscheidung zwischen Leitern der Klasse 1 und der Klasse 2
• Beispiel: JX Klasse 1 = engere Toleranz, JX Klasse 2 = Standardtoleranz
3. Regeln zur Farbkennzeichnung:
• Lackiert: –50 °C bis +400 °C
• Negativer Leiter = immer weiß
• Positiver Leiter = abhängig vom Thermoelementtyp (siehe Tabelle auf Seite 5)
• Mantelfarbe = identisch mit dem positiven Leiter. Falls in eigensicheren Kreisen der Außenmantel Blau gefärbt ist, muss der Typ des Thermoelementes anderweitig gekennzeichnet sein. 

Zusammenfassung

Thermo- und Ausgleichsleitungen ermöglichen die Verbindung von Thermoelementen über große Entfernungen, ohne die Kosten für Thermoelementleitungen in voller Spezifikation. Thermoleitungen verwenden die gleichen Leiter wie das Thermoelement und bieten hohe Genauigkeit bei minimaler thermischer Fehlanpassung. Ausgleichsleitungen verwenden ähnliche, kostengünstigere Legierungen und eignen sich für weniger kritische Anwendungen oder wenn teure oder sperrige Thermoelemente eingesetzt werden. Ihre Genauigkeit hängt jedoch davon ab, an den Verbindungsstellen stabile Temperaturen aufrechtzuerhalten.

Der Leitungswiderstand wird mithilfe standardisierter Schleifenwiderstandswerte berechnet, die pro Meter und abhängig vom Leiterquerschnitt festgelegt sind. Je nach Temperaturanforderung steht eine breite Palette von Isolationsarten zur Verfügung – von PVC für den allgemeinen Einsatz bis hin zu PFA und Glasfaser für Hochtemperaturumgebungen. Schließlich folgen alle Leitungen den internationalen Farbkennzeichnungsnormen (IEC 60584-3) mit eindeutigen Markierungen zur Unterscheidung der Thermoelementtypen und Toleranzen, was eine einfache Identifikation und konsistente Installationspraktiken sicherstellt.

Weiterführende Informationen

Welche Thermoelement-Typen gibt es?
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