Eine industrielle Temperaturmessstelle zeigt im normalen Betrieb konstante 220 °C an. Sobald ein benachbarter Frequenzumrichter seinen Motor einschaltet, beginnt der angezeigte Temperaturwert zwischen 215 und 235 °C zu schwanken. Nach dem Abschalten des Motors stabilisiert sich die Anzeige wieder. Der eigentliche Prozess hat sich in dieser kurzen Zeit jedoch kaum verändert. Auch der verwendete Thermoelementfühler ist bei einer Überprüfung unauffällig.
Die Ursache kann in der elektrischen Installation liegen: Die Thermoelementleitung wird über mehrere Meter gemeinsam mit einem Leistungskabel geführt. Wechselnde Magnetfelder, hohe Spannungsänderungsgeschwindigkeiten und unterschiedliche elektrische Potentiale können dabei Störspannungen auf das empfindliche Thermoelementsignal einkoppeln.
Thermoelemente liefern im Gegensatz zu vielen industriellen Messumformern kein bereits verstärktes Standardsignal. Die Temperaturinformation liegt zunächst als sehr kleine thermoelektrische Spannung vor. Bei einem Thermoelement Typ K beträgt die Empfindlichkeit in einem begrenzten Temperaturbereich um 200 °C ungefähr 40 bis 41 µV/K. Schon eine zusätzlich wirksame Störspannung von 0,4 mV kann deshalb rechnerisch einer scheinbaren Temperaturänderung von etwa 10 K entsprechen.
Besonders störanfällig können lange Thermoelementleitungen sein, die parallel zu Motorleitungen, Umrichterausgängen, Schützen, Heizungsversorgungen oder anderen leistungsführenden Kabeln verlaufen. Dabei sind mehrere Störmechanismen zu unterscheiden: induktive Einkopplung durch zeitlich veränderliche Magnetfelder, kapazitive Einkopplung durch elektrische Felder und Gleichtaktstörungen aufgrund unterschiedlicher elektrischer Potentiale.
Eine geschirmte Leitung kann die Störfestigkeit verbessern, ist aber keine universelle Lösung. Entscheidend sind der Kabelaufbau, die Verdrillung der Adern, die Art der Einkopplung, die Schirmkontaktierung, der Potentialausgleich und die Eigenschaften des angeschlossenen Messeingangs.
Ein einseitig angeschlossener Schirm kann unter bestimmten Bedingungen niederfrequente Schirmausgleichsströme vermeiden. Bei hochfrequenten Störungen, beispielsweise an Frequenzumrichtern, kann dagegen eine beidseitige, niederimpedante und möglichst flächige Schirmanbindung erforderlich sein. Welche Ausführung geeignet ist, muss anhand des jeweiligen EMV- und Erdungskonzepts festgelegt werden.
Eine weitere Fehlerquelle ist die Verwechslung einer elektromagnetischen Störung mit einem echten Temperaturmessfehler. Fehlerhafte Ausgleichsleitungen, vertauschte Thermoelementadern, ungleichmäßig temperierte Anschlussklemmen oder eine ungeeignete Vergleichsstellenkompensation können ebenfalls falsche Temperaturwerte verursachen. Solche Fehler lassen sich nicht einfach durch einen zusätzlichen Kabelschirm beseitigen.
Der vorliegende Fachbeitrag erklärt die physikalischen Ursachen elektromagnetischer Störungen an Thermoelementleitungen und zeigt, wie sich eine störungsarme Leitungsführung in industriellen Anlagen planen lässt. Im Mittelpunkt stehen die Trennung von Signal- und Leistungskabeln, die Auswahl geeigneter Thermoelementleitungen, die richtige Schirm- und Erdungsstrategie sowie die Verwendung galvanisch getrennter Temperaturtransmitter.
Ein ausführliches Rechenbeispiel verdeutlicht, wie kleine eingekoppelte Spannungen zu erheblichen scheinbaren Temperaturabweichungen führen können. Ergänzend werden Sensoraufbau, Wärmeübergang, Vergleichsstellenkompensation, Diagnose, Inbetriebnahme und geeignete Produkte aus dem ICS-Sortiment behandelt.
Inhaltsverzeichnis
- Messaufgabe und typische Störungen in Industrieanlagen
- Thermoelektrische Spannung und physikalische Grundlagen
- Aufbau und Signalweg einer Thermoelementmessung
- Induktive, kapazitive und galvanische Störungen unterscheiden
- Geerdete und isolierte Thermoelement-Messstellen auswählen
- Thermoelement- und Leistungskabel richtig verlegen
- Kabellänge, Störspannung und Messbereich dimensionieren
- Praxisbeispiel: Induzierte Störspannung und Temperaturabweichung berechnen
- Sensorposition, Einbau und Wärmeübergang berücksichtigen
- Thermoleitung, Verlängerungsleitung und Ausgleichsleitung unterscheiden
- Schirmmaterial, Schirmanschluss und Schirmwirkung
- Erdung, Potentialausgleich und Masseschleifen
- Frequenzumrichter, Motorleitungen und PWM-Störungen
- Vergleichsstellenkompensation und Anschlussklemmen
- Differenzielle Messeingänge und galvanische Trennung
- Temperaturtransmitter nahe der Messstelle einsetzen
- Messwertfilter, Abtastrate und Signalverarbeitung
- Messunsicherheit und systematische Fehler getrennt bewerten
- Elektrische Sicherheit, Explosionsschutz und Normen
- Systematischer Prüf- und Inbetriebnahmeablauf
- Typische Fehlerbilder und gezielte Diagnose
- Passende ICS-Produkte und Auswahlmöglichkeiten
- Fazit: Störungsarme Thermoelementmessung richtig planen
- Häufig gestellte Fragen zur Verlegung von Thermoelementleitungen
1. Messaufgabe und typische Störungen in Industrieanlagen
In einer Industrieanlage werden Thermoelemente häufig über größere Entfernungen mit Temperaturreglern, SPS-Eingängen, Schreibern oder Messumformern verbunden.
Während die Temperaturmessstelle beispielsweise an einem Ofen, einer Rohrleitung oder einem Extruder liegt, befindet sich die Signalverarbeitung in einem Schaltschrank.
Zwischen Sensor und Schaltschrank können zahlreiche elektrische Störquellen vorhanden sein.
Typische Beispiele sind:
- Frequenzumrichter für Motoren und Pumpen.
- Leistungsleitungen zu elektrischen Heizungen.
- Schaltende Schütze und Magnetventile.
- Leistungsschütze und Halbleiterschalter.
- Schweißanlagen und andere Geräte mit hohen elektrischen Strömen.
- Motorleitungen mit pulsweitenmodulierter Spannung.
- Ungünstig aufgebaute Erdungs- und Potentialausgleichssysteme.
- Mehrere Messkanäle mit unterschiedlichen Massepotentialen.
Die Störanfälligkeit hängt stark davon ab, wie das Thermoelementsignal übertragen wird.
Bei einer direkten Thermoelementmessung gelangt die kleine thermoelektrische Spannung bis zum Messgerät. Jede zusätzlich eingekoppelte Spannung kann das Messergebnis beeinflussen.
Bei einer Messstelle mit einem geeigneten Temperaturtransmitter wird das Thermoelementsignal dagegen bereits in der Nähe des Sensors aufbereitet und in ein industrielles Ausgangssignal umgewandelt.
Dadurch lässt sich die Länge des besonders empfindlichen Rohsignalwegs deutlich reduzieren.
1.1 Typische Fehlerbilder
Elektromagnetische Störungen können sich unterschiedlich bemerkbar machen.
Häufig treten stark schwankende Temperaturanzeigen, scheinbare Temperatursprünge oder periodische Änderungen im Zusammenhang mit Maschinenzyklen auf.
Auch eine scheinbar gleichbleibende Temperaturabweichung ist möglich, wenn hochfrequente Störungen im Messeingang gleichgerichtet, überlagert oder durch unzureichende Abtastung falsch ausgewertet werden.
Ein schwankender Messwert beweist jedoch nicht automatisch, dass eine elektromagnetische Störung vorliegt.
Auch lose Kontakte, Fühlerbruch, mechanische Veränderungen der Messstelle oder reale Prozessschwankungen können ähnliche Anzeigen verursachen.
1.2 Welche Information wird benötigt?
Vor einer Änderung der Installation sollten mindestens der Thermoelementtyp, der Leitungsweg, die Entfernung zur Auswerteelektronik, der Aufbau des Messeingangs und die vorhandenen elektrischen Störquellen bekannt sein.
Ebenso sollte geklärt werden, ob die Störung mit einer bestimmten Maschine, Schaltfunktion oder Drehzahl zusammenhängt.
Diese Informationen bilden die Grundlage für eine gezielte und nachvollziehbare Fehlerdiagnose.
2. Thermoelektrische Spannung und physikalische Grundlagen
Ein Thermoelement besteht aus zwei Leitern unterschiedlicher thermoelektrischer Eigenschaften.
Zwischen Messstelle und Referenzstelle entsteht infolge des Seebeck-Effekts eine Thermospannung, die vom Temperaturverlauf beziehungsweise bei homogenen Leiterwerkstoffen von den Temperaturen der maßgeblichen Verbindungsstellen abhängt.
Die Thermospannung wird durch eine geeignete Messelektronik erfasst und anhand der Kennlinie des verwendeten Thermoelementtyps in eine Temperatur umgerechnet.
2.1 Das Signal liegt im Millivoltbereich
Die Thermospannung industrieller Thermoelemente ist relativ klein.
Die Empfindlichkeit wird häufig in Mikrovolt pro Kelvin angegeben und ist temperaturabhängig.
Bei einem Thermoelement Typ K liegt die lokale Empfindlichkeit in vielen industriell relevanten Temperaturbereichen ungefähr bei 40 µV/K.
Eine allgemeine, für alle Temperaturen konstante Umrechnung ist jedoch nicht zulässig.
Die genauen Beziehungen zwischen Temperatur und Thermospannung sind in IEC 60584-1 beschrieben.
2.2 Lokale Temperaturempfindlichkeit
Für eine kleine Temperaturänderung kann näherungsweise geschrieben werden:
ΔU ≈ S(T) · ΔT
Dabei bezeichnet:
- ΔU die Änderung der Thermospannung.
- S(T) die lokale thermoelektrische Empfindlichkeit.
- ΔT die entsprechende Temperaturänderung.
Daraus folgt näherungsweise:
ΔT ≈ ΔU / S(T)
Diese Beziehung ist besonders hilfreich, um die mögliche Bedeutung einer zusätzlich eingekoppelten Störspannung abzuschätzen.
2.3 Sehr kleine Störspannungen können relevant sein
Bei einer angenommenen Empfindlichkeit von 41 µV/K entspricht eine zusätzliche differenzielle Spannung von 410 µV rechnerisch ungefähr 10 K.
Dieser Wert zeigt, weshalb Thermoelementleitungen in elektrisch belasteten Industrieanlagen sorgfältig installiert werden müssen.
Eine Störspannung muss nicht mehrere Volt betragen, um die Temperaturanzeige deutlich zu beeinflussen.
2.4 Temperaturkennlinie statt pauschalem Faktor
Für die genaue Temperaturberechnung werden die genormten Kennlinien des entsprechenden Thermoelements verwendet.
Dies ist insbesondere bei großen Temperaturbereichen wichtig, da die Empfindlichkeit vom jeweiligen Temperaturniveau abhängt.
Die vereinfachte Mikrovolt-pro-Kelvin-Rechnung wird im folgenden Rechenbeispiel ausdrücklich nur zur Abschätzung einer lokalen Abweichung verwendet.
3. Aufbau und Signalweg einer Thermoelementmessung
Eine industrielle Thermoelementmessung besteht nicht nur aus dem eigentlichen Temperatursensor.
Die vollständige Messkette umfasst die Messstelle, die Anschlussleitung, mögliche Übergangsstellen, die Vergleichsstellenkompensation, den Messeingang und die nachfolgende Signalverarbeitung.
3.1 Messstelle
Die Messstelle ist der Bereich, in dem die beiden thermoelektrischen Leiter miteinander verbunden sind und dessen Temperatur erfasst werden soll.
Je nach Ausführung kann diese Verbindung elektrisch mit dem metallischen Außenmantel verbunden oder davon isoliert sein.
3.2 Thermoelementleitung
Die Leitung zwischen Thermoelement und Messelektronik muss zur jeweiligen Messaufgabe passen.
Sie muss insbesondere den richtigen Thermoelementtyp beziehungsweise einen geeigneten Verlängerungs- oder Ausgleichsleitungstyp aufweisen.
Außerdem müssen Leiterisolierung, mechanische Eigenschaften und gegebenenfalls vorhandene Schirmung für die Installationsumgebung geeignet sein.
3.3 Anschluss- und Übergangsstellen
An Steckverbindern, Klemmen und Übergängen können zusätzliche thermoelektrische Effekte entstehen.
Besonders kritisch sind ungeeignete Leiterwerkstoffe und Temperaturunterschiede zwischen den beiden Anschlussstellen.
3.4 Vergleichsstellenkompensation
Da ein Thermoelement eine temperaturabhängige Spannungsdifferenz liefert, muss die Temperatur der Referenzstelle bei der Auswertung berücksichtigt werden.
Viele moderne Messgeräte und Temperaturtransmitter besitzen hierfür eine interne Vergleichsstellenkompensation.
Eine fehlerhafte Temperaturerfassung an der Anschlussstelle kann auch dann zu Messfehlern führen, wenn die Thermoelementleitung elektromagnetisch störungsarm verlegt ist.
3.5 Signalaufbereitung
Der Messeingang verstärkt beziehungsweise digitalisiert die Thermospannung und berechnet anhand der entsprechenden Kennlinie die Temperatur.
Bei vielen industriellen Messumformern stehen zusätzlich Funktionen wie Drahtbruchüberwachung, Filterung, Linearisierung und standardisierte Ausgangssignale zur Verfügung.
Wichtig: Für die Bewertung elektromagnetischer Störungen muss immer die vollständige Messkette betrachtet werden. Ein hochwertiger Thermoelementfühler kann durch eine ungeeignete Anschlussleitung oder einen schlecht geplanten Messeingang erhebliche Messabweichungen aufweisen.
4. Induktive, kapazitive und galvanische Störungen unterscheiden
Nicht jede elektromagnetische Störung gelangt auf demselben physikalischen Weg in die Thermoelementmessung.
Für die Auswahl geeigneter Gegenmaßnahmen ist die Art der Kopplung entscheidend.
4.1 Induktive Einkopplung
Ein zeitlich veränderlicher elektrischer Strom erzeugt ein zeitlich veränderliches Magnetfeld.
Verläuft eine Thermoelementleitung in diesem Feld, kann in einer wirksamen Leiterschleife eine Spannung induziert werden.
Nach dem Induktionsgesetz ist die induzierte Spannung von der zeitlichen Änderung des magnetischen Flusses abhängig.
Uind = -dΦ/dt
Die Gleichung beschreibt den Zusammenhang für eine geeignete geschlossene Schleife.
Je größer die wirksame Schleifenfläche und die Änderung des magnetischen Flusses, desto größer kann die eingekoppelte Spannung ausfallen.
Das enge Zusammenführen beziehungsweise Verdrillen der beiden Thermoelementadern reduziert die wirksame Schleifenfläche und verbessert in vielen Fällen die Unterdrückung induktiver Störungen.
4.2 Kapazitive Einkopplung
Zwischen benachbarten Leitern bestehen parasitäre elektrische Kapazitäten.
Ändert sich die Spannung auf einem Leistungskabel schnell, können über diese Kapazitäten Störströme in benachbarte Signalleitungen eingekoppelt werden.
Vereinfacht gilt für eine konstante Kopplungskapazität:
ik = Ck · dU/dt
Besonders hohe Spannungsänderungsgeschwindigkeiten können an den Ausgängen von Frequenzumrichtern auftreten.
Ein geeigneter Kabelschirm kann die elektrische Feldkopplung reduzieren, wenn er fachgerecht angeschlossen ist.
4.3 Galvanische Störungen und Potentialunterschiede
Unterschiedliche elektrische Bezugspotentiale zwischen Messstelle, Maschinenrahmen und Auswertegerät können zusätzliche Störungen verursachen.
Bei einem geerdeten Thermoelement kann die Messstelle elektrisch mit dem metallischen Fühlermantel und damit mit der Anlage verbunden sein.
Wenn gleichzeitig der Messeingang eine weitere Erdverbindung besitzt, können ungewollte Strompfade oder Gleichtaktspannungen entstehen.
Eine geeignete galvanische Trennung und ein korrekt ausgelegter Potentialausgleich können solche Probleme reduzieren.
4.4 Gleichtakt- und Differenzstörungen
Eine Gleichtaktstörung wirkt zunächst in ähnlicher Weise auf beide Thermoelementleiter gegenüber einem Bezugspotential.
Eine Differenzstörung liegt direkt zwischen den beiden Messeingangsleitern.
Ein differenzieller Messeingang kann Gleichtaktanteile innerhalb seiner spezifizierten Grenzen unterdrücken.
Eine tatsächlich vorhandene differenzielle Störspannung lässt sich hingegen nicht allein durch Gleichtaktunterdrückung entfernen.
| Störmechanismus | Typische Ursache | Auswirkung auf die Messung | Geeignete Gegenmaßnahmen |
|---|---|---|---|
| Induktive Einkopplung | Zeitlich veränderliche Ströme und Magnetfelder | Zusätzliche induzierte Spannung in der Messschleife | Getrennte Leitungsführung, geringe Schleifenfläche, verdrillte Adern |
| Kapazitive Einkopplung | Hohe Spannungsänderungsgeschwindigkeiten benachbarter Leitungen | Eingekoppelte Störströme und Spannungen | Geeigneter Kabelschirm, Trennung der Leitungswege, niederimpedante Schirmanbindung |
| Gleichtaktstörung | Unterschiedliche Potentiale und elektromagnetische Einkopplung auf beide Leiter | Überschreitung des zulässigen Gleichtaktbereichs oder Umwandlung in Differenzstörungen | Differenzieller Messeingang, Potentialausgleich, geeignete galvanische Trennung |
| Masseschleife | Mehrere unerwünschte galvanische Verbindungen zwischen Anlagenteilen | Störströme und potentialabhängige Messabweichungen | Erdungs- und Schirmkonzept prüfen, definierte Bezugspunkte, Trennung nach Herstellervorgabe |
| Schalttransienten | Schütze, Magnetventile, Umrichter und Leistungselektronik | Kurze Temperatursprünge oder instabile Anzeige | Störquelle fachgerecht entstören, Leitungsführung korrigieren, geeignete Eingangsfilter |
| Thermoelektrischer Anschlussfehler | Falsche Ausgleichsleitung oder ungleichmäßig temperierte Übergangsklemmen | Systematische oder temperaturabhängige Messabweichung | Passende Leitung, korrekte Polarität, isotherme Anschlussbedingungen und Vergleichsstellenkompensation |
Die Gegenmaßnahmen sollten immer nach der tatsächlich vorliegenden Störung ausgewählt werden.
Eine zusätzliche Schirmung kann beispielsweise kapazitive Einkopplung reduzieren, ist aber kein gleichwertiger Ersatz für eine geringe Schleifenfläche bei magnetischer Induktion.
5. Geerdete und isolierte Thermoelement-Messstellen auswählen
Der elektrische Aufbau der Thermoelement-Messstelle beeinflusst das Verhalten gegenüber elektromagnetischen Störungen und Potentialunterschieden.
5.1 Geerdete Messstelle
Bei einem geerdeten Thermoelement ist die thermoelektrische Messverbindung elektrisch mit dem metallischen Außenmantel verbunden.
Wenn der Mantel leitend mit einem Maschinengehäuse oder einer Prozessanlage verbunden ist, kann dadurch auch eine elektrische Verbindung zwischen dem Thermoelementsignal und dem Anlagenpotential entstehen.
Das kann für die Wärmeübertragung und Ansprechzeit Vorteile besitzen, erfordert aber eine sorgfältige Betrachtung der elektrischen Einbindung.
Insbesondere bei geerdeten Messstellen muss der angeschlossene Messeingang für die vorhandenen Potentialverhältnisse geeignet sein.
5.2 Isolierte Messstelle
Bei einer isolierten Messstelle ist die thermoelektrische Verbindung elektrisch vom metallischen Außenmantel getrennt.
Dadurch kann die direkte galvanische Kopplung zwischen Prozessanlage und Thermoelement-Eingang reduziert werden.
Eine isolierte Messstelle beseitigt jedoch nicht sämtliche elektromagnetischen Einkopplungen.
Insbesondere kapazitive Kopplungen, unzureichende Schirmung und ungeeignete Anschlussleitungen können weiterhin Störungen verursachen.
5.3 Wärmeübergang und Ansprechzeit
Eine geerdete Messstelle kann aufgrund des direkten thermischen Kontakts zwischen Messverbindung und Außenmantel schneller reagieren als eine vergleichbare isolierte Ausführung.
Die tatsächliche Ansprechzeit hängt jedoch von der gesamten Sensorbauform und den Einbaubedingungen ab.
Ein großer Schutzrohrdurchmesser oder ein ungünstiger Wärmeübergang kann den Vorteil einer bestimmten Messstellenkonstruktion teilweise oder vollständig überlagern.
5.4 Auswahl nach dem Gesamtsystem
Die Wahl zwischen geerdeter und isolierter Messstelle muss die mechanischen Anforderungen, die erforderliche Ansprechzeit und die elektrische Störsituation berücksichtigen.
Eine geerdete Messstelle kann mit einem geeigneten galvanisch getrennten Messeingang eine technisch sinnvolle Kombination bilden.
Eine isolierte Messstelle kann bei problematischen Potentialverhältnissen Vorteile bieten.
Keine der beiden Ausführungen ist unter allen Bedingungen grundsätzlich überlegen.
6. Thermoelement- und Leistungskabel richtig verlegen
Die Leitungsführung ist eine der wichtigsten Maßnahmen zur Vermeidung elektromagnetischer Störungen.
Wenn Thermoelementleitungen über längere Strecken direkt parallel zu Leistungskabeln geführt werden, können die elektrischen und magnetischen Kopplungen erheblich zunehmen.
6.1 Getrennte Leitungswege bevorzugen
Thermoelementleitungen sollten nach Möglichkeit getrennt von Leistungsleitungen verlegt werden.
Besonders wichtig ist dies bei Motorleitungen von Frequenzumrichtern und anderen Leitungen mit hohen Strom- beziehungsweise Spannungsänderungsraten.
Eine separate Kabeltrasse oder ein geeigneter metallisch getrennter Installationsbereich kann die Störfestigkeit verbessern.
6.2 Gemeinsame Kabeltrassen
Ist eine gemeinsame Kabeltrasse konstruktiv unvermeidbar, muss geprüft werden, ob die verwendeten Leitungssysteme und die erforderlichen Trennmaßnahmen für die Installation geeignet sind.
Eine metallische Trennwand kann dazu beitragen, die elektromagnetische Kopplung zu reduzieren.
Damit eine solche Trennung wirksam ist, müssen unter anderem die elektrische Kontaktierung, die Leitfähigkeit und die Hochfrequenzeigenschaften des Trennsystems berücksichtigt werden.
Eine beliebige dünne Trennwand aus Kunststoff besitzt nicht dieselbe elektromagnetische Schirmwirkung wie eine geeignet ausgeführte metallische Trennung.
6.3 Parallelführung begrenzen
Eine lange parallele Führung erhöht die Möglichkeit, dass Störungen über den gemeinsamen Leitungsweg eingekoppelt werden.
Deshalb sollte die gemeinsame Führung über größere Entfernungen möglichst vermieden werden.
Es existiert jedoch kein für alle Anlagen universell gültiger Mindestabstand, der unabhängig von Kabelart, Schirmung, Leistung, Installation und EMV-Umgebung die Störfreiheit garantiert.
Erforderliche Trennabstände sind anhand der anwendbaren Installationsvorgaben und der Herstellerunterlagen festzulegen.
6.4 Kreuzung von Leitungen
Müssen Thermoelement- und Leistungskabel einander kreuzen, ist eine möglichst kurze Kreuzung mit annähernd 90° häufig günstiger als eine lange parallele Führung.
Dadurch wird die gemeinsame Kopplungsstrecke reduziert.
Auch hier sind die mechanischen und elektrischen Installationsvorgaben einzuhalten.
6.5 Verdrillung der Adern
Die beiden Leiter des Thermoelementkreises sollten bei geeigneten Kabelausführungen möglichst eng miteinander geführt werden.
Ein verdrilltes Leiterpaar reduziert die wirksame Fläche der Messschleife und kann dadurch insbesondere magnetisch induzierte Störungen vermindern.
Die Verdrillung ersetzt jedoch weder eine geeignete Schirmung noch die Trennung von stark störenden Leitungen.
6.6 Schutzleiter und sichere Trennung
Die erforderliche elektrische Sicherheit darf durch Maßnahmen zur Verbesserung der Messsignalqualität nicht beeinträchtigt werden.
Schutzleiterverbindungen und vorgeschriebene Potentialausgleichsleiter dürfen insbesondere nicht unterbrochen werden, um eine vermeintliche Masseschleife zu beseitigen.
Elektrische Trennung und Schirmung müssen im Rahmen des vorgesehenen Sicherheits- und EMV-Konzepts umgesetzt werden.
7. Kabellänge, Störspannung und Messbereich dimensionieren
Bei der Planung einer Thermoelementmessung muss zwischen dem eigentlichen thermischen Messbereich und den elektrischen Bedingungen des Signalwegs unterschieden werden.
7.1 Thermoelementtyp auswählen
Thermoelemente besitzen je nach Typ unterschiedliche Kennlinien, Temperaturbereiche und thermoelektrische Empfindlichkeiten.
Für die Auswahl sind die Prozesstemperatur, die Einsatzatmosphäre, die erforderliche Genauigkeit und die mechanische Sensorbauform entscheidend.
Die Verwendung eines Thermoelements Typ K ist beispielsweise nicht allein deshalb erforderlich, weil in der Anlage elektromagnetische Störungen auftreten.
7.2 Leitungslänge
Mit zunehmender Leitungslänge können Leitungskapazität, mögliche Einkopplungsstrecke und Installationsaufwand zunehmen.
Die reine Leitungslänge verursacht bei einem ideal hochohmigen Thermoelementmesseingang jedoch nicht automatisch einen proportionalen Spannungsabfall wie bei einer belasteten Stromleitung.
Praktisch können Leiterwiderstand, Eingangsbiasströme, Leckströme, parasitäre Kapazitäten und schlechte Kontakte dennoch relevant werden.
7.3 Störspannung relativ zum Nutzsignal
Die Störanfälligkeit einer Temperaturmessung hängt nicht nur von der absoluten Höhe der Störspannung ab.
Entscheidend ist, wie groß die Störspannung im Verhältnis zur lokalen Empfindlichkeit des Thermoelements ist.
Bei einer Empfindlichkeit von etwa 41 µV/K entsprechen schon 100 µV zusätzlicher differenzieller Spannung einer scheinbaren Temperaturabweichung von ungefähr 2,4 K.
7.4 Messbereich des Transmitters
Ein Temperaturtransmitter sollte auf den tatsächlich relevanten Temperaturbereich konfiguriert werden.
Ein unnötig großer Ausgangsmessbereich kann bei nachgeschalteter analoger Erfassung die Auflösung der Prozessanzeige ungünstig beeinflussen.
Der gewählte Messbereich darf jedoch mögliche reale Prozesszustände nicht unzulässig ausblenden.
7.5 Zulässige Kabeltemperatur
Die zulässige Temperatur der Leitung muss getrennt vom Messbereich des Thermoelements betrachtet werden.
Ein Sensor kann für hohe Prozesstemperaturen geeignet sein, während die angeschlossene PVC-, Silikon- oder PTFE-Leitung eine deutlich niedrigere zulässige Umgebungstemperatur besitzt.
Bei der Auslegung müssen deshalb Sensor und Kabelisolierung jeweils für ihre tatsächliche Einbausituation ausgewählt werden.
8. Praxisbeispiel: Induzierte Störspannung und Temperaturabweichung berechnen
Eine industrielle Anlage verwendet ein Thermoelement Typ K zur Überwachung der Temperatur einer beheizten Maschine.
Der Thermoelementsensor ist über eine längere Leitung mit einem Temperaturmesseingang im Schaltschrank verbunden.
Auf einem Teil des Leitungswegs verläuft die Thermoelementleitung parallel zur Motorleitung eines Frequenzumrichters.
Beim Betrieb des Motors treten kurzzeitig unplausible Schwankungen in der Temperaturanzeige auf.
8.1 Ausgangsdaten und Annahmen
Für das folgende Rechenbeispiel werden ausdrücklich frei gewählte technische Annahmen verwendet:
- Thermoelementtyp: Typ K.
- Tatsächliche Prozesstemperatur: 200 °C.
- Gesamtlänge der Thermoelementleitung: 40 m.
- Teilweise gemeinsame Führung mit einer Motorleitung.
- Angenommene lokale Thermoelementempfindlichkeit: 41 µV/K.
- Angenommene zusätzliche differenzielle Störspannung in einem betrachteten Messmoment: +0,410 mV.
- Temperaturmessbereich des Transmitters: 0 bis 400 °C.
- Lineares Ausgangssignal des Transmitters: 4 bis 20 mA.
- Vergleichsstellenkompensation: für dieses Beispiel ideal und fehlerfrei angenommen.
Die Leitungslänge und die eingekoppelte Störspannung sind frei gewählte Beispielwerte.
Aus der Länge von 40 m kann die angenommene Störspannung nicht unmittelbar berechnet werden. Dafür wären zusätzliche Informationen über Feldstärken, Leitergeometrie, Kopplung, Schirmung und Frequenzspektrum erforderlich.
8.2 Störspannung in Mikrovolt umrechnen
Die angenommene Störspannung beträgt:
UStör = 0,410 mV
Da 1 mV gleich 1.000 µV ist, ergibt sich:
UStör = 410 µV
8.3 Scheinbare Temperaturabweichung berechnen
Für eine kleine Temperaturänderung gilt näherungsweise:
ΔT ≈ UStör / S(T)
Einsetzen der angenommenen Werte:
ΔT ≈ 410 µV / (41 µV/K)
ΔT ≈ 10 K
Die eingekoppelte Störspannung kann damit in diesem vereinfachten Beispiel eine scheinbare Temperaturabweichung von ungefähr +10 °C verursachen.
Bei einer tatsächlichen Temperatur von 200 °C würde die Messung im betrachteten Moment rechnerisch ungefähr 210 °C anzeigen.
Bei entgegengesetzter Störspannung von -410 µV könnte die Anzeige näherungsweise auf 190 °C fallen.
Diese Betrachtung beschreibt die Wirkung einer im betrachteten Messmoment wirksamen differenziellen Eingangsstörspannung. Eine reine hochfrequente Wechselstörung führt nicht automatisch zu einem konstanten Temperatur-Offset. Das tatsächliche Anzeigeverhalten hängt von Frequenz, Filterung, Abtastung und möglicher Gleichrichtung im Messeingang ab.
8.4 Ausgangssignal des Temperaturtransmitters
Für einen linear auf 0 bis 400 °C eingestellten Temperaturtransmitter mit 4-bis-20-mA-Ausgang gilt:
I = 4 mA + 16 mA · (T – Tmin) / (Tmax – Tmin)
Bei der tatsächlichen Prozesstemperatur von 200 °C ergibt sich:
I = 4 mA + 16 mA · 200 / 400
I = 12,00 mA
Bei einer scheinbaren Temperatur von 210 °C folgt:
I = 4 mA + 16 mA · 210 / 400
I = 12,40 mA
Der Unterschied beträgt:
ΔI = +0,40 mA
Eine am Thermoelementeingang wirksame Störspannung kann daher nach der Signalaufbereitung als scheinbar gültige Temperaturänderung im industriellen Stromsignal erscheinen.
8.5 Zweiter Rechenfall mit kleinerer Störspannung
Wird die wirksame Störspannung durch eine verbesserte Installation im betrachteten Moment beispielhaft auf 82 µV reduziert, ergibt sich:
ΔT ≈ 82 µV / (41 µV/K)
ΔT ≈ 2 K
Damit würde dieselbe reale Prozesstemperatur bei einer positiven Störspannung näherungsweise als 202 °C dargestellt.
Das zugehörige Ausgangssignal wäre:
I = 4 mA + 16 mA · 202 / 400
I = 12,08 mA
Die berechnete Temperaturabweichung sinkt von ungefähr 10 K auf ungefähr 2 K.
Die Annahme einer reduzierten Störspannung stellt keine garantierte Schirmdämpfung eines bestimmten Kabels oder Produkts dar.
| Größe | Annahme oder Berechnung | Ergebnis |
|---|---|---|
| Thermoelementtyp | Typ K | Typ K |
| Tatsächliche Prozesstemperatur | Frei gewählter Beispielwert | 200 °C |
| Thermoelementleitung | Frei gewählte Länge | 40 m |
| Lokale Empfindlichkeit | Vereinfachte Annahme | 41 µV/K |
| Störspannung vor angenommener Verbesserung | Frei gewählter Beispielwert | 410 µV |
| Scheinbare Temperaturabweichung | 410 µV / 41 µV/K | +10 K |
| Berechnete Temperaturanzeige | 200 °C + 10 °C | 210 °C |
| Stromsignal ohne Störung | 4 mA + 16 mA · 200 / 400 | 12,00 mA |
| Stromsignal mit angenommener Störung | 4 mA + 16 mA · 210 / 400 | 12,40 mA |
| Reduzierte Störspannung im zweiten Rechenfall | Frei gewählter Vergleichswert | 82 µV |
| Verbleibende scheinbare Temperaturabweichung | 82 µV / 41 µV/K | +2 K |
| Stromsignal im zweiten Rechenfall | 4 mA + 16 mA · 202 / 400 | 12,08 mA |
8.6 Technische Interpretation
Das Rechenbeispiel zeigt, dass relativ kleine differenzielle Störspannungen am Thermoelementeingang zu deutlich sichtbaren Temperaturabweichungen führen können.
Besonders wichtig ist, dass ein Temperaturtransmitter eine bereits am Messeingang verfälschte Thermospannung nicht automatisch als Fehler erkennen muss.
Wenn die Störspannung innerhalb des plausiblen Messbereichs liegt, kann daraus ein scheinbar gültiger Temperaturwert entstehen.
Ein korrekt arbeitender 4-bis-20-mA-Ausgang kann diesen fehlerhaften Temperaturwert anschließend vollständig normgerecht übertragen.
Deshalb sollte der empfindliche Thermoelement-Rohsignalweg möglichst störungsarm ausgeführt werden.
8.7 Grenzen der Berechnung
Die verwendete Empfindlichkeit von 41 µV/K ist eine lokale Näherung.
Die exakte Umrechnung muss anhand der Kennlinie des tatsächlichen Thermoelementtyps erfolgen.
Außerdem wurde die zusätzliche Störspannung als unmittelbar wirksame differenzielle Eingangsspannung angenommen.
Reale elektromagnetische Störungen können frequenzabhängig sein und durch Gleichtaktunterdrückung, Eingangsfilter, Abtastung oder nichtlineare Effekte anders auf die Temperaturanzeige wirken.
Die Berechnung ist deshalb eine Abschätzung der möglichen Größenordnung und kein universelles Vorhersagemodell für jede Thermoelementinstallation.
9. Sensorposition, Einbau und Wärmeübergang berücksichtigen
Ein unplausibler Temperaturmesswert muss nicht zwangsläufig auf elektromagnetische Einkopplung zurückzuführen sein.
Auch die mechanische Einbausituation und der Wärmeübergang zwischen Prozessmedium und Sensor können erhebliche Messabweichungen verursachen.
9.1 Einbaulänge und Messposition
Ein Thermoelement misst die Temperatur an seiner temperaturwirksamen Messstelle.
Wird die Messstelle nicht ausreichend tief in das Prozessmedium eingebracht, kann Wärme über den Sensormantel und den Prozessanschluss abgeleitet werden.
Der angezeigte Wert kann dann zwischen der tatsächlichen Prozesstemperatur und der Temperatur der Umgebung beziehungsweise der Anschlussarmatur liegen.
9.2 Thermischer Kontakt
Bei Thermoelementen in Schutzrohren ist der Wärmeübergang zwischen Schutzrohr und Messeinsatz entscheidend.
Ein unzureichender Kontakt kann die Ansprechzeit erhöhen und zu zusätzlichen Messabweichungen führen.
Gefederte Messeinsätze können bei geeigneten Konstruktionen den thermischen Kontakt zum Schutzrohrboden verbessern.
9.3 Ansprechzeit
Eine schnelle Temperaturänderung im Prozess kann aufgrund der thermischen Trägheit verzögert angezeigt werden.
Dieser Effekt ist von elektromagnetischen Störungen zu unterscheiden.
Während eine elektrische Störung beispielsweise nahezu unmittelbar mit dem Einschalten eines Motors auftreten kann, folgt eine echte thermische Änderung den physikalischen Wärmeübertragungsbedingungen des Prozesses.
9.4 Kontakt- und Oberflächenmessung
Ein an einer Rohrleitungsoberfläche montiertes Thermoelement erfasst zunächst die lokale Oberflächentemperatur.
Sie muss nicht identisch mit der Temperatur des strömenden Mediums sein.
Für die Bewertung müssen Rohrwand, Isolierung, Kontaktkraft und möglicher Wärmeverlust berücksichtigt werden.
9.5 Elektrische und thermische Fehler trennen
Eine sinnvolle Diagnose untersucht zunächst, ob die auffällige Anzeige zeitlich mit elektrischen Schaltvorgängen oder mit tatsächlichen Änderungen des thermischen Prozesses zusammenhängt.
Ein Vergleich mit einer geeigneten unabhängigen Referenztemperaturmessung kann dabei hilfreich sein.
10. Thermoleitung, Verlängerungsleitung und Ausgleichsleitung unterscheiden
Neben der elektromagnetischen Verträglichkeit muss die Thermoelementleitung auch thermoelektrisch zur Messaufgabe passen.
Ein gewöhnliches Kupferkabel ist nicht automatisch ein geeigneter Ersatz für eine Thermoelement-Verlängerungsleitung.
10.1 Thermoleitung
Eine Thermoleitung besteht aus den für das betreffende Thermoelement vorgesehenen thermoelektrischen Leiterwerkstoffen.
Die konkrete Einsatzmöglichkeit hängt von Temperaturbereich, Genauigkeitsanforderung, mechanischem Aufbau und Isolierung ab.
10.2 Verlängerungsleitung
Verlängerungsleitungen besitzen thermoelektrische Eigenschaften, die für den jeweiligen Thermoelementtyp innerhalb des spezifizierten Bereichs geeignet sind.
Die Kennzeichnung enthält typischerweise den entsprechenden Thermoelementbuchstaben und den Zusatz X.
Beispielsweise bezeichnet KX eine Verlängerungsleitung für Thermoelemente Typ K.
10.3 Ausgleichsleitung
Ausgleichsleitungen können aus anderen Legierungen als die eigentlichen Thermoelementleiter bestehen.
Ihre thermoelektrischen Eigenschaften sind innerhalb eines spezifizierten Temperaturbereichs an das betreffende Thermoelement angepasst.
Die Kennzeichnung erfolgt typischerweise mit dem Buchstaben des Thermoelementtyps und dem Zusatz C.
Für bestimmte Ausgleichsleitungstypen werden zusätzlich unterschiedliche Varianten gekennzeichnet.
10.4 Temperaturgrenzen beachten
Verlängerungs- und Ausgleichsleitungen sind nicht beliebig über sämtliche Prozesstemperaturen einsetzbar.
Die zulässigen Leiter- und Isoliertemperaturen sowie die spezifizierten thermoelektrischen Toleranzen müssen eingehalten werden.
Besonders bei langen Leitungen entlang beheizter Anlagen können Teile des Kabelwegs höheren Temperaturen ausgesetzt sein.
10.5 Polarität
Die positive und negative Thermoelementader müssen korrekt angeschlossen werden.
Eine vertauschte Polarität kann zu erheblichen Fehlanzeigen führen.
Die Leiterkennzeichnung muss nach der zum verwendeten Kabel passenden Norm und dem Herstellerdatenblatt geprüft werden.
Farbkennzeichnungen können sich zwischen unterschiedlichen internationalen Kennzeichnungssystemen unterscheiden.
10.6 IEC 60584-3
IEC 60584-3 beschreibt Anforderungen an Verlängerungs- und Ausgleichsleitungen, einschließlich ihrer Toleranzen und Kennzeichnung.
Die Auswahl einer geschirmten Thermoelementleitung sollte deshalb nicht allein anhand der Schirmwirkung erfolgen.
Auch die thermoelementgerechte Leiterpaarung muss nachgewiesen sein.
11. Schirmmaterial, Schirmanschluss und Schirmwirkung
Ein Kabelschirm soll elektromagnetische Einkopplungen reduzieren.
Seine Wirksamkeit hängt jedoch vom Frequenzbereich, Kabelaufbau und insbesondere von der fachgerechten Kontaktierung ab.
11.1 Folienschirm
Ein Folienschirm kann eine hohe Abdeckung der Leitungsadern erreichen und ist häufig für die Reduzierung elektrischer Feldkopplung geeignet.
Bei der Installation müssen die vorgesehene Kontaktierung und die mechanischen Eigenschaften berücksichtigt werden.
11.2 Geflechtschirm
Ein metallischer Geflechtschirm kann gute elektrische Kontaktierungsmöglichkeiten bieten und ist abhängig von seiner Konstruktion mechanisch robust.
Für hohe Frequenzen spielen die Schirmimpedanz und die Art der Schirmanbindung eine wichtige Rolle.
11.3 Kombinierte Schirme
Je nach Anwendung können Kabel mit kombinierten Folien- und Geflechtschirmen verwendet werden.
Die geeignete Ausführung hängt vom erwarteten Störspektrum und den Installationsbedingungen ab.
11.4 Schirmanschluss
Ein vorhandener Schirm wirkt nur im Rahmen der tatsächlich realisierten Kontaktierung.
Besonders bei hochfrequenten Störungen können lange, dünne Schirmanschlussdrähte aufgrund ihrer Induktivität die Schirmwirkung erheblich verschlechtern.
Eine flächige und niederimpedante Kontaktierung, beispielsweise über geeignete EMV-Verschraubungen oder Schirmklemmen, kann daher vorteilhaft sein.
11.5 Einseitiger oder beidseitiger Anschluss?
Ob ein Schirm einseitig oder beidseitig angeschlossen werden soll, ist abhängig vom vorgesehenen Erdungskonzept und den relevanten Störfrequenzen.
Ein einseitiger Anschluss kann dazu beitragen, niederfrequente Schirmausgleichsströme zu vermeiden.
Für hochfrequente Störungen kann dagegen eine beidseitige, niederimpedante Anbindung technisch günstiger sein, sofern ein geeigneter Potentialausgleich vorhanden ist.
Die Herstelleranweisungen für Sensor, Transmitter, Umrichter und Schaltschrankinstallation müssen hierbei berücksichtigt werden.
11.6 Schirm ist kein Schutzleiter
Die Schirmung einer Thermoelementleitung darf nicht ohne entsprechende Auslegung als Ersatz für einen erforderlichen Schutzleiter verwendet werden.
Schutzleiter und Potentialausgleich erfüllen sicherheitstechnische Aufgaben, die unabhängig von der Optimierung des Messsignals erhalten bleiben müssen.
12. Erdung, Potentialausgleich und Masseschleifen
Bei industriellen Temperaturmessungen sind unterschiedliche Erdungs- und Bezugspotentiale eine häufige Ursache unerwarteter Signalstörungen.
12.1 Elektrische Verbindung der Messstelle
Bei einem geerdeten Thermoelement kann die Messverbindung elektrisch mit dem Fühlermantel verbunden sein.
Der Fühlermantel kann wiederum leitend mit der Prozessanlage verbunden sein.
Dadurch entsteht möglicherweise eine elektrische Verbindung zwischen dem Thermoelementeingang und einem entfernten Anlagenpotential.
12.2 Zweiter Bezugspunkt am Messgerät
Wenn der Thermoelementeingang zusätzlich einen galvanischen Bezug zum Schaltschrankpotential besitzt, können unerwünschte Potentialdifferenzen wirksam werden.
Ob daraus eine Störung entsteht, hängt von der tatsächlichen Eingangsschaltung und den vorhandenen elektrischen Verbindungen ab.
12.3 Potentialausgleich
Ein fachgerecht ausgeführter Potentialausgleich reduziert unerwünschte Potentialunterschiede zwischen leitfähigen Anlagenteilen.
Bei hochfrequenten Störungen müssen auch die Impedanz der Verbindungen und die geometrische Führung berücksichtigt werden.
Eine elektrisch leitende Verbindung mit geringem Gleichstromwiderstand ist bei hohen Frequenzen nicht automatisch gleichermaßen niederimpedant.
12.4 Galvanische Trennung
Ein galvanisch getrennter Temperaturtransmitter kann den direkten elektrischen Zusammenhang zwischen Thermoelementeingang und nachgeschaltetem Ausgangskreis unterbrechen.
Das kann insbesondere bei geerdeten Thermoelementen und unterschiedlichen Anlagenpotentialen hilfreich sein.
Die spezifizierten Isolationsdaten und die zulässigen Eingangsbedingungen des Geräts müssen dennoch eingehalten werden.
12.5 Keine eigenmächtigen Schutzleiteränderungen
Ein vermeintliches Erdungsproblem darf nicht dadurch gelöst werden, dass erforderliche Schutzleiterverbindungen unterbrochen werden.
Ebenso dürfen sicherheitsrelevante Potentialausgleichsverbindungen nicht allein zur Verbesserung einer Temperaturanzeige entfernt werden.
Solche Maßnahmen können erhebliche elektrische Gefährdungen verursachen.
13. Frequenzumrichter, Motorleitungen und PWM-Störungen
Frequenzumrichter gehören zu den besonders relevanten Störquellen in industriellen Temperaturmesssystemen.
Bei der Ansteuerung eines Motors erzeugt der Umrichter typischerweise gepulste Ausgangsspannungen.
13.1 Hohe Spannungsänderungsgeschwindigkeit
Die Schaltflanken einer pulsweitenmodulierten Spannung können hohe Spannungsänderungsgeschwindigkeiten aufweisen.
Über parasitäre Kapazitäten können dadurch Störströme in benachbarte Leitungen und leitfähige Anlagenteile eingekoppelt werden.
Eine lange parallele Führung von Motor- und Thermoelementleitungen kann diese Kopplung verstärken.
13.2 Veränderliche Motorströme
Die Motorleitungen führen zeitlich veränderliche Ströme.
Die dadurch entstehenden Magnetfelder können in benachbarten Leiterschleifen Spannungen induzieren.
Verdrillte Thermoelementadern mit kleiner Schleifenfläche können diese induktive Kopplung reduzieren.
13.3 Frequenzabhängigkeit
Die auftretenden Störungen beschränken sich nicht zwangsläufig auf die Netzfrequenz von 50 Hz.
Durch Schaltvorgänge der Leistungselektronik können auch deutlich höhere Frequenzanteile relevant sein.
Deshalb ist ein reiner 50-Hz-Filter nicht für jede Umrichterstörung ausreichend.
13.4 Geschirmte Motorleitungen
Auch die fachgerechte Installation der Motorleitung beeinflusst die elektromagnetische Umgebung.
Herstellerspezifisch vorgeschriebene Motorkabel, Schirmanschlüsse, EMV-Verschraubungen und Potentialausgleichsmaßnahmen müssen entsprechend dem Umrichterkonzept umgesetzt werden.
Ein schlecht angeschlossener Motorkabelschirm kann die Störsituation in benachbarten Messleitungen erheblich verschlechtern.
13.5 Keine willkürlichen Filter im Umrichterausgang
Maßnahmen zur Reduzierung von Störungen an der Motorleitung müssen mit dem Umrichterhersteller und dem dafür vorgesehenen Anlagenkonzept abgestimmt werden.
Zusätzliche Filter oder Veränderungen der Ausgangsbeschaltung dürfen nicht ohne technische Prüfung vorgenommen werden.
13.6 Diagnose durch zeitlichen Vergleich
Eine Temperaturstörung, die unmittelbar mit dem Einschalten eines Umrichters beginnt und beim Abschalten verschwindet, ist ein deutlicher Hinweis auf einen elektrischen Zusammenhang.
Für einen eindeutigen Nachweis müssen dennoch reale thermische Prozessänderungen und andere mögliche Einflüsse ausgeschlossen werden.
14. Vergleichsstellenkompensation und Anschlussklemmen
Ein Thermoelement liefert eine Thermospannung, deren Interpretation eine bekannte oder gemessene Referenztemperatur erfordert.
Die Vergleichsstellenkompensation ist deshalb ein wesentlicher Bestandteil der Temperaturmessung.
14.1 Lage der Referenzstelle
Bei einem direkt angeschlossenen Thermoelement liegt die maßgebliche Referenzstelle häufig am Messeingang beziehungsweise an dessen Anschlussbereich.
Der Messeingang benötigt eine geeignete Erfassung der dortigen Temperatur.
14.2 Temperaturgradienten an Anschlussklemmen
Wenn die beiden Anschlussklemmen unterschiedliche Temperaturen besitzen, kann die Auswertung beeinträchtigt werden.
Besonders ungünstig sind Anschlussbereiche, die einseitig durch benachbarte Leistungsbauteile, Lüfter oder andere Wärmequellen erwärmt werden.
Eine thermisch möglichst gleichmäßige Anschlussumgebung ist deshalb wichtig.
14.3 Ungeeignete Übergangsleiter
Werden Thermoelement- und Kupferleiter ohne Berücksichtigung der entstehenden Übergangsstellen verbunden, können zusätzliche Fehler entstehen.
Der Einfluss hängt von den Leiterpaarungen und Temperaturen der jeweiligen Übergänge ab.
Geeignete Thermoelement-Steckverbinder und Anschlussklemmen können helfen, die thermoelektrischen Bedingungen kontrolliert zu halten.
14.4 Vergleichsstellenkompensation im Kopftransmitter
Bei einem Temperaturtransmitter im Anschlusskopf befindet sich die Vergleichsstellenkompensation in der Nähe des Fühlers.
Dies kann die Länge des ungefilterten Thermoelement-Rohsignalwegs reduzieren.
Allerdings darf auch der Anschlusskopf nicht beliebig hohen Temperaturen oder starken Temperaturgradienten ausgesetzt werden.
14.5 Störung oder Referenzstellenfehler?
Eine langsam driftende Abweichung kann beispielsweise von der Temperaturentwicklung im Anschlusskasten abhängen.
Ein unmittelbar mit dem Umrichterschalten auftretender Messwertsprung kann dagegen eher auf elektromagnetische Einkopplung hinweisen.
Beide Ursachen können gleichzeitig vorhanden sein und müssen bei Bedarf getrennt untersucht werden.
15. Differenzielle Messeingänge und galvanische Trennung
Der angeschlossene Messeingang besitzt großen Einfluss darauf, wie gut eine Thermoelementmessung elektromagnetische Störungen unterdrückt.
15.1 Differenzielle Spannungsmessung
Ein geeigneter differenzieller Messeingang misst die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Thermoelementleitern.
Dadurch können Störspannungen, die auf beide Leiter in gleicher Weise wirken, innerhalb der spezifizierten Grenzen unterdrückt werden.
Diese Eigenschaft wird als Gleichtaktunterdrückung bezeichnet.
15.2 Common-Mode Rejection Ratio
Die Gleichtaktunterdrückung kann durch das Common-Mode Rejection Ratio, kurz CMRR, beschrieben werden.
Ein hoher CMRR-Wert kann für die Störfestigkeit vorteilhaft sein.
Die tatsächliche Wirkung ist jedoch frequenzabhängig und gilt nur innerhalb der zulässigen elektrischen Eingangsbedingungen.
15.3 Grenzen der Gleichtaktunterdrückung
Ein differenzieller Eingang kann eine bereits zwischen den beiden Thermoelementleitern vorhandene Störspannung nicht ohne Weiteres unterdrücken.
Außerdem können asymmetrische Leitungsimpedanzen oder kapazitive Kopplungen Gleichtaktstörungen in Differenzstörungen umwandeln.
Deshalb bleiben symmetrischer Kabelaufbau, Verdrillung und geeignete Leitungsführung wichtig.
15.4 Galvanisch getrennte Eingänge
Galvanische Trennung kann unerwünschte Gleichstromverbindungen zwischen Messstelle und Auswertung reduzieren.
Sie ist besonders interessant, wenn zwischen Anlagenbereichen relevante Potentialunterschiede bestehen oder geerdete Thermoelemente verwendet werden.
Eine galvanische Trennung ist jedoch kein Ersatz für EMV-gerechte Verdrahtung.
15.5 Eingangsschutz
Geeignete Messeingänge können über Schutzbeschaltungen gegen bestimmte elektrische Überlastungen verfügen.
Solche Schutzfunktionen müssen hinsichtlich der zulässigen Gleichtaktspannung, Überspannung und Messgenauigkeit zur Anwendung passen.
Die tatsächlich zulässigen Eingangsbedingungen ergeben sich aus der jeweiligen Herstellerdokumentation.
16. Temperaturtransmitter nahe der Messstelle einsetzen
Eine besonders wirksame Maßnahme kann darin bestehen, das empfindliche Thermoelementsignal bereits in der Nähe des Sensors aufzubereiten.
Dafür stehen Temperaturtransmitter zur Montage im Anschlusskopf oder in geeigneten Feldgehäusen zur Verfügung.
16.1 Kurzer Rohsignalweg
Bei einem Kopftransmitter wird das Thermoelement direkt oder über eine kurze geeignete Verbindung angeschlossen.
Dadurch reduziert sich die Strecke, auf der die kleine Thermospannung elektromagnetischen Störungen ausgesetzt ist.
16.2 Übertragung als 4-bis-20-mA-Signal
Ein Temperaturtransmitter kann die gemessene Temperatur in ein standardisiertes Stromsignal umwandeln.
Ein korrekt ausgelegter 4-bis-20-mA-Signalweg besitzt gegenüber einer direkten Thermospannungsübertragung häufig Vorteile bei größeren Entfernungen.
Eine störungsarme Installation bleibt allerdings auch für Stromsignale erforderlich.
16.3 Galvanische Trennung
Ein Temperaturtransmitter mit galvanischer Trennung kann die elektrische Kopplung zwischen Thermoelementeingang und Ausgangsstromkreis reduzieren.
Damit lässt sich eine mögliche Ursache von Störungen durch unterschiedliche Potentiale entschärfen.
Die konkrete Trennfunktion und deren Grenzwerte müssen aus dem Datenblatt hervorgehen.
16.4 Digitale Diagnose
Je nach Gerät stehen Funktionen wie Drahtbruchüberwachung, Messbereichsüberwachung und Diagnosemeldungen zur Verfügung.
Bei Geräten mit HART-Kommunikation können zusätzlich Parameter und Diagnoseinformationen über die dafür vorgesehene Schnittstelle verfügbar sein.
16.5 Richtige Temperaturtransmitter-Position
Ein Transmitter sollte möglichst nahe der Messstelle installiert werden, ohne seine zulässige Umgebungstemperatur oder andere Einsatzgrenzen zu überschreiten.
Bei einem sehr heißen Anschlusskopf kann eine getrennte Montage in einem kühleren Bereich notwendig sein.
In diesem Fall bleibt die Thermoelement-Verbindungsleitung bis zum Transmitter weiterhin Teil des empfindlichen Signalwegs.
16.6 Messfehler vor dem Transmitter
Ein Temperaturtransmitter kann eine bereits verfälschte Thermospannung nicht automatisch korrigieren.
Eine elektrische Störung direkt zwischen Messstelle und Transmittereingang kann deshalb auch nach der Umwandlung in ein 4-bis-20-mA-Signal als scheinbare Temperaturänderung erscheinen.
Die direkte Fühleranbindung muss folglich ebenfalls fachgerecht ausgeführt sein.
17. Messwertfilter, Abtastrate und Signalverarbeitung
Neben der elektromagnetischen Installation beeinflusst die Signalverarbeitung das Verhalten bei eingekoppelten Störungen.
17.1 Netzfrequenzunterdrückung
Viele Thermoelement-Messeingänge besitzen Filtermöglichkeiten für typische Netzfrequenzen wie 50 Hz und 60 Hz.
Diese können niederfrequente Störungen reduzieren.
Die Wirksamkeit hängt von der konkreten Schaltung, dem gewählten Filter und der Störfrequenz ab.
17.2 Hochfrequente Störungen
Pulsweitenmodulierte Umrichtersignale können höherfrequente Störanteile enthalten.
Ein ausschließlich für 50 Hz ausgelegter Filter muss solche Störungen nicht ausreichend reduzieren.
Entsprechende Filterkonzepte müssen mit den Eigenschaften des Messeingangs abgestimmt sein.
17.3 Messwertdämpfung
Eine digitale oder analoge Messwertdämpfung kann die Anzeige beruhigen.
Sie kann allerdings auch tatsächliche schnelle Temperaturänderungen verzögert darstellen.
Die Dämpfung sollte deshalb nicht so hoch eingestellt werden, dass wichtige thermische Prozessänderungen verdeckt werden.
17.4 Abtastung und Aliasing
Wenn hochfrequente Störspannungen nicht ausreichend gefiltert werden, können sie bei der Digitalisierung als scheinbar langsam veränderliche Messwertanteile auftreten.
Dieses Verhalten wird als Aliasing bezeichnet.
Eine geeignete analoge Bandbegrenzung vor der Digitalisierung ist deshalb ein wichtiger Bestandteil der Messelektronik.
17.5 Langsame Temperaturänderung oder elektrischer Sprung?
Die thermische Ansprechzeit des Sensors kann bei der Unterscheidung helfen.
Ändert sich die Anzeige innerhalb eines sehr kurzen Zeitintervalls stark, obwohl die reale Messstelle eine deutlich größere thermische Trägheit besitzt, sollte eine elektrische Störung als mögliche Ursache untersucht werden.
Dies ist ein Diagnosehinweis, aber kein eindeutiger Beweis.
18. Messunsicherheit und systematische Fehler getrennt bewerten
Die Messunsicherheit einer Thermoelementmessung wird von mehreren Komponenten bestimmt.
Eine hochwertige Sensor-Genauigkeitsklasse allein garantiert keine entsprechend kleine Abweichung der vollständigen Temperaturmessstelle.
18.1 Thermoelementtoleranz
Der Thermoelementtyp und seine Toleranzklasse bestimmen die zulässigen thermoelektrischen Abweichungen unter den spezifizierten Bedingungen.
Die Toleranzen der entsprechenden Thermoelemente sind in IEC 60584-1 festgelegt.
18.2 Leitungstoleranz
Verlängerungs- und Ausgleichsleitungen besitzen eigene Toleranzen und zulässige Temperaturbereiche.
Eine ungeeignete oder falsch zugeordnete Leitung kann zusätzliche systematische Messfehler verursachen.
18.3 Vergleichsstellenkompensation
Eine Abweichung bei der Messung der Anschlussstellentemperatur wirkt sich auf die berechnete Prozesstemperatur aus.
Die tatsächliche Wirkung hängt von der Thermoelementkennlinie und den beteiligten Temperaturen ab.
18.4 Messeingang
Auflösung, Messabweichung, Temperaturdrift und Gleichtaktunterdrückung des Messeingangs beeinflussen das Gesamtergebnis.
Bei kleinen Eingangsspannungen können selbst geringe elektrische Offseteffekte relevant sein.
18.5 Elektromagnetische Störungen
Eine eingekoppelte Störspannung kann periodische Schwankungen, instabile Anzeigen oder unter bestimmten Bedingungen scheinbare Offsets verursachen.
Sie muss anhand der tatsächlichen Störbedingungen bewertet werden.
Eine unbekannte elektromagnetische Störung darf nicht einfach durch einen frei gewählten konstanten Unsicherheitsbeitrag ersetzt werden.
18.6 Wärmeübergang und Installation
Wärmeleitung über den Fühler, eine unzureichende Einbaulänge oder ein schlechter Kontakt zur Messstelle können Fehler verursachen, die erheblich größer als die eigentliche Sensortoleranz sind.
Diese systematischen Effekte müssen gesondert untersucht werden.
18.7 Gesamtbewertung
Für eine belastbare Messunsicherheitsbetrachtung müssen die relevanten Beiträge identifiziert und mit einem geeigneten Modell bewertet werden.
Dabei sind mögliche Korrelationen und nichtlineare Zusammenhänge zu berücksichtigen.
Eine einfache Addition aller Datenblattfehler ist nicht automatisch ein vollständiges Messunsicherheitsbudget.
19. Elektrische Sicherheit, Explosionsschutz und Normen
Die Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit darf die elektrische Sicherheit der Anlage nicht beeinträchtigen.
19.1 Schutzleiterverbindungen
Erforderliche Schutzleiter müssen entsprechend den anwendbaren elektrischen Sicherheitsvorschriften ausgeführt und erhalten bleiben.
Eine unerwünschte Messwertschwankung ist kein zulässiger Grund, einen Schutzleiter zu entfernen.
19.2 Potentialausgleich
Potentialausgleichsverbindungen müssen entsprechend dem elektrischen Anlagenkonzept ausgeführt werden.
Bei der EMV-gerechten Installation sind sowohl niederfrequente als auch hochfrequente Eigenschaften relevant.
19.3 Elektromagnetische Verträglichkeit
IEC 61326-1 beschreibt allgemeine EMV-Anforderungen für elektrische Mess-, Steuer-, Regel- und Laborgeräte.
Für bestimmte Gerätearten gelten ergänzende beziehungsweise spezifische Normanforderungen.
Die Einhaltung einer EMV-Gerätenorm bedeutet jedoch nicht automatisch, dass jede beliebige Installation mit gemeinsam verlegten Leistungs- und Signalleitungen störungsfrei arbeitet.
19.4 Thermoelement-Normen
IEC 60584-1 enthält die thermospannungsbezogenen Kennlinien und Toleranzen der entsprechenden Thermoelementtypen.
IEC 60584-3 legt Anforderungen an Verlängerungs- und Ausgleichsleitungen einschließlich Toleranzen und Kennzeichnung fest.
Diese Normen sind für die Auswahl der Thermoelement-Signalleitung besonders relevant.
19.5 Explosionsgefährdete Bereiche
Bei Thermoelementmessstellen in explosionsgefährdeten Bereichen müssen die jeweils erforderlichen Zündschutzarten, Gerätezulassungen und Installationsbedingungen berücksichtigt werden.
Insbesondere bei eigensicheren Stromkreisen sind die zulässigen elektrischen Parameter und die zugehörige Verdrahtung maßgeblich.
Eine Änderung der Schirm- oder Erdungsverbindung darf nicht ohne Prüfung der relevanten Ex-Anforderungen vorgenommen werden.
19.6 Funktionale Sicherheit
Ein Temperaturmesswert kann Bestandteil einer sicherheitsbezogenen Schutzfunktion sein.
In solchen Anwendungen müssen Messgerät, Sensor, Signalverarbeitung und die vollständige Sicherheitsfunktion gesondert bewertet werden.
Die Verwendung eines störfesten Temperaturtransmitters allein bedeutet nicht automatisch, dass die gesamte Temperaturüberwachung für eine bestimmte Sicherheitsanforderung freigegeben ist.
20. Systematischer Prüf- und Inbetriebnahmeablauf
Bei der Installation oder Fehlersuche an Thermoelementleitungen sollte ein strukturiertes Vorgehen angewendet werden.
Die folgenden Schritte dienen der messtechnischen Prüfung und setzen voraus, dass sämtliche Arbeiten entsprechend dem freigegebenen elektrischen Sicherheitsverfahren erfolgen.
- Messaufgabe definieren: Thermoelementtyp, Temperaturbereich, erforderliche Genauigkeit und zulässige Messwertschwankung festlegen.
- Sensor identifizieren: Thermoelementtyp, Bauform und geerdete beziehungsweise isolierte Messstelle dokumentieren.
- Leitungstyp prüfen: Sicherstellen, dass Thermoleitung, Verlängerungsleitung oder Ausgleichsleitung zum Sensor passen.
- Polarität kontrollieren: Positive und negative Thermoelementader anhand der gültigen Kennzeichnung überprüfen.
- Leitungsweg dokumentieren: Länge, Kabelführung, Durchführungen und eventuelle gemeinsame Strecken mit Leistungskabeln erfassen.
- Störquellen identifizieren: Frequenzumrichter, Motorleitungen, Heizungssteuerungen und andere relevante elektrische Verbraucher berücksichtigen.
- Leitungstrennung bewerten: Prüfen, ob separate Kabelwege oder geeignete metallische Trennungen vorhanden sind.
- Verdrillung prüfen: Feststellen, ob die Thermoelementadern geeignet paarweise geführt werden.
- Schirmaufbau prüfen: Kabelschirm, Kontinuität und vorgesehene Schirmanschlusspunkte dokumentieren.
- Schirmkontaktierung kontrollieren: Die Installation mit dem freigegebenen Erdungs- und EMV-Konzept vergleichen.
- Potentialausgleich prüfen: Vorhandene elektrische Bezugspotentiale und Potentialausgleichsverbindungen fachgerecht überprüfen.
- Messeingang prüfen: Thermoelementtyp, Eingangsbeschaltung, Vergleichsstellenkompensation und mögliche galvanische Trennung kontrollieren.
- Filtereinstellungen dokumentieren: Netzfrequenzunterdrückung, Messwertdämpfung und Abtastrate überprüfen.
- Funktionsprüfung durchführen: Die Messkette mit einer geeigneten Thermoelement- beziehungsweise mV-Referenz prüfen.
- Referenzstellenfehler ausschließen: Anschlussklemmen, Temperaturgradienten und Vergleichsstellenkompensation untersuchen.
- Prozessmessung plausibilisieren: Die Anzeige mit einer geeigneten unabhängigen Referenzmessung vergleichen.
- Störungen zeitlich zuordnen: Messwertveränderungen mit freigegebenen Maschinen- und Schaltzuständen vergleichen.
- Abhilfemaßnahmen festlegen: Bei nachgewiesenen Störungen Leitungsführung, Schirmung, Eingang oder Transmitterposition anpassen.
- Messfunktion erneut prüfen: Nach Änderungen die Temperaturmessung und die relevanten Betriebszustände kontrollieren.
- Dokumentation abschließen: Leitungsweg, Schirmkonzept, Geräteparameter, Prüfergebnisse und durchgeführte Maßnahmen nachvollziehbar festhalten.
Ein Umbau darf nicht dazu führen, dass Schutzleiter, Ex-Anforderungen oder andere sicherheitsrelevante Funktionen beeinträchtigt werden.
21. Typische Fehlerbilder und gezielte Diagnose
Bei instabilen Thermoelementmesswerten sollte die Fehlerursache anhand des tatsächlichen Signalverhaltens eingegrenzt werden.
Die nachfolgende Tabelle zeigt typische Beobachtungen und mögliche Diagnoseansätze.
| Fehlerbild | Mögliche Ursache | Geeignete Diagnose |
|---|---|---|
| Temperaturanzeige schwankt beim Einschalten eines Motors | Induktive oder kapazitive Einkopplung | Leitungsweg, Motorleitung, Schirmung und zeitlichen Zusammenhang untersuchen |
| Messwert verändert sich mit der Umrichterdrehzahl | Frequenzabhängige Einkopplung oder veränderte reale Prozessbedingungen | Störfrequenzen, Umrichterbetrieb und unabhängige Temperaturreferenz vergleichen |
| Anzeige springt bei Schützbetätigung | Elektrische Schalttransienten oder Potentialstörung | Störquelle, Verdrahtung und Eingangsfilter prüfen |
| Temperaturanzeige besitzt einen dauerhaften Offset | Falsche Ausgleichsleitung, Vergleichsstellenfehler, thermischer Einbaufehler oder elektrische Störung | Leitungstyp, Referenzstelle und Messkette mit geeigneter Referenz prüfen |
| Messwert ändert sich bei Erwärmung des Anschlusskastens | Fehlerhafte Vergleichsstellenkompensation oder thermoelektrische Übergangsstellen | Temperaturverteilung an Klemmen und CJC-Funktion untersuchen |
| Anzeige reagiert in die falsche Richtung | Vertauschte Thermoelementpolarität oder ungeeignete Verdrahtung | Polarität und Thermoelementtyp überprüfen |
| Messwert schwankt nur bei geerdetem Thermoelement | Potentialunterschiede oder Gleichtaktprobleme | Elektrische Messstellenkopplung und Eignung des Messeingangs prüfen |
| Schirmung verbessert die Anzeige kaum | Magnetische Kopplung, unzureichende Schirmkontaktierung oder anderer Fehlermechanismus | Verdrillung, Leitungstrennung und Art der Störeinkopplung untersuchen |
| Temperaturanzeige ist stark gedämpft | Große Filterzeitkonstante oder thermisch träger Fühler | Messwertfilter und thermische Sensoransprechzeit getrennt prüfen |
| Temperaturwert weicht bei hoher Prozesstemperatur ab | Unzureichende Einbaulänge, Wärmeableitung oder ungeeignete Kabeltemperatur | Einbaubedingungen, Wärmeübergang und zulässige Kabeltemperatur bewerten |
| Messung funktioniert nach Transmittereinbau stabiler | Verkürzter Rohsignalweg, bessere Signalaufbereitung oder galvanische Trennung | Alten und neuen Signalweg einschließlich Filter und Erdung vergleichen |
Die genannten Ursachen sind Diagnosemöglichkeiten und keine eindeutigen Fehlernachweise.
Mehrere Ursachen können gleichzeitig vorliegen. Insbesondere sollten elektrische und thermische Fehlerquellen getrennt untersucht werden, bevor Messgeräte oder Sensoren ausgetauscht werden.
22. Passende ICS-Produkte und Auswahlmöglichkeiten
ICS Schneider Messtechnik bietet Thermoelemente, Temperaturtransmitter und Zubehör für unterschiedliche industrielle Temperaturmessaufgaben an.
Für eine störungsarme Installation ist nicht nur der eigentliche Sensor wichtig. Ebenso entscheidend sind die passende Anschlussleitung, die elektrische Messstellenkonstruktion und die Signalaufbereitung.
22.1 WIKA TC40 – Kabel-Thermoelement
Das WIKA TC40 ist ein Kabel-Thermoelement für industrielle Temperaturmessungen in Maschinen, Motoren, Lagern, Rohrleitungen und Behältern.
Es ist für Anwendungen vorgesehen, bei denen die metallische Sensorspitze unmittelbar in geeignete Bohrungen oder Prozessmessstellen eingebracht werden kann.
Zu den dokumentierten Eigenschaften gehören:
- Sensorbereiche von -40 bis +1.200 °C abhängig von der Ausführung.
- Ausführungen zum Einstecken oder mit optionalem Einschraub-Prozessanschluss.
- Unterschiedliche Anschlusskabel mit PVC-, Silikon-, PTFE- oder Glasseideisolierung.
- Mechanisch robuste industrielle Sensorkonstruktion.
- Verfügbarkeit entsprechender explosionsgeschützter Ausführungen.
Das TC40 kann beispielsweise eingesetzt werden, wenn eine Temperaturmessstelle in der Nähe elektrischer Maschinen oder Antriebe liegt.
Die konkrete Leitungsausführung muss hinsichtlich Temperatur, Thermoelementtyp und elektromagnetischer Umgebung ausgewählt werden.
Ein vorhandener Kabelschirm, die Leitungslänge und die elektrische Ausführung der Messstelle sind für die tatsächliche Bestellkonfiguration zu prüfen.
Aus der allgemeinen TC40-Produktbeschreibung ergibt sich keine pauschale Zusicherung, dass jede Ausführung bereits über eine bestimmte Schirmkonstruktion verfügt.
Weitere Informationen: WIKA TC40 bei ICS Schneider Messtechnik
22.2 WIKA TC10-B – Industrielles Thermoelement zum Einbau in ein Schutzrohr
Das WIKA TC10-B ist ein industrielles Thermoelement mit Schutzrohrausführung für entsprechende Prozessmessstellen.
Es kommt insbesondere für Anwendungen im Maschinen- und Anlagenbau sowie in der Energie- und Prozessindustrie infrage.
Zu den dokumentierten Eigenschaften gehören:
- Sensorbereiche bis +1.200 °C in geeigneten Ausführungen.
- Industrielle Schutzrohrkonstruktion.
- Auswechselbare, gefederte Messeinsätze.
- Konfigurierbare Sensor- und Anschlussausführungen.
- Verfügbarkeit entsprechender explosionsgeschützter Varianten.
Für eine temperaturtechnisch und elektromagnetisch anspruchsvolle Messstelle sind insbesondere die Sensorbauform, die elektrische Isolation der Messstelle, der Anschlusskopf und die vorgesehene Signalaufbereitung relevant.
Bei Verwendung eines passenden Temperaturtransmitters kann das empfindliche Thermoelementsignal bereits am Anschlusskopf verarbeitet werden.
Ob ein bestimmter Transmitter direkt eingebaut werden kann, ist anhand der konkreten mechanischen und elektrischen Konfiguration zu prüfen.
Zusätzlich müssen Schutzrohr, Einbaulänge und Wärmeübergang zur Prozessanwendung passen.
Weitere Informationen: WIKA TC10-B bei ICS Schneider Messtechnik
22.3 WIKA T32.xS – Digitaler Temperaturtransmitter mit HART
Der WIKA T32.xS ist ein digitaler Temperaturtransmitter für industrielle Prozessanwendungen.
Er unterstützt unter anderem den Anschluss von Thermoelementen und Widerstandsthermometern.
Zu den dokumentierten Eigenschaften gehören:
- Universeller Eingang für unterschiedliche Sensortypen einschließlich Thermoelementen.
- Ausführungen zur Kopf- und Schienenmontage.
- Digital parametrierbare Messbereiche.
- 4-bis-20-mA-Ausgang mit HART-Kommunikation.
- Galvanische Trennung.
- Sensorbruchüberwachung und Fehlersignalisierung.
- EMV-Eigenschaften gemäß den zugehörigen Herstellerspezifikationen.
- Konfigurationsabhängige Ausführungen für Sicherheitsanwendungen.
Der T32.xS ist besonders interessant, wenn eine störungsarme Signalaufbereitung nahe der Thermoelementmessstelle benötigt wird.
Durch die Umwandlung in ein industrielles Stromsignal kann die empfindliche Thermospannungsleitung auf einen kurzen Abschnitt begrenzt werden.
Die galvanische Trennung kann zusätzlich helfen, unerwünschte Potentialkopplungen zwischen Sensor und nachgeschalteter Auswertung zu reduzieren.
Die tatsächlich zulässigen Eingangsbedingungen, die Schutzart und die verwendete Transmitterausführung müssen zur konkreten Anwendung passen.
Weitere Informationen: WIKA T32.xS bei ICS Schneider Messtechnik
22.4 Siemens SITRANS TH320 – Temperaturmessumformer
Der Siemens SITRANS TH320 ist ein Temperaturmessumformer zur Installation im Anschlusskopf.
Das Gerät unterstützt unterschiedliche Sensortypen und eignet sich für industrielle Temperaturmessaufgaben in Maschinenbau und Prozessautomatisierung.
Zu den dokumentierten Eigenschaften gehören:
- Universal konfigurierbarer Eingang für Thermoelemente und andere geeignete Sensoren.
- Kompakte Bauform zur Montage im Anschlusskopf Typ B.
- Galvanisch getrennter Zweileiter-Ausgang.
- 4-bis-20-mA-Ausgang mit HART-Kommunikation.
- Drahtbruch- und Eingangssignalüberwachung.
- Diagnose-LED und interne Diagnosefunktionen.
- Konfigurationsabhängige funktionale Sicherheitsoptionen.
- Dokumentierte EMV-Eigenschaften nach entsprechenden Hersteller- und Normangaben.
Der SITRANS TH320 ist eine mögliche Lösung, wenn das Thermoelementsignal bereits in der Nähe des Sensors aufbereitet und über einen industriellen Stromkreis übertragen werden soll.
Die integrierte galvanische Trennung kann insbesondere bei unterschiedlichen elektrischen Bezugspotentialen vorteilhaft sein.
Für die richtige Auswahl müssen die konkrete Thermoelementkonfiguration, die Umgebungstemperatur des Transmitters und die Anforderungen an die elektrische Installation berücksichtigt werden.
Auch mit diesem Transmitter muss die Thermoelementleitung zwischen Messstelle und Eingang korrekt ausgeführt werden.
Weitere Informationen: Siemens SITRANS TH320 bei ICS Schneider Messtechnik
22.5 ICS Thermoelemente – Unterschiedliche Sensorbauformen
Das ICS Thermoelemente Programm umfasst verschiedene Ausführungen industrieller Thermoelemente.
Dazu gehören unter anderem:
- Thermoelemente mit Anschlusskopf.
- Mantelthermoelemente.
- Thermoelement-Messeinsätze.
- Sonderbauformen für unterschiedliche industrielle Anforderungen.
- Geeignete Ex-Ausführungen.
- Präzisionsthermoelemente.
Für die Auswahl einer störungsarmen Messstelle sind insbesondere die elektrische Sensorbauform, der Thermoelementtyp, die Montageart und die vorgesehene Anschlussleitung relevant.
Bei speziellen Einbausituationen kann eine angepasste Sensor- und Leitungsführung helfen, den empfindlichen Signalweg zu verkürzen.
Die genaue Ausführung muss anhand der konkreten technischen Anforderungen festgelegt werden.
Weitere Informationen: ICS Thermoelemente
22.6 ICS Bauteile und Zubehör – Anschluss- und Verbindungstechnik
Im Bereich ICS Bauteile und Zubehör stehen unterschiedliche Komponenten für industrielle Temperaturmessstellen zur Verfügung.
Das Sortiment umfasst unter anderem Anschlussköpfe, Thermopaare, Steckverbinder, Befestigungsarmaturen, Schutzrohre und weitere Komponenten für den Aufbau vollständiger Temperaturmessketten.
Gerade bei der Verbindung von Thermoelementleitungen sind geeignete Steckverbinder und Anschlusskomponenten wichtig.
Die Anschlusswerkstoffe und deren thermoelektrische Eigenschaften müssen zum verwendeten Thermoelementtyp passen.
Bei geschirmten Leitungen muss zusätzlich die vorgesehene Schirmdurchführung beziehungsweise Schirmkontaktierung zur gesamten Installation passen.
Die Verwendung eines passenden Steckverbinders ersetzt jedoch keine geeignete Kabelverlegung und keine korrekte Vergleichsstellenkompensation.
Weitere Informationen: ICS Bauteile und Zubehör
22.7 Auswahl einer vollständigen Thermoelement-Messkette
Für eine belastbare Geräte- und Leitungsauswahl sollten folgende Informationen zur Verfügung stehen:
- Thermoelementtyp und Temperaturbereich.
- Gewünschte Sensorkonstruktion und elektrische Isolation der Messstelle.
- Einbausituation einschließlich Schutzrohr und Wärmeübergang.
- Entfernung zwischen Sensor und Auswertegerät.
- Vorhandene Leistungsleitungen und Störquellen entlang des Leitungswegs.
- Mögliche gemeinsame Strecken mit Frequenzumrichter-Motorleitungen.
- Erforderlicher Kabelaufbau, insbesondere Verdrillung und Schirmung.
- Vorhandenes Erdungs- und Potentialausgleichskonzept.
- Zulässige Kabeltemperaturen.
- Gewünschte Ausgangssignale und Kommunikationsschnittstellen.
- Benötigte Genauigkeit und Messunsicherheit.
- Gegebenenfalls erforderliche Explosionsschutz- oder Sicherheitszulassungen.
- Anforderungen an Kalibrierung, Prüfung und Dokumentation.
Auf dieser Grundlage kann entschieden werden, ob eine direkte Thermoelementleitung geeignet ist oder eine lokale Signalaufbereitung mit einem Temperaturtransmitter zweckmäßiger erscheint.
Zur Temperaturmesstechnik bei ICS Schneider Messtechnik
23. Fazit: Störungsarme Thermoelementmessung richtig planen
Thermoelemente eignen sich für zahlreiche anspruchsvolle Temperaturmessungen in industriellen Anlagen.
Die sehr kleinen thermoelektrischen Eingangsspannungen erfordern jedoch eine sorgfältige elektrische Installation.
Besonders bei der gemeinsamen Verlegung mit Motor- und Leistungskabeln können elektromagnetische Störungen auftreten, die die Temperaturanzeige deutlich verfälschen.
Die wichtigste Erkenntnis ist, dass unterschiedliche Störmechanismen auch unterschiedliche Gegenmaßnahmen erfordern.
Induktive Einkopplungen werden insbesondere durch zeitlich veränderliche Magnetfelder und die wirksame Schleifenfläche des Messkreises beeinflusst.
Kapazitive Einkopplungen entstehen durch elektrische Felder und parasitäre Kapazitäten zwischen benachbarten Leitungen.
Zusätzliche Fehler können durch Potentialunterschiede und ungünstige galvanische Verbindungen zwischen Sensor, Anlage und Messelektronik entstehen.
Eine geschirmte Leitung allein löst deshalb nicht automatisch sämtliche Probleme.
Für eine störungsarme Messung sollten Thermoelementleitungen möglichst getrennt von stark störenden Leistungskabeln geführt werden.
Verdrillte Leiterpaare mit kleiner wirksamer Schleifenfläche können induktive Störungen reduzieren. Geeignete Schirme und fachgerecht ausgeführte Anschlüsse können kapazitive und hochfrequente Einkopplungen begrenzen.
Die Art des Schirmanschlusses muss dabei zum EMV- und Potentialausgleichskonzept passen.
Die oft pauschal genannte Regel einer ausschließlich einseitigen Schirmerdung ist nicht unter allen Bedingungen richtig. Insbesondere bei hochfrequenten Umrichterstörungen kann eine andere Kontaktierungsstrategie notwendig sein.
Eine weitere wirksame Maßnahme kann die Verwendung eines geeigneten Temperaturtransmitters in der Nähe der Messstelle sein.
Dadurch wird die empfindliche Thermospannung frühzeitig in ein industrielles Ausgangssignal umgewandelt. Eine vorhandene galvanische Trennung kann zusätzlich unerwünschte Potentialkopplungen reduzieren.
Gleichzeitig darf die korrekte Thermoelementtechnik nicht vernachlässigt werden.
Falsche Verlängerungsleitungen, vertauschte Polarität, ungeeignete Anschlussklemmen oder Fehler der Vergleichsstellenkompensation können Messabweichungen verursachen, die nichts mit elektromagnetischer Induktion zu tun haben.
Auch Sensorposition, Einbaulänge, Wärmeübergang und thermische Trägheit müssen für eine zuverlässige Temperaturmessung berücksichtigt werden.
Eine systematische Fehlerdiagnose sollte deshalb die vollständige Messkette vom eigentlichen Thermoelement über die Anschlussleitung bis zum Auswertegerät untersuchen.
Die entscheidende Erkenntnis lautet: Die gemeinsame Verlegung von Thermoelement- und Leistungskabeln ist kein reines Kabelproblem. Erst eine abgestimmte Kombination aus geeigneter Leitungsführung, Verdrillung, Schirmung, Erdung, Signalaufbereitung und korrekter Thermoelementinstallation ermöglicht dauerhaft zuverlässige Temperaturmesswerte.
24. Häufig gestellte Fragen zur Verlegung von Thermoelementleitungen
24.1 Darf man Thermoelementleitungen gemeinsam mit Leistungskabeln verlegen?
Eine gemeinsame Leitungsführung sollte insbesondere bei stark störenden Leistungsleitungen möglichst vermieden werden. Ob sie in einem konkreten Installationssystem zulässig und technisch geeignet ist, hängt von den anwendbaren Installationsvorgaben, der elektrischen Sicherheit, dem Kabelaufbau und den elektromagnetischen Bedingungen ab. Gegebenenfalls sind separate Leitungswege oder geeignete metallische Trennungen erforderlich.
24.2 Warum reagieren Thermoelemente empfindlich auf elektromagnetische Störungen?
Thermoelemente erzeugen nur sehr kleine Spannungen, häufig im Mikrovolt- beziehungsweise Millivoltbereich. Bereits eine zusätzliche differenzielle Spannung von wenigen Hundert Mikrovolt kann deshalb eine erhebliche scheinbare Temperaturabweichung verursachen. Besonders lange und ungünstig verlegte Messleitungen können elektromagnetischen Einkopplungen ausgesetzt sein.
24.3 Wie entstehen induzierte Störspannungen in Thermoelementleitungen?
Zeitlich veränderliche elektrische Ströme erzeugen veränderliche Magnetfelder. Durchsetzen diese eine wirksame Messleiterschleife, können Spannungen induziert werden. Die Höhe hängt unter anderem von der Änderung des magnetischen Flusses und der Geometrie der Leitung ab. Eine enge Führung und geeignete Verdrillung der Thermoelementadern können die wirksame Schleifenfläche reduzieren.
24.4 Hilft eine geschirmte Thermoelementleitung gegen alle Störungen?
Nein. Ein geeigneter Kabelschirm kann insbesondere elektrische Feldkopplungen und bestimmte hochfrequente Störungen reduzieren. Gegen niederfrequente magnetische Einkopplungen ist eine gewöhnliche Schirmung jedoch nicht automatisch gleichermaßen wirksam. Deshalb sind zusätzlich eine geeignete Leitungsführung, kleine Schleifenflächen und die korrekte elektrische Einbindung notwendig.
24.5 Muss der Schirm einer Thermoelementleitung einseitig geerdet werden?
Nicht grundsätzlich. Ein einseitiger Anschluss kann bei bestimmten niederfrequenten Potentialverhältnissen sinnvoll sein. Für hochfrequente elektromagnetische Störungen kann eine beidseitige niederimpedante Schirmanbindung vorteilhaft sein, sofern ein geeigneter Potentialausgleich vorhanden ist. Maßgeblich sind die Herstellerangaben und das konkrete EMV- und Erdungskonzept der Anlage.
24.6 Wie groß muss der Abstand zwischen Thermoelement- und Motorleitungen sein?
Ein universell gültiger Mindestabstand lässt sich nicht unabhängig von den Betriebsbedingungen angeben. Erforderliche Trennabstände hängen unter anderem von Motorleistung, Schaltfrequenzen, Kabelschirmung, Leitungsführung, metallischen Trennungen und den anwendbaren Installationsvorgaben ab. Grundsätzlich sollten lange parallele Verläufe möglichst vermieden werden.
24.7 Warum sollte man Thermoelementadern verdrillen?
Durch die Verdrillung liegen beide Leiter über weite Strecken eng beieinander. Dadurch kann die wirksame Fläche der Messschleife verkleinert werden. Zeitlich veränderliche Magnetfelder können so weniger differenzielle Störspannung einkoppeln. Die Verdrillung ist eine wichtige Maßnahme, ersetzt aber keine weitere EMV-gerechte Installation.
24.8 Können Frequenzumrichter Thermoelementmessungen verfälschen?
Ja. Frequenzumrichter erzeugen gepulste Ausgangsspannungen und zeitlich veränderliche Motorströme. Diese können über elektrische und magnetische Felder auf benachbarte Thermoelementleitungen einkoppeln. Besonders kritisch sind lange parallele Kabelwege und ungeeignete Schirmanschlüsse. Eine geeignete EMV-Installation von Motorleitung und Messleitung kann die Störfestigkeit verbessern.
24.9 Kann eine induzierte Spannung von 0,4 mV bereits einen großen Temperaturfehler verursachen?
Ja. Bei einem Thermoelement Typ K und einer angenommenen lokalen Empfindlichkeit von ungefähr 41 µV/K entsprechen 0,41 mV rechnerisch etwa 10 K. Wie sich eine reale Störspannung auf die Anzeige auswirkt, hängt jedoch auch von ihrem Frequenzverlauf, der Filterung und der Signalverarbeitung ab. Eine hochfrequente Wechselstörung erzeugt nicht zwangsläufig einen konstanten Offset.
24.10 Ist ein geerdetes Thermoelement störanfälliger als ein isoliertes?
Ein geerdetes Thermoelement kann eine galvanische Verbindung zwischen Messsignal und Prozessanlage herstellen. Bei unterschiedlichen Potentialen kann dies zusätzliche Störungen begünstigen. Ein isoliertes Thermoelement reduziert diese direkte Kopplung, ist aber nicht automatisch immun gegen elektromagnetische Einkopplungen. Die Eignung hängt von der vollständigen Messkette ab.
24.11 Warum schwankt die Temperaturanzeige beim Einschalten eines Motors?
Eine mögliche Ursache ist elektromagnetische Einkopplung aus der Motorleitung oder der zugehörigen Leistungselektronik. Auch Änderungen der Erdpotentiale oder Schalttransienten können relevant sein. Zur Diagnose sollten die zeitliche Übereinstimmung mit dem Motorbetrieb, der Leitungsweg, die Schirmung und eine unabhängige Temperaturreferenz untersucht werden.
24.12 Was ist der Unterschied zwischen Thermoleitung und Ausgleichsleitung?
Eine Thermoleitung besteht aus geeigneten thermoelektrischen Leiterwerkstoffen des jeweiligen Thermoelementtyps. Eine Ausgleichsleitung kann andere Legierungen verwenden, deren thermoelektrische Eigenschaften innerhalb eines definierten Temperaturbereichs angepasst sind. Die richtige Auswahl und Kennzeichnung sind wichtig, weil ungeeignete Leitungen systematische Temperaturmessfehler verursachen können.
24.13 Darf man eine Thermoelementleitung mit normalem Kupferkabel verlängern?
Normales Kupferkabel ist nicht automatisch als Thermoelement-Verlängerungsleitung geeignet. Die zusätzlichen Übergangsstellen und deren Temperaturen können die Messung beeinflussen. Üblicherweise werden geeignete Thermoelement-Verlängerungs- oder Ausgleichsleitungen verwendet. Eine Kupferleitung ist erst hinter einer dafür geeigneten Signalumwandlung oder innerhalb einer ausdrücklich entsprechend ausgelegten Messanordnung sinnvoll.
24.14 Kann ein Temperaturtransmitter elektromagnetische Störungen verhindern?
Ein geeigneter Temperaturtransmitter kann die Störanfälligkeit reduzieren, weil die kleine Thermospannung nahe der Messstelle aufbereitet und in ein robusteres Ausgangssignal umgewandelt wird. Eine galvanische Trennung kann zusätzlich Potentialprobleme entschärfen. Störungen, die bereits vor dem Transmittereingang in das Thermoelementsignal eingekoppelt werden, können jedoch weiterhin Messfehler verursachen.
24.15 Welche Vorteile bietet ein galvanisch getrennter Temperaturtransmitter?
Eine galvanische Trennung kann unerwünschte direkte elektrische Verbindungen zwischen Thermoelementeingang und nachgeschaltetem Ausgangskreis unterbrechen. Dadurch können Probleme durch unterschiedliche elektrische Bezugspotentiale reduziert werden. Die Trennung muss für die tatsächlichen Betriebsbedingungen geeignet sein und ersetzt keine korrekte Schirmung, Leitungsführung oder elektrische Schutzmaßnahme.
24.16 Warum zeigt das Thermoelement bei Erwärmung des Anschlusskastens einen falschen Wert?
Eine mögliche Ursache ist die Vergleichsstellenkompensation. Werden die relevanten Anschlussstellen unterschiedlich temperiert oder wird ihre Temperatur nicht korrekt erfasst, kann die berechnete Prozesstemperatur abweichen. Auch ungeeignete Anschlusswerkstoffe oder zusätzliche thermoelektrische Übergänge können eine Rolle spielen. Die thermische Situation im Anschlusskasten sollte daher überprüft werden.
24.17 Wie prüft man eine Thermoelementmessung auf elektromagnetische Störungen?
Zunächst sollten Thermoelementtyp, Leitung, Polarität und Vergleichsstellenkompensation überprüft werden. Danach wird untersucht, ob die Messwertabweichung mit bestimmten elektrischen Betriebszuständen zusammenhängt. Geeignete Referenzmessungen sowie eine fachgerechte Prüfung von Leitungsführung, Schirmung und Messeingang helfen bei der Eingrenzung. Alle Arbeiten müssen unter Einhaltung der elektrischen Sicherheitsvorgaben erfolgen.
24.18 Wann ist es sinnvoll, Thermoelementleitungen vollständig getrennt von Leistungskabeln zu führen?
Eine getrennte Leitungsführung ist besonders sinnvoll, wenn längere Leitungsstrecken, Frequenzumrichter, große Motorströme oder hohe Anforderungen an die Messgenauigkeit vorliegen. Sie reduziert die Möglichkeit elektromagnetischer Einkopplung und erleichtert eine nachvollziehbare EMV-gerechte Installation. Die erforderliche Trennung muss anhand der elektrischen Anlage, der Herstellerangaben und der anwendbaren Installationsvorgaben festgelegt werden.