Ein Thermoelement Typ K misst die Temperatur einer beheizten Rohrleitung. Im Stillstand der Anlage zeigt der Temperaturmessumformer stabile und plausible Werte. Sobald ein Frequenzumrichter eingeschaltet wird, beginnt die Temperaturanzeige zu schwanken. Teilweise treten sprunghafte Änderungen auf, obwohl sich die tatsächliche Prozesstemperatur kaum verändert. Nach dem Austausch des Thermoelements bleibt das Problem bestehen.
Die Ursache kann in der elektrischen Verbindung zwischen der Thermoelement-Messstelle und dem metallischen Schutzmantel liegen. Bei einem geerdeten Thermoelement ist die Messstelle elektrisch mit dem Mantel verbunden. Besteht über den Prozessanschluss eine Verbindung zum Maschinenkörper oder Schutzpotenzialausgleich, kann das Thermoelementsignal auf einem anderen elektrischen Potenzial liegen als der Eingang des Messumformers oder der angeschlossenen Steuerung.
Das eigentliche Thermoelementsignal beträgt nur wenige Millivolt. Bereits vergleichsweise kleine eingekoppelte Differenzspannungen können deshalb erhebliche Temperaturabweichungen verursachen. Auch Gleichtaktstörungen, ungeeignete Schirmanschlüsse, fehlende Potenzialtrennung oder eine unzulässige Verbindung zwischen Sensor- und Steuerungsmasse können die Messung beeinflussen.
Eine zuverlässige Lösung besteht nicht darin, grundsätzlich alle Schirme oder Erdverbindungen zu entfernen. Entscheidend sind die elektrische Konstruktion der Messstelle, der tatsächlich vorhandene Potenzialausgleich, die Eingangseigenschaften des Temperaturmessumformers und die fachgerechte Führung der Sensorleitung.
Dieser Fachbeitrag erläutert den Unterschied zwischen geerdeten und isolierten Thermoelementen, die Entstehung von Ausgleichsströmen sowie die Auswahl geeigneter galvanisch getrennter Temperaturmessumformer. Er zeigt, wie Schirmung, Vergleichsstellenkompensation, mechanischer Einbau und Signalübertragung zusammenwirken und beschreibt einen systematischen Ablauf zur Diagnose und Inbetriebnahme störungsanfälliger Temperaturmessstellen.
Inhaltsverzeichnis
- Messaufgabe und elektrische Randbedingungen festlegen
- Das Thermoelementsignal und seine Störempfindlichkeit verstehen
- Geerdete, isolierte und freiliegende Thermoelement-Messstellen unterscheiden
- Massepotenziale zwischen Prozess und Steuerung richtig bewerten
- Ausgleichsströme und Gleichtaktstörungen als Fehlerursache erkennen
- Galvanische Eingangstrennung und Isolationskonzepte unterscheiden
- Kopftransmitter und Schienentransmitter passend auswählen
- Schirmung der Thermoelementleitung fachgerecht ausführen
- Schutzleiter und Potenzialausgleich sicher erhalten
- Thermoelement-, Ausgleichs- und Verlängerungsleitungen richtig auswählen
- Vergleichsstellenkompensation und Anschlusskopftemperatur berücksichtigen
- Sensoraufbau, Einbau und Wärmeübergang richtig bewerten
- Rechenbeispiel: Wie kleine Störspannungen Temperaturfehler verursachen
- Das Thermoelementsignal störsicher in 4–20 mA umwandeln
- Filterung, Dämpfung und Messdynamik aufeinander abstimmen
- Mehrere geerdete Thermoelemente an einem Messsystem betreiben
- Sensoranschluss, Isolation und Signalweg getrennt untersuchen
- Elektrische Sicherheit, EMV und Explosionsschutz berücksichtigen
- Kalibrierung, Sensorbruchüberwachung und Vergleichsstelle prüfen
- Einen systematischen Prüf- und Inbetriebnahmeablauf durchführen
- Typische Fehlerbilder und Fehlinterpretationen diagnostizieren
- Passende Temperaturmessumformer und Thermoelemente von ICS Schneider
- Fazit: Geerdete Thermoelemente elektrisch und messtechnisch richtig integrieren
- Häufige Fragen zu geerdeten Thermoelementen und galvanischer Trennung
1. Messaufgabe und elektrische Randbedingungen festlegen
Thermoelemente werden in vielen industriellen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise an beheizten Rohrleitungen, Reaktoren, Öfen, Extrudern, Wärmetauschern und Maschinenbauteilen.
Die Messstelle kann sich elektrisch in einem anderen Umfeld befinden als die nachgeschaltete Steuerung. Besonders bei großen Anlagen, Frequenzumrichtern, elektrischen Heizungen und räumlich verteilten Maschinen sind unterschiedliche Massepotenziale und elektromagnetische Störungen möglich.
Vor der Auswahl des Temperaturmessumformers sollte deshalb zunächst die vollständige Messkette betrachtet werden.
Diese besteht üblicherweise aus der Thermoelement-Messstelle, dem metallischen Mantel beziehungsweise Schutzrohr, dem Prozessanschluss, der Sensorleitung, dem Temperaturmessumformer und dem nachgeschalteten Auswertegerät.
Ein entscheidender Punkt ist die elektrische Beschaffenheit der Messstelle. Ist die Thermoelementspitze leitend mit dem Mantel verbunden oder gegenüber dem Mantel isoliert?
Ebenso wichtig ist die Frage, ob der Mantel über den Prozessanschluss leitend mit dem Maschinenkörper, der Rohrleitung oder dem Schutzpotenzialausgleich verbunden ist.
Der elektrische Bezug der Sensormessstelle kann dadurch bereits durch den Einbau festgelegt sein.
Zusätzlich muss geklärt werden, ob der Messumformer eine galvanische Trennung zwischen Sensoreingang und Ausgang beziehungsweise Versorgung besitzt.
Bei mehreren Messkanälen ist außerdem zu prüfen, ob die Kanäle untereinander elektrisch getrennt sind. Eine vorhandene Trennung zwischen Sensorseite und Ausgang bedeutet nicht automatisch, dass mehrere Sensoreingänge unabhängig voneinander isoliert sind.
Für eine zuverlässige Auslegung werden daher Sensortyp, Messbereich, Einbausituation, Prozesspotenzial, Leitungsführung, Störumgebung und die tatsächliche elektrische Trennung gemeinsam betrachtet.
2. Das Thermoelementsignal und seine Störempfindlichkeit verstehen
Ein Thermoelement besteht aus zwei unterschiedlichen metallischen Leitern, die an der Messstelle elektrisch verbunden sind.
Durch den thermoelektrischen Effekt entsteht eine Spannung, die von den verwendeten Werkstoffen und der Temperaturverteilung entlang der Leiter abhängt.
Für eine korrekte Temperaturbestimmung muss die gemessene Thermospannung zusammen mit der Temperatur der Vergleichsstelle ausgewertet werden.
Der Zusammenhang zwischen Temperatur und Thermospannung ist nicht allgemein linear. Er wird für genormte Thermoelementtypen über entsprechende Kennlinien beziehungsweise Referenzfunktionen beschrieben.
Die IEC 60584-1 legt diese Kennlinien und Toleranzen für genormte Thermoelemente fest.
Besonders wichtig ist die geringe Signalhöhe. Bei einem Thermoelement Typ K liegt die Empfindlichkeit in der Nähe der Raumtemperatur ungefähr bei 41 µV/K.
Eine Temperaturänderung von 1 K entspricht in diesem Bereich damit einer Änderung der Thermospannung von lediglich rund 0,041 mV.
Zum Vergleich: Elektrische Störspannungen, die in einer industriellen Anlage auftreten können, sind teilweise erheblich größer als das eigentliche Thermoelementsignal.
Ein guter Temperaturmessumformer besitzt deshalb einen empfindlichen Differenzeingang mit geeigneter Gleichtaktunterdrückung, Messwertfilterung und Vergleichsstellenkompensation.
Die hohe Empfindlichkeit führt allerdings dazu, dass auch Fehler in der Verdrahtung, zusätzliche thermoelektrische Übergänge und eingekoppelte Störungen berücksichtigt werden müssen.
Besonders bei einem geerdeten Thermoelement kommt hinzu, dass die elektrische Verbindung zur Prozessanlage einen Einfluss auf den Potenzialbezug des Sensors haben kann.
3. Geerdete, isolierte und freiliegende Thermoelement-Messstellen unterscheiden
Thermoelemente unterscheiden sich nicht nur durch ihren Werkstofftyp, sondern auch durch die mechanische und elektrische Ausführung ihrer Messstelle.
Bei mineralisolierten Mantelthermoelementen befinden sich die Thermoleiter innerhalb eines metallischen Mantels. Eine verdichtete mineralische Isolierung trennt die Leiter über weite Strecken elektrisch vom Mantel.
An der Messspitze sind unterschiedliche Ausführungen möglich.
| Ausführung | Elektrische Verbindung | Typische Eigenschaften | Wichtiger Einfluss |
|---|---|---|---|
| Geerdete Messstelle | Thermoelement-Messstelle leitend mit dem metallischen Mantel verbunden | Häufig guter thermischer Kontakt und schnelle Reaktion bei vergleichbarer Bauweise | Prozesspotenzial und elektrische Störungen können auf die Thermoleiter wirken |
| Isolierte Messstelle | Messstelle elektrisch vom metallischen Mantel getrennt | Geringere direkte elektrische Kopplung an den Prozess | Isolationszustand, Wärmeübergang und Eingangsbeschaltung sind zu berücksichtigen |
| Freiliegende Messstelle | Messstelle liegt außerhalb eines geschlossenen Schutzmantels | Je nach Aufbau sehr schnelle thermische Reaktion möglich | Geringerer mechanischer und chemischer Schutz; möglicher direkter Kontakt mit dem Medium |
Eine geerdete Messstelle ist innerhalb der Sensorkonstruktion leitend mit dem Mantel verbunden. Daraus folgt jedoch nicht zwangsläufig, dass der Mantel in jeder Einbausituation zuverlässig mit dem Schutzleiter verbunden ist.
Ob tatsächlich eine Verbindung zum Anlagenpotenzial besteht, hängt vom mechanischen Einbau und der elektrischen Verbindung des Mantels beziehungsweise Schutzrohrs ab.
Bei einer isolierten Messstelle fehlt die direkte leitende Verbindung zwischen Thermoleitern und Mantel. Trotzdem können über parasitäre Kapazitäten oder beschädigte Isolation Störungen übertragen werden.
Die elektrische Isolation beseitigt außerdem nicht automatisch alle anderen Fehlerquellen der Temperaturmessung.
Bei der Auswahl muss daher zwischen thermischem Ansprechverhalten, mechanischer Robustheit, Prozessbeständigkeit und elektrischer Störfestigkeit abgewogen werden.
Wichtig ist auch, dass eine metallische Schutzrohrarmatur nicht automatisch beweist, dass die eigentliche Thermoelement-Messstelle geerdet ist. Die elektrische Ausführung des Messeinsatzes muss der konkreten Bestellkonfiguration entnommen werden.
4. Massepotenziale zwischen Prozess und Steuerung richtig bewerten
In industriellen Anlagen können zwischen unterschiedlichen leitfähigen Konstruktionsteilen Potenzialunterschiede auftreten.
Solche Unterschiede können beispielsweise durch große Betriebsströme, unzureichende Potenzialausgleichsverbindungen, Schaltvorgänge oder elektromagnetische Einkopplung entstehen.
Ein geerdetes Thermoelement kann über seinen metallischen Mantel und den Prozessanschluss mit einem solchen Anlagenpotenzial verbunden sein.
Wird das Thermoelementsignal über eine längere Leitung in einen Schaltschrank geführt, kann der Eingang des Messumformers einen anderen elektrischen Bezug besitzen als die Prozessanlage.
Bei einem nicht ausreichend geeigneten Messeingang kann dieser Potenzialunterschied zum Problem werden.
Eine wichtige Größe ist dabei die Gleichtaktspannung. Sie beschreibt vereinfacht den gemeinsamen elektrischen Potenzialanteil der beiden Thermoleiter gegenüber dem Bezugspotenzial des Messeingangs.
Ein Differenzmesseingang soll vor allem den Spannungsunterschied zwischen den beiden Thermoleitern erfassen.
Eine vorhandene Gleichtaktspannung ist jedoch nicht automatisch ein gleich großer Temperaturmessfehler. Solange der Eingang innerhalb seines zulässigen Gleichtaktbereichs arbeitet und die Gleichtaktunterdrückung ausreicht, kann die Messung korrekt bleiben.
Probleme entstehen insbesondere dann, wenn die zulässigen Eingangsgrenzen überschritten werden oder Störungen durch reale Unsymmetrien und Kopplungswege in eine Differenzspannung umgewandelt werden.
Die Messstelle sollte deshalb nicht nur unter idealisierten Laborbedingungen, sondern auch unter den tatsächlichen elektrischen Betriebszuständen der Anlage beurteilt werden.
5. Ausgleichsströme und Gleichtaktstörungen als Fehlerursache erkennen
Ausgleichsströme können entstehen, wenn zwischen zwei elektrisch verbundenen Punkten unterschiedliche Potenziale vorhanden sind.
In einer industriellen Temperaturmesskette können solche Ströme beispielsweise über zusätzliche Masse- oder Schirmverbindungen auftreten.
Besonders problematisch ist eine unbeabsichtigte Verbindung zwischen einem geerdeten Thermoelementleiter und einer weiteren Gerätemasse, wenn beide Punkte unterschiedliche Potenziale besitzen.
Dadurch kann ein unerwünschter Strompfad entstehen.
Auch die Leitungsabschirmung kann betroffen sein. Wird ein Schirm an beiden Enden leitend angeschlossen, kann unter bestimmten Bedingungen ein Ausgleichsstrom über den Schirm fließen.
Dieser Schirmstrom ist nicht automatisch mit einem Strom durch die Thermoelementleiter gleichzusetzen. Er kann aber über elektromagnetische oder gemeinsame Impedanzkopplung störend auf die Messleitung wirken.
Besonders in der Nähe von Frequenzumrichtern, Motorleitungen und getakteten Leistungselektroniken können hochfrequente Störgrößen auftreten.
Eine ungeeignete Schirmung oder eine schlechte Leitungsführung kann dazu führen, dass die eigentlich vorhandene Gleichtaktstörung teilweise als Differenzsignal wirksam wird.
Das Thermoelementsignal kann dann schwanken, einen Offset aufweisen oder bei bestimmten Betriebszuständen kurzzeitig aussetzen.
Typische Beobachtungen sind Temperaturänderungen beim Einschalten eines Motors, periodische Störungen mit Netzfrequenz oder einzelne Messwertsprünge beim Schalten leistungsstarker Verbraucher.
Diese Symptome sind Hinweise, aber keine eindeutigen Nachweise für Ausgleichsströme.
Ähnliche Fehlerbilder können auch durch eine defekte Sensorleitung, Kontaktprobleme, eine ungeeignete Vergleichsstellenkompensation oder eine falsche Konfiguration entstehen.
Für eine belastbare Diagnose müssen deshalb die tatsächlich vorhandenen elektrischen Verbindungen und Störwege untersucht werden.
6. Galvanische Eingangstrennung und Isolationskonzepte unterscheiden
Eine galvanische Trennung unterbricht die direkte leitende Verbindung zwischen den entsprechend getrennten Stromkreisen.
Bei einem Temperaturmessumformer wird das Thermoelementsignal auf der Eingangsseite erfasst, verarbeitet und über eine geeignete Isolationsbarriere an die Ausgangs- beziehungsweise Versorgungsseite übertragen.
Dadurch kann verhindert werden, dass ein direkter Ausgleichsstrom zwischen dem Thermoelementkreis und der nachgeschalteten Steuerung über den Messumformer fließt.
Die tatsächliche Schutzwirkung hängt jedoch von der Konstruktion und den spezifizierten Eigenschaften des Geräts ab.
Insbesondere müssen unterschiedliche Isolationskonzepte voneinander unterschieden werden.
| Ausführung | Elektrische Trennung | Typische Anwendung | Wichtige Einschränkung |
|---|---|---|---|
| Nicht isolierter Transmitter | Keine galvanische Eingang-Ausgang-Trennung | Einfachere Temperaturmessstellen bei geeigneten Potenzialbedingungen | Zusätzliche Masseverbindungen und Potenzialdifferenzen müssen besonders berücksichtigt werden |
| Galvanisch getrennter Zweidrahttransmitter | Sensoreingang gegenüber der Ausgangs-/Stromschleifenseite isoliert | Geerdete Thermoelemente mit 4–20-mA-Übertragung | Zulässige Eingangsspannung, Isolation und weitere Betriebsgrenzen bleiben zu beachten |
| Drei-Port-getrennter Messumformer | Trennung zwischen Sensoreingang, Signalausgang und Hilfsenergie | Schaltschrankanwendungen mit unterschiedlichen Potenzialen | Arbeitsspannung und Sicherheitsanforderungen müssen zur konkreten Anwendung passen |
| Mehrkanaliger Messumformer | Je nach Konstruktion unterschiedliche Trennung zwischen Kanälen und Ausgang | Mehrere Thermoelemente mit gemeinsamer Auswertung | Eingang-Ausgang-Trennung bedeutet nicht automatisch Kanal-zu-Kanal-Isolation |
Bei der Auswahl ist insbesondere zu prüfen, ob der Sensoreingang tatsächlich galvanisch von der Ausgangsseite getrennt ist.
Die Angabe „galvanisch getrennt“ sollte durch das Datenblatt beziehungsweise das interne Blockschaltbild eindeutig zugeordnet werden können.
Auch die Isolationsprüfspannung ist korrekt zu interpretieren. Ein Wert wie 1.500 V AC für eine bestimmte Prüfdauer beschreibt eine definierte Isolationsprüfung und ist nicht automatisch die zulässige dauerhafte Arbeitsspannung zwischen den Stromkreisen.
Für sicherheitsrelevante elektrische Anforderungen müssen die zulässige Arbeitsspannung, Isolationsklasse, Überspannungskategorie und weitere Herstellerangaben berücksichtigt werden.
Ein geeignetes Beispiel aus dem ICS-Sortiment ist der Thermoelement-Messumformer DT 45800. Er besitzt eine Drei-Port-Trennung zwischen Sensoreingang, Ausgang und Hilfsenergie.
Eine solche Trennung kann Ausgleichsströme über die Messumformerelektronik vermeiden. Sie ersetzt jedoch weder einen vorgeschriebenen Schutzpotenzialausgleich noch eine fachgerechte Schirm- und Leitungsführung.
7. Kopftransmitter und Schienentransmitter passend auswählen
Temperaturmessumformer können direkt im Anschlusskopf eines Thermometers, in einem Feldgehäuse oder auf einer Hutschiene im Schaltschrank montiert werden.
Die richtige Bauform hängt sowohl von den Umgebungsbedingungen als auch von der elektrischen Messaufgabe ab.
Ein Kopftransmitter besitzt den Vorteil, dass die empfindliche Thermospannung nur über eine vergleichsweise kurze Strecke übertragen werden muss.
Bereits in der Nähe des Sensors wird die Temperatur in ein robusteres Ausgangssignal, beispielsweise 4–20 mA, umgewandelt.
Die längere Verbindung zur Steuerung führt dann nicht mehr das ursprüngliche Mikrovolt- beziehungsweise Millivoltsignal.
Das kann in störungsintensiven Industrieanlagen vorteilhaft sein.
Allerdings befindet sich ein Kopftransmitter häufig näher an heißen Prozesskomponenten. Deshalb müssen die zulässige Umgebungstemperatur des Transmitters und die thermischen Bedingungen im Anschlusskopf berücksichtigt werden.
Ein hoher Temperaturgradient innerhalb des Anschlusskopfs kann insbesondere die Vergleichsstellenkompensation beeinflussen.
Bei einem Schienentransmitter liegt die Auswerteelektronik dagegen im Schaltschrank. Diese Anordnung ermöglicht einen besseren Zugang zur Parametrierung und häufig günstigere Umgebungstemperaturen.
Allerdings muss das empfindliche Thermoelementsignal über eine längere Strecke übertragen werden. Dafür sind geeignete Thermoelement- beziehungsweise Ausgleichsleitungen und eine passende EMV-Installation erforderlich.
Bei der Entscheidung zwischen Kopf- und Schienentransmitter sind daher Leitungslänge, Umgebungsbedingungen, notwendige galvanische Trennung und Wartungszugänglichkeit gemeinsam zu bewerten.
Bei beiden Varianten kann eine Eingang-Ausgang-Trennung vorhanden sein. Die Bauform allein sagt darüber nichts aus.
8. Schirmung der Thermoelementleitung fachgerecht ausführen
Eine geschirmte Thermoelementleitung kann die Einkopplung elektromagnetischer Störungen reduzieren.
Für störungsanfällige Messstellen werden häufig verdrillte Thermoleiter beziehungsweise geeignete verdrillte Ausgleichsleitungspaare mit gemeinsamer Abschirmung verwendet.
Die verdrillte Leiterführung reduziert unter geeigneten Bedingungen die wirksame Fläche für magnetische Einkopplungen.
Der Schirm wirkt insbesondere gegen bestimmte elektrische beziehungsweise hochfrequente Störeinflüsse. Seine Wirksamkeit hängt vom Aufbau des Kabels und von der fachgerechten Anschlusstechnik ab.
Bei einem geerdeten Thermoelement ist besonders darauf zu achten, dass der Schirm nicht unbeabsichtigt eine zweite leitende Verbindung zwischen der Thermoelement-Messstelle und dem Messeingang herstellt.
Eine häufig verwendete Lösung besteht darin, den Kabelschirm an einer definierten Stelle, beispielsweise auf der Auswerteseite, entsprechend dem vorgesehenen EMV- und Erdungskonzept anzuschließen.
Eine einseitige Schirmanbindung kann niederfrequente Ausgleichsströme über den Schirm vermeiden, wenn zwischen Feld- und Schaltschrankpotenzialen Unterschiede bestehen.
Diese Lösung ist jedoch nicht für jede elektromagnetische Umgebung optimal.
Bei ausgeprägten hochfrequenten Störungen kann eine beidseitige, möglichst niederimpedante Schirmanbindung zweckmäßig sein, sofern ein entsprechend wirksamer Potenzialausgleich vorhanden ist und das gesamte EMV-Konzept dies vorsieht.
Welche Variante geeignet ist, hängt von Frequenzspektrum, Kabelaufbau, Anlagenpotenzialen und den konkreten Herstelleranweisungen ab.
Eine pauschale Regel, wonach sämtliche Thermoelementschirme grundsätzlich nur einseitig oder ausnahmslos beidseitig angeschlossen werden müssen, ist daher technisch nicht ausreichend.
Der Schirm darf außerdem nicht als Ersatz für einen erforderlichen Schutzleiter oder als normaler Signalrückleiter verwendet werden.
Beim Anschluss ist darauf zu achten, dass der Schirm nicht unbeabsichtigt mit einem Thermoelementleiter Kontakt erhält.
Auch die Verlegung ist relevant. Thermoelementleitungen sollten entsprechend dem EMV-Konzept ausreichend getrennt von Motor-, Umrichter- und anderen stark störenden Leistungskabeln geführt werden.
9. Schutzleiter und Potenzialausgleich sicher erhalten
Bei der Fehlersuche an geerdeten Thermoelementen wird gelegentlich versucht, eine vermutete Masseschleife durch das Entfernen einer Erdverbindung zu beseitigen.
Ein solches Vorgehen kann sicherheitstechnisch gefährlich sein.
Der Schutzleiter und notwendige Schutzpotenzialausgleichsverbindungen besitzen die Aufgabe, gefährliche Berührungsspannungen und andere elektrische Risiken zu begrenzen.
Sie dürfen nicht allein zur Verbesserung einer Temperaturanzeige unterbrochen werden.
Die technische Lösung muss vielmehr an der dafür vorgesehenen Signal- beziehungsweise Isolationsebene erfolgen.
Ein galvanisch getrennter Temperaturmessumformer kann beispielsweise den direkten leitenden Pfad zwischen geerdeter Sensormessstelle und nachgeschalteter Steuerung unterbrechen.
Dadurch bleibt der notwendige Schutzpotenzialausgleich der Anlage erhalten, während die Signalverarbeitung elektrisch getrennt ausgeführt wird.
Bei einer ungünstigen Schirmführung kann zusätzlich eine Anpassung der Schirmanbindung notwendig sein.
Auch hier müssen die erforderlichen Schutz- und EMV-Verbindungen erhalten bleiben.
Besonders bei Anlagen mit Frequenzumrichtern sind geeignete niederimpedante Potenzialausgleichsverbindungen und die vom Hersteller vorgesehenen EMV-Maßnahmen wichtig.
Ein einzelner, vermeintlich störender Potenzialausgleichsleiter darf nicht ohne fachgerechte Bewertung als überflüssig betrachtet werden.
Die sichere elektrische Installation und die messtechnische Störvermeidung müssen daher als zusammenhängende Aufgabe betrachtet werden.
10. Thermoelement-, Ausgleichs- und Verlängerungsleitungen richtig auswählen
Die elektrische Leitung zwischen Thermoelement und Temperaturmessumformer ist Bestandteil der thermoelektrischen Messkette.
Sie darf nicht ausschließlich anhand von Leiterquerschnitt oder elektrischer Leitfähigkeit ausgewählt werden.
Für Thermoelemente werden passende Thermoleitungen, Verlängerungsleitungen oder Ausgleichsleitungen verwendet.
Verlängerungsleitungen besitzen im dafür vorgesehenen Temperaturbereich thermoelektrische Eigenschaften, die zum zugehörigen Thermoelementtyp passen.
Ausgleichsleitungen verwenden dagegen entsprechend definierte Ersatzwerkstoffe, deren thermoelektrische Eigenschaften innerhalb des spezifizierten Einsatzbereichs ausreichend mit dem zugehörigen Thermoelement übereinstimmen.
Die IEC 60584-3:2021 behandelt die Anforderungen, Toleranzen und Kennzeichnungen entsprechender Verlängerungs- und Ausgleichsleitungen.
Für eine korrekte Messung müssen der Leitungs- und Thermoelementtyp übereinstimmen.
Auch die richtige Polarität ist wichtig. Eine vertauschte Thermoleitung kann unplausible Messwerte und ein fehlerhaftes Temperaturverhalten verursachen.
Besondere Aufmerksamkeit benötigt die Verwendung normaler Kupferleitungen.
Wird ein Thermoelement ohne geeignete Signalumwandlung über eine Kupferleitung verlängert, können zusätzliche thermoelektrische Übergänge entstehen. Die Messung muss dann die Temperatur der betreffenden Übergänge korrekt berücksichtigen.
Ein Temperaturmessumformer direkt am Sensor kann dieses Problem vereinfachen. Nach der Umwandlung in ein 4–20-mA-Signal kann eine geeignete normale Signalleitung verwendet werden.
Vor dem eigentlichen Thermoelementeingang sind dagegen die dafür vorgesehenen Thermoleiter und Anschlussmaterialien zu verwenden.
Auch Steckverbinder und Klemmstellen müssen zur Anwendung passen. Unkontrollierte Temperaturunterschiede an Übergangsstellen können zusätzliche Messfehler verursachen.
11. Vergleichsstellenkompensation und Anschlusskopftemperatur berücksichtigen
Ein Thermoelement misst nicht direkt eine absolute Temperatur. Die erfasste Thermospannung ist mit dem Temperaturunterschied beziehungsweise der thermoelektrischen Beziehung zwischen Messstelle und Vergleichsstelle verknüpft.
Für eine korrekte Anzeige muss die Temperatur der Vergleichsstelle bekannt sein oder geeignet kompensiert werden.
Moderne Temperaturmessumformer besitzen hierfür häufig eine interne Vergleichsstellenkompensation, auch Cold Junction Compensation (CJC) genannt.
Sie erfasst beziehungsweise berücksichtigt die Temperatur im Bereich der vorgesehenen elektrischen Anschlussstelle.
Besonders bei Kopftransmittern ist der thermische Aufbau wichtig. Eine starke Erwärmung durch die Prozessarmatur oder eine einseitige Wärmeeinwirkung kann zu ungleichmäßigen Temperaturen innerhalb des Anschlusskopfs führen.
Wenn die tatsächlichen Temperaturen der Thermoleiterübergänge nicht ausreichend durch die interne Vergleichsstellenmessung repräsentiert werden, kann ein zusätzlicher Fehler entstehen.
Auch bei Schienentransmittern können thermische Einflüsse relevant sein. Beispielsweise kann eine ungleichmäßige Erwärmung durch benachbarte Leistungskomponenten oder warme Schaltschrankbereiche den Anschlussbereich beeinflussen.
Die Vergleichsstellenkompensation ist deshalb unabhängig von der galvanischen Trennung zu bewerten.
Ein galvanisch getrennter Messumformer kann gegen Ausgleichsströme geeignet sein und trotzdem eine fehlerhafte Temperatur anzeigen, wenn die Vergleichsstelle unzureichend kompensiert wird.
Umgekehrt kann eine sehr gute Vergleichsstellenkompensation vorhandene elektrische Gleichtaktprobleme nicht automatisch beseitigen.
Bei der Inbetriebnahme müssen daher sowohl die elektrischen als auch die thermischen Eigenschaften des Messumformers geprüft werden.
12. Sensoraufbau, Einbau und Wärmeübergang richtig bewerten
Die Messgenauigkeit einer industriellen Temperaturmessstelle hängt nicht allein vom Thermoelement und seinem Messumformer ab.
Auch die mechanische Einbausituation beeinflusst, welche Temperatur tatsächlich erfasst wird.
Ein Thermoelement kann beispielsweise die Temperatur eines Mediums innerhalb einer Rohrleitung messen. Dazu muss die Wärme ausreichend zuverlässig vom Medium zur Thermoelement-Messstelle übertragen werden.
Schutzrohre, Messeinsätze und mechanische Kontaktflächen erzeugen dabei zusätzliche thermische Widerstände.
Besonders bei auswechselbaren Messeinsätzen ist ein geeigneter Kontakt zur vorgesehenen Messstelle wichtig.
Bei entsprechenden Konstruktionen kann ein federnd gelagerter Messeinsatz dafür sorgen, dass die Spitze definiert gegen den Schutzrohrboden gedrückt wird.
Ein unzureichender Kontakt kann die Ansprechzeit verlängern und unter bestimmten Bedingungen zu Messabweichungen führen.
Auch die Einbaulänge und der Wärmeabfluss über die Armatur können relevant sein.
Wird ein Fühler zu kurz eingebaut, kann der Wärmeübergang zur Umgebung beziehungsweise zur Rohrwand das Messergebnis stärker beeinflussen.
Die Wahl einer geerdeten Messstelle kann das thermische Ansprechverhalten verbessern, weil ein direkter metallischer Kontakt zwischen Messstelle und Mantel vorhanden ist.
Wie groß dieser Vorteil tatsächlich ist, hängt jedoch vom vollständigen Sensoraufbau, der Manteldicke, dem Schutzrohr und der konkreten Einbausituation ab.
Ein geerdetes Thermoelement sollte daher nicht allein aufgrund einer pauschalen Aussage zur Ansprechzeit ausgewählt werden.
Für eine anspruchsvolle Messstelle müssen thermische Eigenschaften, elektrische Isolation, Prozessbeständigkeit und mechanische Anforderungen gemeinsam bewertet werden.
13. Rechenbeispiel: Wie kleine Störspannungen Temperaturfehler verursachen
Ein vereinfachtes Beispiel zeigt die Empfindlichkeit eines Thermoelements Typ K gegenüber zusätzlichen Differenzspannungen.
In der Nähe der Raumtemperatur beträgt die thermoelektrische Empfindlichkeit des Typs K ungefähr 41 µV/K.
Angenommen, durch eine ungeeignete Verdrahtung oder elektromagnetische Einkopplung wird am Messeingang zusätzlich eine wirksame Differenzspannung von 0,205 mV erzeugt.
Dies entspricht:
UStörung = 0,205 mV = 205 µV
Die daraus näherungsweise entstehende Temperaturabweichung kann abgeschätzt werden durch:
ΔT ≈ UStörung / S
Dabei bezeichnet S die lokale thermoelektrische Empfindlichkeit.
Mit S = 41 µV/K folgt:
ΔT ≈ 205 µV / (41 µV/K) ≈ 5 K
Eine zusätzliche wirksame Differenzspannung von lediglich 0,205 mV kann damit im betrachteten Temperaturbereich einen Temperaturfehler von ungefähr 5 K verursachen.
Bei einer zusätzlichen Differenzspannung von 0,820 mV wären es unter derselben vereinfachten Annahme bereits ungefähr 20 K.
Die Werte verdeutlichen die hohe Empfindlichkeit der Thermoelementmessung.
Die Rechnung gilt ausdrücklich nur für eine Störspannung, die tatsächlich als Differenzspannung am Eingang wirksam wird.
Eine reine Gleichtaktspannung darf nicht ohne Weiteres mit dieser Differenzspannung gleichgesetzt werden. Ein geeignet ausgelegter Differenz- beziehungsweise galvanisch getrennter Messeingang kann Gleichtaktanteile innerhalb seiner spezifizierten Grenzen weitgehend unterdrücken.
Außerdem ist die thermoelektrische Empfindlichkeit nicht über den gesamten Temperaturbereich konstant. Für eine genaue Berechnung muss die jeweilige Thermoelementkennlinie verwendet werden.
Das Beispiel dient daher der Veranschaulichung der Störempfindlichkeit und stellt keine vollständige Messunsicherheitsberechnung dar.
14. Das Thermoelementsignal störsicher in 4–20 mA umwandeln
Eine bewährte Möglichkeit zur industriellen Signalübertragung besteht darin, das empfindliche Thermoelementsignal möglichst nahe am Sensor in ein standardisiertes Stromsignal umzuwandeln.
Bei einer 4–20-mA-Übertragung wird der gemessene Temperaturbereich einem definierten Strombereich zugeordnet.
Der Messumformer übernimmt dazu die Auswertung der Thermospannung, die Vergleichsstellenkompensation und die erforderliche Kennlinienlinearisierung.
Bei entsprechend ausgelegten Geräten erfolgt außerdem eine galvanische Trennung zwischen dem Thermoelementeingang und der Stromschleife.
Für einen beispielhaften Temperaturbereich von 0 … 400 °C gilt bei linearer Stromskalierung:
I = 4 mA + 16 mA · (T − 0 °C) / 400 K
Bei einer Temperatur von 200 °C ergibt sich:
I = 4 mA + 16 mA · 200 / 400 = 12 mA
Der SPS-Eingang erhält damit einen zur Temperatur proportionalen Stromwert, statt selbst die sehr kleine Thermospannung auswerten zu müssen.
Das Stromsignal ist gegenüber bestimmten Leitungswiderständen und Störeinflüssen robuster als eine direkte Übertragung des ungefilterten Millivoltsignals.
Allerdings ist auch eine 4–20-mA-Stromschleife nicht grundsätzlich immun gegen sämtliche elektromagnetischen Störungen oder Verdrahtungsfehler.
Die verfügbare Versorgungsspannung, zulässige Bürde, Schleifenverdrahtung und die Eingangseigenschaften der Steuerung müssen berücksichtigt werden.
Besonders wichtig ist, dass die galvanische Trennung tatsächlich im verwendeten Temperaturmessumformer vorhanden ist.
Ein Zweidrahttransmitter ist nicht automatisch galvanisch getrennt. Ebenso bedeutet der Ausgang 4–20 mA allein nicht, dass die Sensorseite elektrisch vom Auswerte- oder Versorgungskreis isoliert ist.
Erst die konkrete Herstellerdokumentation bestätigt die vorhandene Isolationsfunktion.
15. Filterung, Dämpfung und Messdynamik aufeinander abstimmen
Temperaturmessumformer besitzen häufig Filter- und Dämpfungsfunktionen, um schwankende Eingangssignale zu glätten.
Die Filterung kann beispielsweise Netzfrequenzstörungen von 50 beziehungsweise 60 Hz und andere elektromagnetische Störeinflüsse reduzieren.
Auch eine einstellbare Zeitkonstante kann verwendet werden, um kurzzeitige Signaländerungen zu unterdrücken.
Eine zu starke Dämpfung kann jedoch das tatsächliche dynamische Temperaturverhalten verdecken.
Wenn die Temperatur einer Anlage sehr schnell steigt, muss das Messsystem ausreichend schnell reagieren, um die relevante Änderung zu erfassen.
Für eine langsame Temperaturüberwachung in einem großen Behälter kann eine stärkere Dämpfung geeignet sein.
Bei einer schnellen Temperaturregelung oder Übertemperaturüberwachung können dagegen andere Anforderungen gelten.
Besonders wichtig ist, dass Filterung nicht mit einer Beseitigung der Störungsursache verwechselt wird.
Wenn eine geerdete Messstelle über eine ungeeignete Verdrahtung erhebliche Ausgleichs- oder Störströme aufnimmt, kann eine höhere Dämpfung die Schwankungen möglicherweise optisch reduzieren.
Die elektrische Ursache bleibt jedoch bestehen.
Außerdem können sehr hohe Gleichtaktspannungen oder übersteuerte Eingänge durch eine einfache Softwarefilterung nicht zuverlässig korrigiert werden.
Die geeignete Reihenfolge besteht deshalb darin, zunächst die elektrische Signalführung und Isolation zu prüfen und anschließend die Filterung entsprechend der tatsächlich benötigten Messdynamik einzustellen.
16. Mehrere geerdete Thermoelemente an einem Messsystem betreiben
Bei größeren Industrieanlagen werden häufig mehrere Thermoelemente an unterschiedlichen Rohrleitungen, Behältern oder Maschinenbauteilen installiert.
Die einzelnen Messstellen können auf unterschiedlichen elektrischen Potenzialen liegen.
Besonders bei geerdeten Thermoelementen kann dies relevant werden, wenn mehrere Sensoren an ein gemeinsames mehrkanaliges Messgerät angeschlossen werden.
Ein Mehrkanal-Messsystem kann beispielsweise eine gemeinsame interne Bezugsschaltung besitzen.
Wenn die Sensoreingänge nicht galvanisch voneinander getrennt sind, können sich unterschiedliche Sensorpotenziale gegenseitig beeinflussen oder die zulässigen Eingangsgrenzen überschreiten.
Ein Gerät mit galvanischer Trennung gegenüber der Ausgangsseite besitzt nicht zwangsläufig auch eine galvanische Trennung zwischen sämtlichen Eingangskanälen.
Deshalb müssen die Isolationsverhältnisse anhand des Blockschaltbilds beziehungsweise der technischen Daten des konkreten Messmoduls geprüft werden.
Eine mögliche Lösung besteht darin, jedes geerdete Thermoelement über einen eigenen galvanisch getrennten Temperaturmessumformer auszuwerten.
Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung eines mehrkanaligen Messsystems mit ausdrücklich spezifizierter Kanal-zu-Kanal-Isolation.
Bei Geräten mit zwei Sensoreingängen, beispielsweise für Sensorredundanz oder Drifterkennung, darf die interne Trennung der beiden Sensoranschlüsse nicht ohne entsprechende Herstellerangabe vorausgesetzt werden.
Bei einer Differenztemperaturmessung ist außerdem wichtig, dass beide Messwerte unter den vorgesehenen elektrischen und thermischen Bedingungen erfasst werden.
Die Gesamtarchitektur muss deshalb bereits bei der Auswahl des Auswertegeräts die unterschiedlichen Potenziale der einzelnen Messstellen berücksichtigen.
17. Sensoranschluss, Isolation und Signalweg getrennt untersuchen
Eine systematische Fehlersuche beginnt mit der Unterscheidung zwischen Sensorfehler, elektrischer Störeinwirkung und fehlerhafter Signalverarbeitung.
Ein einfacher Austausch des Thermoelements ist nicht zwangsläufig zielführend, wenn die eigentliche Ursache im elektrischen Messkreis liegt.
Zunächst sollte geprüft werden, welche elektrische Messstellenart tatsächlich verbaut ist.
Bei einem geerdeten Thermoelement besteht konstruktionsbedingt eine leitende Verbindung zwischen der Messstelle und dem metallischen Mantel.
Bei einer isolierten Ausführung sollte diese Verbindung unter den spezifizierten Prüfbedingungen nicht vorhanden sein.
Der Isolationszustand darf jedoch nicht durch eine ungeeignete Messung mit hoher Prüfspannung an einer noch angeschlossenen Elektronik überprüft werden.
Insbesondere können Isolationsprüfgeräte, die für allgemeine elektrische Anlagen vorgesehen sind, empfindliche Temperaturmessumformer oder Ex-Eingangsschaltungen beschädigen.
Geeignete Prüfverfahren, zulässige Prüfspannungen und die notwendigen Trennmaßnahmen sind aus der Herstellerdokumentation abzuleiten.
Als nächster Schritt wird die Leitung zwischen Thermoelement und Messumformer untersucht. Dazu gehören korrekte Polarität, Leitungsart, Klemmstellen und Schirmanschlüsse.
Auch die tatsächliche elektrische Verbindung zwischen Prozessanlage und Schaltschrank ist relevant.
Messungen von Potenzialunterschieden an elektrischen Anlagen dürfen nur durch entsprechend qualifiziertes Personal und unter geeigneten sicheren Bedingungen erfolgen.
Besonders hilfreich kann es sein, die Temperaturanzeige bei verschiedenen normalen Betriebszuständen der Anlage zu vergleichen, beispielsweise bei ein- und ausgeschaltetem Antrieb.
Ändert sich die Anzeige ausschließlich beim Betrieb eines Frequenzumrichters, ergibt sich ein Hinweis auf eine mögliche elektromagnetische Beeinflussung.
Dieser Zusammenhang sollte anschließend durch geeignete Messungen am Signalweg überprüft werden.
Eine stabile Anzeige nach dem Abklemmen eines Schirms beweist nicht automatisch, dass das Abklemmen die dauerhaft richtige oder sichere Lösung ist.
18. Elektrische Sicherheit, EMV und Explosionsschutz berücksichtigen
Bei der elektrischen Auslegung geerdeter Thermoelemente müssen Messgenauigkeit und Sicherheit getrennt betrachtet werden.
Eine galvanische Trennung kann dazu beitragen, unerwünschte Ausgleichsströme und Störspannungsverschleppung zwischen Stromkreisen zu vermeiden.
Die Trennung muss jedoch für die tatsächlich auftretenden Spannungen und die vorgesehenen Betriebsbedingungen ausgelegt sein.
Eine angegebene Isolationsprüfspannung darf nicht pauschal als zulässige dauerhafte Spannung zwischen den Eingangs- und Ausgangskreisen interpretiert werden.
Die jeweiligen Herstellerangaben zu Isolationsart, zulässiger Arbeitsspannung und elektrischer Sicherheit sind maßgeblich.
Auch die elektromagnetische Verträglichkeit muss berücksichtigt werden.
Die DIN EN IEC 61326-1 behandelt allgemeine EMV-Anforderungen für elektrische Mess-, Steuer-, Regel- und Laborgeräte.
Je nach Gerät und Einsatzgebiet können zusätzliche Anforderungen oder entsprechende produktspezifische Normen gelten.
Eine vorhandene EMV-Konformität eines Temperaturmessumformers bedeutet allerdings nicht automatisch, dass jede beliebige Leitungsführung in einer industriellen Anlage störungsfrei funktioniert.
Die tatsächliche Verdrahtung, Schirmung und Potenzialausgleichsführung bleiben entscheidend.
Bei explosionsgefährdeten Bereichen kommen zusätzliche Anforderungen hinzu.
Ein Thermoelement, ein Temperaturmessumformer und die zugehörige Verdrahtung müssen zur vorgesehenen Zündschutzart und den jeweiligen Zulassungsbedingungen passen.
Bei eigensicheren Messkreisen sind beispielsweise die zugehörigen elektrischen Grenzwerte, zulässigen Verbindungen und der vorgesehene Nachweis der Eigensicherheit zu berücksichtigen.
Eine galvanische Trennung allein ersetzt keine entsprechende Ex-Zulassung.
Auch die Erdung und Schirmung von Ex-Messkreisen muss nach den für das konkrete System geltenden Anforderungen ausgeführt werden.
Schutzleiter und sicherheitstechnisch erforderliche Potenzialausgleichsverbindungen dürfen zur Störungsbeseitigung nicht außer Funktion gesetzt werden.
19. Kalibrierung, Sensorbruchüberwachung und Vergleichsstelle prüfen
Eine zuverlässige Temperaturmessung erfordert nicht nur einen geeigneten Sensor, sondern auch die korrekte Funktion des Temperaturmessumformers.
Bei einer Kalibrierung beziehungsweise Funktionsprüfung können unterschiedliche Ebenen der Messkette untersucht werden.
Eine elektrische Prüfung des Temperaturmessumformers erfolgt beispielsweise mit einem geeigneten Thermoelement- beziehungsweise mV-Simulator.
Dieser stellt eine definierte Thermospannung oder einen entsprechend simulierten Thermoelementwert bereit.
Für eine korrekte Prüfung muss die verwendete Vergleichsstellenkompensation berücksichtigt werden.
Je nach Prüfmethode kann die Vergleichsstelle vom Simulator oder vom Temperaturmessumformer kompensiert werden.
Eine falsche Kombination dieser Einstellungen kann einen erheblichen Messfehler erzeugen.
Die elektrische Prüfung des Messumformers bestätigt zudem nicht automatisch die thermische Genauigkeit des kompletten eingebauten Thermoelements.
Für einen vollständigen Nachweis der Temperaturmesskette muss auch der Sensor beziehungsweise die Einbausituation entsprechend dem vorgesehenen Prüfverfahren berücksichtigt werden.
Viele moderne Temperaturmessumformer besitzen außerdem eine Sensorbruchüberwachung.
Wird ein Thermoelementleiter unterbrochen, kann der Messumformer ein entsprechendes Fehlersignal ausgeben.
Bei galvanisch getrennten Zweidrahttransmittern erfolgt die Fehlersignalisierung häufig über einen definierten Stromwert außerhalb des normalen Messbereichs.
Welche Stromwerte, Fehlerrichtungen und Diagnosefunktionen tatsächlich verfügbar sind, hängt vom Gerät und der Konfiguration ab.
Für die SPS muss daher festgelegt werden, welche Eingangswerte als gültige Temperatur und welche als Sensor- beziehungsweise Gerätefehler interpretiert werden.
Bei bestimmten Geräten können außerdem Sensorleitungswiderstände, Isolationszustände oder andere Diagnosegrößen überwacht werden.
Ein geerdetes Thermoelement darf bei solchen Funktionen jedoch nicht ohne Prüfung der Geräteeigenschaften als gewöhnlicher isolierter Sensor betrachtet werden.
Die Diagnose- und Isolationsüberwachungsfunktionen müssen für die konkrete elektrische Messstellenart geeignet sein.
20. Einen systematischen Prüf- und Inbetriebnahmeablauf durchführen
Die Inbetriebnahme einer Temperaturmessstelle mit geerdetem Thermoelement sollte die mechanischen, thermischen und elektrischen Randbedingungen gemeinsam berücksichtigen.
Der folgende Ablauf beschreibt eine allgemeine Prüfreihenfolge für entsprechend qualifiziertes Personal. Die konkrete Durchführung richtet sich nach den Herstellerunterlagen und den Sicherheitsanforderungen der Anlage.
- Messstelle identifizieren: Thermoelementtyp, Messbereich, Einbauort, Prozessbedingungen und vorgesehene Messaufgabe dokumentieren.
- Messstellenkonstruktion prüfen: Feststellen, ob die Thermoelement-Messstelle geerdet, isoliert oder freiliegend ausgeführt ist.
- Mechanischen Einbau kontrollieren: Mantel, Schutzrohr, Einbaulänge, Prozessanschluss und vorgesehenen thermischen Kontakt beurteilen.
- Elektrischen Potenzialbezug erfassen: Die vorgesehene Verbindung zwischen Sensor, Maschinenkörper und Schutzpotenzialausgleich anhand der Anlagenunterlagen prüfen.
- Temperaturmessumformer identifizieren: Typ, Firmware beziehungsweise Konfiguration, Sensoreingang, Ausgangssignal und Versorgung dokumentieren.
- Galvanische Trennung prüfen: Eingang-Ausgang-Isolation sowie bei mehreren Eingängen gegebenenfalls Kanal-zu-Kanal-Isolation anhand der Gerätedokumentation bewerten.
- Zulässige Eingangsbedingungen vergleichen: Mögliche Gleichtaktspannungen und die zulässigen elektrischen Betriebsgrenzen berücksichtigen.
- Thermoleitung kontrollieren: Geeignete Verlängerungs- beziehungsweise Ausgleichsleitung, Polarität, Leiterzustand und Klemmverbindungen überprüfen.
- Schirmung untersuchen: Schirmanbindung und Leitungsführung mit dem vorgesehenen EMV- und Potenzialausgleichskonzept vergleichen.
- Vergleichsstelle prüfen: Interne oder externe Kompensation, Anschlusskopftemperatur und mögliche Temperaturgradienten berücksichtigen.
- Messumformer parametrieren: Thermoelementtyp, Temperaturbereich, Linearisierung, Ausgangssignal und gegebenenfalls Dämpfung festlegen.
- Elektrische Signalprüfung durchführen: Den vorgesehenen Eingang beziehungsweise Ausgang mit geeigneter Prüftechnik und korrekt behandelter Vergleichsstelle überprüfen.
- Sensorbruchüberwachung testen: Die vorgesehene Diagnosefunktion nach Herstellerverfahren prüfen und mit der SPS-Auswertung vergleichen.
- Messstelle im normalen Betrieb beobachten: Temperaturanzeige und elektrische Störbedingungen unter repräsentativen Anlagenzuständen erfassen.
- Messdynamik beurteilen: Prüfen, ob Sensoransprechzeit und Transmitterdämpfung zur Prozessaufgabe passen.
- Messwerte plausibilisieren: Die Temperatur mit geeigneten Referenzinformationen und dem tatsächlichen thermischen Prozesszustand vergleichen.
- Notwendige Korrekturen durchführen: Verdrahtungs-, Schirmungs- oder Konfigurationsfehler nur nach fachgerechter Bewertung beseitigen.
- Abschluss dokumentieren: Sensor- und Messumformerdaten, Erdungs- und Schirmkonzept, Messwerte, Prüfergebnisse und Freigabe festhalten.
Besonders wichtig ist, dass eine temperaturabhängige Messabweichung nicht sofort als elektrischer Fehler interpretiert wird.
Ein schlechter Wärmeübergang kann ähnliche Abweichungen verursachen wie eine fehlerhafte Vergleichsstellenkompensation.
Umgekehrt darf eine gute Übereinstimmung bei einer einzelnen Prüftemperatur nicht als Nachweis gelten, dass die Messstelle bei allen elektrischen Betriebszuständen störungsfrei funktioniert.
Für eine belastbare Inbetriebnahme müssen deshalb sowohl die thermischen als auch die elektrischen Eigenschaften unter repräsentativen Bedingungen beurteilt werden.
21. Typische Fehlerbilder und Fehlinterpretationen diagnostizieren
Bei der Fehlersuche an geerdeten Thermoelementen ist die Unterscheidung zwischen elektrischer Störung, Sensorproblem und Temperaturmessfehler besonders wichtig.
| Beobachtung | Mögliche Ursache | Sinnvolle Prüfung |
|---|---|---|
| Temperaturanzeige schwankt beim Einschalten eines Frequenzumrichters | Elektromagnetische Einkopplung, Gleichtaktstörung oder ungeeignete Schirmung | Leitungsführung, Potenzialbezug, Schirmanschluss und Eingangstrennung untersuchen |
| Temperaturmessung ist im Labor stabil, in der Anlage aber nicht | Abweichende Massepotenziale oder andere elektrische Umgebungsbedingungen | Messstelle unter repräsentativen Anlagenbedingungen prüfen |
| Temperaturwert besitzt einen konstanten Offset | Vergleichsstellenfehler, zusätzlich wirksame Thermospannung oder Konfigurationsabweichung | Vergleichsstelle, Thermoelementtyp, Anschlüsse und Messumformer prüfen |
| Mehrere Temperaturkanäle beeinflussen sich gegenseitig | Unzureichende Kanal-zu-Kanal-Isolation oder gemeinsame elektrische Bezugspunkte | Isolationskonzept des Mehrkanalgeräts und Sensorpotenziale bewerten |
| Messwert springt beim Schalten von Heizungen oder Schützen | Störimpulse über Signal- oder Versorgungsleitungen | Schaltvorgänge, Signalführung und Filterung untersuchen |
| Temperaturanzeige ändert sich bei Berührung oder Bewegung der Anschlussleitung | Kontaktproblem, beschädigte Leitung oder ungeeignete Abschirmung | Klemmen und Leitung im sicheren Zustand überprüfen |
| Messumformer meldet Sensorbruch, obwohl das Thermoelement angeschlossen ist | Unterbrochener Leiter, schlechte Klemmstelle oder ungeeignete Diagnosebedingungen | Leitungszustand und Sensorbruchüberwachung nach Herstellerverfahren prüfen |
| Temperaturmessung reagiert ungewöhnlich langsam | Schlechter thermischer Kontakt, großes Schutzrohr oder zu hohe Dämpfung | Einbau, Wärmeübergang und eingestellte Zeitkonstanten beurteilen |
| Thermoelement und Referenzthermometer stimmen nur bei bestimmten Temperaturen überein | Falscher Sensortyp, Thermoleitung, Vergleichsstelle oder Kennlinienauswertung | Vollständige thermische und elektrische Messkette prüfen |
| Nach Umrüstung auf einen isolierten Transmitter wird das Signal stabil | Möglicher vorheriger Einfluss von Potenzialunterschieden oder Massekopplungen | Elektrische Ursache anhand des tatsächlichen Isolations- und Schirmkonzepts bewerten |
| 4–20-mA-Signal ist stabil, SPS zeigt dennoch falsche Temperatur | Skalierungsfehler oder ungeeignete Parametrierung des SPS-Eingangs | Transmitter-Messbereich und SPS-Skalierung vergleichen |
| Elektrische Transmitterprüfung ist korrekt, Prozessmessung bleibt unplausibel | Sensorfehler, Wärmeübergang oder Vergleichsstellen-/Einbauproblem | Sensor und Einbausituation getrennt vom Transmitter untersuchen |
Die Tabelle zeigt mögliche Ursachen und geeignete Prüfansätze, ersetzt jedoch keine vollständige Fehlerdiagnose.
Besonders wichtig ist, dass elektrische Störungen und thermische Messabweichungen nicht vorschnell miteinander gleichgesetzt werden.
Eine unzureichende galvanische Trennung kann zu Messproblemen führen. Ebenso können aber ein falsch angeschlossenes Thermoelement oder eine ungeeignete Vergleichsstellenkompensation ähnliche Symptome verursachen.
Die Ursache muss deshalb an der vollständigen Messkette ermittelt werden.
22. Passende Temperaturmessumformer und Thermoelemente von ICS Schneider
22.1 DT 45800: Thermoelement-Messumformer mit Drei-Port-Trennung
Der Thermoelement-Messumformer DT 45800 ist für die industrielle Erfassung und Verarbeitung von Thermoelementsignalen vorgesehen.
Er bietet einen universellen Thermoelementeingang und ermöglicht die Auswahl aus mehr als 1.800 vorkonfigurierten Standardmessbereichen.
Die Parametrierung erfolgt über DIP-Schalter oder über eine USB-Verbindung mit dem entsprechenden DRAGOset-Programmierkit.
Ein wesentliches Merkmal ist die galvanische Drei-Port-Trennung zwischen Sensoreingang, Signalausgang und Hilfsenergieversorgung.
Diese Funktion ist besonders für Messaufgaben interessant, bei denen unterschiedliche elektrische Potenziale oder mögliche Störspannungsverschleppungen zwischen der Messstelle und der Steuerung auftreten.
Der DT 45800 besitzt eine schmale Bauform von 6,2 mm und ist für die Montage auf einer 35-mm-Hutschiene vorgesehen.
Je nach Konfiguration können Stromausgänge von 0 … 20 mA beziehungsweise 4 … 20 mA sowie Spannungsausgänge wie 0 … 5 V und 0 … 10 V verwendet werden.
Die erforderliche Hilfsenergie beträgt nominell 24 V DC.
Der Hersteller dokumentiert eine Isolationsprüfspannung von 3 kV AC für die entsprechende Drei-Port-Trennung. Die zulässige Arbeitsspannung und die Anforderungen an die sichere Trennung sind gesondert spezifiziert.
Für geerdete Thermoelemente kann der DT 45800 daher eine besonders geeignete Lösung für die Schaltschrankmontage sein.
Die tatsächlich zulässigen Potenzialunterschiede müssen weiterhin anhand seiner Isolations- und Betriebsdaten geprüft werden.
22.2 IPAQ C330: Galvanisch getrennter Temperatur-Kopftransmitter
Der IPAQ C330 von INOR ist ein universeller digitaler Zweidraht-Temperaturtransmitter für die Montage im Anschlusskopf.
Er unterstützt unter anderem Thermoelemente der Typen B, E, J, K, N, R, S und T sowie weitere entsprechend spezifizierte Sensortypen.
Der Transmitter wandelt die erfasste Temperatur in ein 4–20-mA-Ausgangssignal um.
Ein wesentliches Merkmal ist die galvanische Trennung zwischen Sensoreingang und Stromschleifenseite. Für die entsprechende Geräteausführung wird eine Isolationsprüfspannung von 1.500 V AC angegeben.
Der IPAQ C330 kann über NFC und mit entsprechendem Zubehör auch über Bluetooth konfiguriert werden.
Dadurch eignet er sich für Anwendungen, bei denen die empfindliche Thermospannung bereits im Anschlusskopf verarbeitet werden soll.
Für eine geerdete Thermoelement-Messstelle kann die galvanische Trennung dabei helfen, einen unerwünschten direkten Ausgleichsstrompfad zur Steuerung zu vermeiden.
Bei der Auswahl sind die zulässige Temperatur im Anschlusskopf, die erforderliche Ex-Ausführung und die tatsächlichen Isolationsbedingungen zu prüfen.
22.3 IPAQ R330: Galvanisch getrennter Schienentransmitter mit NFC
Der IPAQ R330 ist ein universeller programmierbarer Temperaturmessumformer zur Hutschienenmontage.
Er unterstützt Widerstandsthermometer, Thermoelemente und weitere geeignete Eingangssignale.
Das Ausgangssignal beträgt 4–20 mA.
Der Transmitter besitzt eine galvanische Trennung mit einer dokumentierten Isolationsprüfspannung von 1.500 V AC.
Für die Parametrierung stehen die vorgesehenen Software- und NFC-Funktionen zur Verfügung.
Der IPAQ R330 ist besonders für Schaltschrankanwendungen interessant, in denen mehrere getrennte Temperaturmessstellen zusammengeführt werden sollen.
Bei geerdeten Thermoelementen können einzelne galvanisch getrennte Transmitter helfen, unerwünschte leitende Verbindungen zwischen verschiedenen Sensorpotenzialen und der gemeinsamen Steuerungsebene zu vermeiden.
Für die Verbindung vom Thermoelement zum Schienentransmitter bleibt die Verwendung geeigneter Thermoleitungen beziehungsweise Ausgleichsleitungen erforderlich.
22.4 WIKA T38: Temperaturtransmitter mit HART-Protokoll und Diagnosefunktionen
Der WIKA T38 ist ein digitaler Temperaturtransmitter für industrielle Prozessanwendungen.
Er ist als Kopf- und Schienenversion erhältlich und unterstützt unterschiedliche Thermoelemente, Widerstandsthermometer und weitere geeignete Sensorsignale.
Das Ausgangssignal ist als 4–20-mA-Stromschleife mit HART-Kommunikation ausgeführt.
Für den WIKA T38 dokumentiert die Betriebsanleitung eine Isolationsprüfspannung zwischen Eingang und Analogausgang von 1.500 V AC über 60 Sekunden.
Zu den Funktionen gehören eine konfigurierbare Kennlinienverarbeitung, Sensorüberwachung sowie verschiedene Diagnosefunktionen nach entsprechenden NAMUR-Empfehlungen.
Bei geeigneten Sensor- und Gerätekonfigurationen können außerdem Funktionen wie Sensorredundanz oder Drifterkennung verwendet werden.
Der T38 eignet sich damit für anspruchsvolle Temperaturmessstellen, bei denen neben der Temperatur auch Diagnosedaten für die Instandhaltung und Prozessautomatisierung benötigt werden.
Bei mehreren angeschlossenen geerdeten Thermoelementen muss die konkrete elektrische Trennung zwischen den Sensoreingängen anhand der vorgesehenen Anschlusskonfiguration geprüft werden.
Eine dokumentierte Trennung zwischen Sensoreingang und Analogausgang ist nicht automatisch der Nachweis einer unabhängigen galvanischen Isolation aller einzelnen Sensoreingänge.
22.5 IPAQ-4L: Hochisolierter Temperatur- und Signaltransmitter
Der IPAQ-4L ist ein universeller Vierdraht-Messumformer mit separater Hilfsenergieversorgung.
Er unterstützt Thermoelemente, Widerstandsthermometer und weitere elektrische Messgrößen.
Je nach Konfiguration stehen Strom- und Spannungsausgänge wie 4–20 mA und 0–10 V zur Verfügung.
Der Hersteller gibt für die galvanische Trennung eine Isolationsprüfspannung von 4.000 V AC über eine Minute an.
Zusätzlich verfügt der Messumformer über Funktionen zur Sensorüberwachung, Ausgangssimulation und zur Erkennung niedriger Sensorisolationswiderstände unter den dafür vorgesehenen Messbedingungen.
Der IPAQ-4L kann damit für industrielle Messstellen interessant sein, bei denen erhöhte Anforderungen an die elektrische Isolation und Signalaufbereitung bestehen.
Die hohe Isolationsprüfspannung darf allerdings nicht als pauschale Freigabe für eine dauerhaft anliegende Potenzialdifferenz dieser Höhe verstanden werden.
Für eine geerdete Thermoelement-Messstelle müssen insbesondere die zulässige Arbeitsspannung, das Isolationskonzept und die tatsächlich geeigneten Sensorüberwachungsfunktionen geprüft werden.
22.6 WIKA TC10-H: Industrie-Thermoelement für direkte Prozesseinbindung
Das WIKA TC10-H ist ein industrielles Thermoelement ohne integriertes Schutzrohr.
Es besitzt eine mineralisolierte Mantelmessleitung und ist für geeignete direkte Prozesseinbauten vorgesehen.
Die Ausführung ist beispielsweise für Maschinenbauteile, Rohrleitungen und Behälter interessant.
Der dokumentierte Sensorbereich reicht je nach Ausführung von -40 … +1.200 °C.
Für die konkrete Anwendung können passende Prozessanschlüsse, Anschlussköpfe und Temperaturtransmitter ausgewählt werden.
Wichtig ist, dass die elektrische Ausführung der Messstelle gesondert festgelegt werden muss. Die Bezeichnung TC10-H allein bedeutet nicht automatisch, dass die Thermoelement-Messstelle geerdet ausgeführt ist.
Für eine störungsanfällige Anwendung sind daher die gewünschte geerdete oder isolierte Messstellenkonstruktion, der Prozessanschluss und die elektrische Signalaufbereitung gemeinsam zu spezifizieren.
Weitere Thermoelemente und geeignete Messumformer bietet ICS Schneider in den Kategorien Thermoelemente und Temperaturmessumformer und Zubehör.
23. Fazit: Geerdete Thermoelemente elektrisch und messtechnisch richtig integrieren
Ein geerdetes Thermoelement kann aufgrund des direkten thermischen Kontakts zwischen Messstelle und metallischem Mantel Vorteile beim Ansprechverhalten bieten.
Gleichzeitig ist die Thermoelement-Messstelle elektrisch mit dem Mantel verbunden. Bei leitender Verbindung zur Prozessanlage kann das Messsignal dadurch auf dem Potenzial des Maschinenkörpers beziehungsweise der Rohrleitung liegen.
Wenn zwischen der Prozessanlage und dem Auswertegerät Potenzialunterschiede auftreten, muss der Messeingang dafür geeignet sein.
Ein galvanisch getrennter Temperaturmessumformer kann eine direkte leitende Verbindung zwischen Sensoreingang und Ausgangsschaltung verhindern und so das Risiko störender Ausgleichsströme über die Elektronik reduzieren.
Entscheidend sind dabei die tatsächliche Isolationsstruktur und die spezifizierten Betriebsgrenzen des Geräts.
Auch die Schirmung muss auf die konkrete Anlage abgestimmt werden. Eine geeignete Schirmanbindung kann elektromagnetische Störungen reduzieren, darf aber keine unkontrollierten zusätzlichen Strompfade erzeugen.
Schutzleiter und notwendige Potenzialausgleichsverbindungen bleiben dabei uneingeschränkt zu erhalten.
Die elektrische Störfestigkeit ist jedoch nur ein Teil der gesamten Messqualität. Vergleichsstellenkompensation, Sensorart, Leitungswerkstoff, Einbaulänge und Wärmeübergang beeinflussen das Temperaturmessergebnis ebenfalls.
Eine zuverlässige Temperaturmessstelle entsteht deshalb erst aus dem abgestimmten Zusammenspiel von Sensor, Montage, Leitung, Isolation, Messumformer und Auswertung.
Messstellenart feststellen → Prozesspotenzial und Signalweg bewerten → Geeignete galvanische Eingangstrennung auswählen → Schirmung und Potenzialausgleich abstimmen → Thermoleitung und Vergleichsstelle prüfen → Temperaturmessumformer parametrieren → Elektrische und thermische Messkette testen → Messung unter realistischen Anlagenbedingungen verifizieren → Ergebnisse dokumentieren
Der wichtigste praktische Grundsatz lautet damit: Ein geerdetes Thermoelement ist nicht grundsätzlich ungeeignet für störungsintensive Anlagen. Entscheidend ist, dass der zugehörige Temperaturmessumformer und die komplette Signalführung für die vorhandenen elektrischen Potenziale und elektromagnetischen Bedingungen richtig ausgelegt sind.
24. Häufige Fragen zu geerdeten Thermoelementen und galvanischer Trennung
24.1 Was ist ein geerdetes Thermoelement?
Bei einem geerdeten Thermoelement ist die thermoelektrische Messstelle leitend mit dem metallischen Schutzmantel verbunden. Ob dadurch gleichzeitig eine Verbindung zum Schutzpotenzialausgleich der Anlage entsteht, hängt vom tatsächlichen mechanischen und elektrischen Einbau ab.
24.2 Was ist der Unterschied zwischen einem geerdeten und einem isolierten Thermoelement?
Bei einem geerdeten Thermoelement besteht eine elektrische Verbindung zwischen Messstelle und Mantel. Bei einer isolierten Ausführung sind die Thermoleiter gegenüber dem Mantel elektrisch getrennt. Beide Varianten unterscheiden sich hinsichtlich thermischem Verhalten und möglicher elektrischer Störkopplungen.
24.3 Warum können geerdete Thermoelemente Messfehler verursachen?
Über die leitende Verbindung zur Prozessanlage können Gleichtaktspannungen und Störungen auf den Sensorkreis wirken. Wenn der Messeingang oder die Verdrahtung ungeeignet ausgeführt ist, können daraus Messfehler entstehen. Ein korrekt ausgelegter isolierter Messeingang kann solche Einflüsse wesentlich reduzieren.
24.4 Benötigt jedes geerdete Thermoelement einen galvanisch getrennten Messumformer?
Nicht zwangsläufig. Entscheidend sind die tatsächlichen Potenzialverhältnisse, die Eigenschaften des Eingangs und die Sicherheitsanforderungen. In industriellen Anlagen mit unterschiedlichen Massepotenzialen oder ausgeprägten Störeinflüssen ist eine geeignete galvanische Trennung jedoch häufig besonders sinnvoll.
24.5 Was bedeutet galvanische Eingangstrennung bei einem Temperaturmessumformer?
Sie bedeutet, dass zwischen dem Thermoelement-Eingangskreis und dem entsprechend getrennten Ausgangs- beziehungsweise Versorgungskreis keine direkte leitende Verbindung besteht. Das Messsignal wird über eine geeignete Isolationsbarriere übertragen.
24.6 Ist ein 4–20-mA-Temperaturmessumformer automatisch galvanisch getrennt?
Nein. Auch nicht isolierte Temperaturtransmitter können ein 4–20-mA-Signal liefern. Die galvanische Trennung muss ausdrücklich durch die technischen Daten beziehungsweise das Blockschaltbild der konkreten Geräteausführung bestätigt werden.
24.7 Was ist der Vorteil einer Drei-Port-Trennung?
Bei einer Drei-Port-Trennung sind Sensoreingang, Signalausgang und Hilfsenergie entsprechend der Gerätespezifikation galvanisch voneinander getrennt. Dadurch können unerwünschte direkte leitende Verbindungen zwischen den verschiedenen Stromkreisen vermieden werden. Ein Beispiel ist der DT 45800 von ICS Schneider.
24.8 Muss die Schirmung eines Thermoelements einseitig angeschlossen werden?
Eine einseitige Schirmanbindung ist in vielen Messanwendungen geeignet, um niederfrequente Ausgleichsströme über den Schirm zu vermeiden. Bei besonderen hochfrequenten EMV-Anforderungen kann auch eine beidseitige Anbindung sinnvoll sein. Maßgeblich sind Potenzialausgleich, Störumgebung und Herstelleranweisungen.
24.9 Darf ich den Schutzleiter entfernen, wenn die Temperaturmessung gestört ist?
Nein. Sicherheitstechnisch notwendige Schutzleiter und Potenzialausgleichsverbindungen dürfen nicht zur Verbesserung der Messanzeige entfernt werden. Störungen müssen durch eine geeignete Signaltrennung, Schirmung, Leitungsführung oder andere fachgerechte Maßnahmen behoben werden.
24.10 Kann der Mantel eines geerdeten Thermoelements auf einem anderen Potenzial als die SPS liegen?
Ja. Zwischen der Prozessanlage und dem Schaltschrank können Potenzialunterschiede auftreten. Bei einer leitenden Verbindung zwischen Thermoelement und Prozessanlage kann dies den Gleichtaktpegel am Messeingang beeinflussen. Die zulässigen Eingangsbedingungen müssen deshalb geprüft werden.
24.11 Warum ist das Thermoelementsignal besonders störanfällig?
Thermoelemente erzeugen sehr kleine Spannungen. Bei einem Thermoelement Typ K beträgt die Empfindlichkeit in der Nähe der Raumtemperatur ungefähr 41 µV/K. Schon kleine zusätzlich wirksame Differenzspannungen können deshalb messbare Temperaturabweichungen verursachen.
24.12 Welche Leitung sollte ich für ein Thermoelement Typ K verwenden?
Es muss eine für Typ K geeignete Thermoleitung, Verlängerungsleitung oder Ausgleichsleitung entsprechend den vorgesehenen Temperaturbedingungen verwendet werden. Polarität, Kennzeichnung und die Anforderungen nach IEC 60584-3 sind zu berücksichtigen. In störungsintensiven Bereichen kann eine geeignete geschirmte, verdrillte Ausführung sinnvoll sein.
24.13 Was bedeutet Vergleichsstellenkompensation?
Die Vergleichsstellenkompensation berücksichtigt die Temperatur am vorgesehenen elektrischen Übergang zwischen Thermoelementleitung und Messelektronik. Ohne korrekte Kompensation kann aus der Thermospannung keine zuverlässige absolute Messtemperatur bestimmt werden.
24.14 Kann eine falsche Vergleichsstellenkompensation wie ein Erdungsproblem aussehen?
Ja. Beide Fehler können zu unplausiblen Temperaturwerten führen. Eine fehlerhafte Vergleichsstelle verursacht jedoch einen anderen physikalischen Einfluss als eine elektrische Gleichtaktstörung. Beide Ursachen müssen daher getrennt untersucht werden.
24.15 Ist ein Kopftransmitter besser als ein Schienentransmitter?
Ein Kopftransmitter verkürzt die Übertragung des empfindlichen Thermoelementsignals und wandelt es bereits am Sensor in ein robusteres Normsignal um. Ein Schienentransmitter bietet dagegen Vorteile bei zentraler Montage und Wartungszugänglichkeit. Welche Lösung besser ist, hängt von Temperaturen, Leitungslänge, Störumgebung und erforderlicher galvanischer Trennung ab.
24.16 Kann ich mehrere geerdete Thermoelemente an einen Mehrkanaltransmitter anschließen?
Das ist möglich, wenn der Mehrkanaltransmitter für die tatsächlichen elektrischen Potenziale und die vorgesehene Sensorkonfiguration geeignet ist. Eine gemeinsame Eingang-Ausgang-Isolation bedeutet nicht automatisch, dass die einzelnen Sensoreingänge untereinander galvanisch getrennt sind.
24.17 Welche Temperaturmessumformer von ICS bieten eine galvanische Trennung?
Im ICS-Sortiment befinden sich unter anderem der DT 45800 mit Drei-Port-Trennung, die INOR-Transmitter IPAQ C330 und IPAQ R330 sowie der WIKA T38. Auch der hochisolierte IPAQ-4L ist für entsprechende Signalaufgaben verfügbar. Die konkrete Ausführung und die zulässigen Isolationsbedingungen müssen zur Anwendung passen.
24.18 Welche Angaben benötigt ICS Schneider für die Geräteauswahl?
Benötigt werden der Thermoelementtyp, die Ausführung der Messstelle als geerdet oder isoliert, der Temperaturmessbereich, die Einbauart und die vorhandenen Prozessbedingungen. Zusätzlich sind Leitungslänge, Ausgleichsleitung, Schirmung, elektrische Potenzialverhältnisse, mögliche EMV-Störquellen und die Art der angeschlossenen Steuerung wichtig. Für die Auswahl des Temperaturmessumformers werden außerdem Anforderungen an galvanische Trennung, zulässige Arbeitsspannung, Ausgangssignal, Versorgung, HART-Kommunikation, Diagnosefunktionen, Einbauort und gegebenenfalls Ex- oder SIL-Ausführungen benötigt. Bei anspruchsvollen Messaufgaben sind zusätzlich die gewünschte Messunsicherheit, Dynamik und erforderliche Kalibrierung anzugeben.