Thermospannungsklemmen - Sonderklemmen für ... - Phoenix Contact

Thermospannungsklemmen
Sonderklemmen für den Bereich
Temperaturmessung
Speziell die Verfahrens- und die Labortechnik leben
von hoch präzisen Messungen. Sie sind auf sichere
Ergebnisse für einen reibungslosen Ablauf ihrer
Prozesse angewiesen. Für die sensible Meßtechnologie
ist Präzision von elementarer Bedeutung.
Temperaturmessungen werden in diesen Bereichen häufig
mit Thermoelementen durchgeführt. Sie sind preiswert,
robust und zeichnen sich durch geringe Meßtoleranzen
aus.
Im Prozessverlauf kommt es häufig vor, daß mehrere
Meßpunkte parallel überwacht werden müssen,
beispielsweise für analoge Auswertungen oder weil
Temperaturdifferenzen zwischen zwei Punkten für einen
Ablauf wichtig sind. Diese, an verschiedenen und auch
häufig schwer zugänglichen Orten ermittelten Werte,
laufen zentral an einer Meßstation zusammen und werden
dort ausgewertet. Die Wege zwischen Meßpunkt und
Meßgerät müssen aus einer konstanten, einwandfreien
Verbindung bestehen, um mögliche Meßfehler zu
vermeiden.
Meßverfahren/Temperaturbereich
Das Thermoelement wird an die zu
messende Stelle herangeführt und ein
mit dem Thermoelement verbundenes
Meßgerät mißt Temperaturen im
Bereich von -200°C bis +1600°C (jede
Temperaturstufe mit speziellen
Thermoelementen)
Die Thermoelemente unterscheidet
man aufgrund ihrer vielfältigen
Metallkombinationen (für verschiedene
Temperaturbereiche/-stufen) anhand
eines Typenschlüssels:
Fe-CuNi Typ J
Fe-CuNi; DIN Typ L
Chromel-Alumel Typ K
Pt-Rh 10% Pt Typ S
Cu-CuNi Typ T
Cu, CuNi , DIN Typ U
Thermospannungsklemmenpaar
Thermoelemente
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Aufbau eines Thermoelementes für den
Temperaturbereich von -200°C bis +600°C
Kupferdraht
Konstantandraht
So funktioniert ein Thermoelement:
Meßpunkt:
geschweißte
Verbindung der
beiden Drähte
Ein Thermoelement besteht lediglich aus zwei
unterschiedlichen Metalldrähten (zum Beispiel Kupfer- und
Konstantandraht). Sie sind an einem Ende miteinander
verbunden (verdrillt oder geschweißt) und werden dann bis
zum Meßgerät isoliert voneinander weitergeführt.
Bei Wärmeeinwirkung auf die verdrillte oder geschweißte
Verbindungsstelle entsteht zwischen den beiden Metallen
eine Gleichspannung (Thermospannung), die meßbar ist
und Informationen über die dort herrschende Temperatur
liefert.
Da verschiedene Metallkombinationen in bestimmten
Temperaturbereichen unterschiedlich ausgeprägte
Thermospannungen liefern, gibt es für verschiedene
Temperaturbereiche spezielle Varianten von
Thermoelementen (siehe Tabelle Seite 4 und
Typenschlüssel Seite 1). Bei Temperaturen von 0° C bis
1200° C wird die Kombination Nickel-Chrom / Nickel
verwendet. Thermoelemente aus Kupfer / Konstantan
messen beispielsweise im Temperaturbereich zwischen -
200 °C und +600 °C.
Thermoelemente
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Thermospannungen bei Dt = 100°C
Cu-Al ≈ 0,3 mV
Cu-Fe ≈ 1 mV
Al-Fe ≈ 1,3 mV
Cu-Ag ≈ 0 mV
Die Anwendung
Die Übermittlungsstrecke der Thermoelemente, das heißt
der Abstand vom Meßpunkt zum Meßgerät, ist zwar
bedingt durch die Bauart des Gerätes eingeschränkt,
dennoch besteht die Möglichkeit, auch größere Distanzen
zu überwinden. Hierfür ist es jedoch notwendig, die
Strecke mit einer Thermoleitung zu verlängern. Als
Verbindungselement wird eine Klemme verwendet.
Die verläßlichste Möglichkeit, eine stabile Verbindung
zwischen einem Thermoelement und einer „Verlängerung“
herzustellen, ist der Einsatz von speziellen
Sonderklemmen als Verbindungselement, in diesem Fall
Thermospannungsklemmen. Handelsübliche
Reihenklemmen können diese Aufgabe nicht erfüllen, da
der leitende Strombalken bzw. die stromführenden Teile
ausschließlich aus Kupfer gefertigt sind. Dies hätte im Fall
eines Anschlusses die Folge, daß durch das
Zusammenkommen der unterschiedlichen Metalle an
jeder Verbindungsstelle wiederum ein neues
Thermoelement ungewollt entstehen würde.
Meßpunkt
Thermoelement:
Eisen
Konstantan
Strombalken:
Kupfer
Thermoleitung:
Eisen
Konstantan
An diesen Verbindungspunkten
entsteht jeweils ein
neues Thermoelement
durch die Verbindungverschiedener
Metalle
Thermoelement, welches durch zwei Universalreihenklemmen mit
Thermoleitungen verbunden ist
Thermoelemente
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Im Gegensatz zu handelsüblichen Reihenklemmen
werden Thermospannungsklemmen auf Grund ihres
besonderen Aufbaus ausschließlich paarweise
angeboten.
Die Strombalken eines Klemmenpaares bestehen aus
verschiedenen Metallen und sind individuell auf die
Materialien der Thermoelemente abgestimmt. Somit
können die Metallkombinationen der
temperaturmessenden Elemente unterbrechungsfrei
weitergeführt werden.
Meßpunkt
Thermoelement:
Nickel
Nickelchrom
Strombalken:
Nickel
Nickelchrom
Thermoleitung:
Nickel
Nickelchrom
Thermoelement, welches durch Thermospannungsklemmen mit einer
Thermoleitung verbunden ist. Geeignet für den Temperaturbereich von
0°C bis + 1200°C
Nach DIN 43710 sind folgende Thermopaare genormt
Thermoelemente
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+Schenkel Kupfer Eisen Nickel-Chrom Platin-Rhodium Nickel-Chrom
-Schenkel Konstantan Konstantan Nickel Platin Konstantan
Temperaturbereich/-stufe
-200°C...+600°C
(73K...973K)
-200°C...+800°C
(73K...1073K)
Thermospannungsklemmenpaar
MTKD-NICR/NI
Typ K
0°C...1200°C
(273K...1473K)
Dieses Prinzip macht es also möglich, daß man für
sämtliche Thermoelemente mit Hilfe von
Verbindungsklemmen größere Distanzen überbrücken
kann, ohne erwähnenswerte Meßfehler zu erzeugen.
Vor allem in ausgedehnten Chemieanlagen wird auf diese
Art und Weise mit Hilfe von Thermoleitungen gemessen.
Wenn allerdings sehr große Entfernungen überwunden
werden müssen, sollte die Spannung über einen
Meßwandler zunächst umgesetzt und verstärkt werden.
0°C...1600°C
(273K...1873K)
-200°C...+800°C
(73K...1073K)

Zur Umsetzung der Temperaturspannung in
genormte Schnittstellensignale 0-20 mA bzw. 0-10
V eignen sich die
MCR-Temperatur-Meßwandler MCR-TE-JK
Zusammensetzung der Materialien
spez.
Widerst .r
Ω x mm²
m
Kupfer Cu: ≈ 100% (Reinkupfer) 0,017
Konstantan: 55% Cu, 45% Ni oder 0,495
55% Cu, 44% Ni, 1% Mn
Eisen Fe: ≈ 100% (Reineisen) 0,11
Nickelchrom NiCr: 90% Ni, 10% Cr 0,72
Nickel Ni: 95% Ni, Rest Mn, Al, Si 0,27
Platinrhodium: 90% Pt, 10% Rh 0,193
Platin Pt: ≈ 100% (Reinplatin) 0,107
Die „Thermokraft“ einer beliebigen Metallkombination
ergibt sich aus der Differenz der angegebenen
Thermospannungen. Hinsichtlich dieser
Thermospannungen lassen sich die Metalle in eine
thermoelektrische Spannungsreihe einordnen. Je größer
die Differenz, desto größer die Thermospannung.
Thermoelektrische Spannungsreihe
(bezogen auf Kupfer) :
UTh / mV
K (Auswahl)
Temperaturdifferenz 100K; Bezugstemperatur 0°C
Bi Ni Pt Hg Al Pb Ag Cu Cd Fe Sb
-8 -2,2 -0,7 -0,7 -0,3 -0,3 -0,05 0 +0,1 +0,1 +4,0
Thermoelemente
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Begriffserläuterung nach DIN 43 722
„Thermoleitungen [...] werden für die elektrische
Verbindung zwischen den offenen Enden eines
Thermopaares und der Vergleichsstelle in solchen Fällen
verwendet, wo die Schenkel des Thermopaares nicht
direkt mit der Vergleichsstelle verbunden sind.
[...] Thermoleitungen werden mit Leitungen hergestellt, die
die gleiche Nennzusammensetzung haben, wie die des
entsprechenden Thermopaares [...]“
Vorgeschriebene Farbkennzeichnung nach DIN 43 722
Typ des Thermopaares Farbkennzeichnung
des positiven Leiters und des Mantels
T braun
E violett
J schwarz
K grün
R orange
S orange
B grau
N rosa
Ausgewählte Farben nach IEC 304
Negative Leiter
Die Isolation des negativen Leiters muß für alle
Thermopaartypen weiß sein.
Positive Leiter
Die Isolation des positiven Leiters muß eine Farbe
entsprechend der oben gezeigten Tabelle haben
Weitere relevante Normen
DIN 43 714
Messen, Steuern, Regel; Elektrische
Temperaturaufnehmer; Ausgleichsleitungen und
Thermoleitungen für Thermoelemente
DIN IEC 548 Teil 1
Thermopaare; Grundwerte der Thermospannungen
Thermoelemente
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