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Die Erfindung betrifft ein Kupplungsteil einer Thermoelement-Steckverbindungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Thermoelement-Steckverbindungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
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Ein Thermoelement umfasst ein Paar metallische Leiter aus zwei unterschiedlichen Materialien, die an einer Messstelle elektrisch verbunden sind und aufgrund des thermoelektrischen Effektes, auch Seebeck-Effekt genannt, zur Temperaturmessung geeignet sind.
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Liegt zwischen den offenen Enden und den verbundenen Enden des Leiterpaares eine Temperaturdifferenz vor, tritt aufgrund des Temperaturgefälles entlang des Leiters eine sogenannte Thermospannung auf, und kann als Spannungsdifferenz zwischen den beiden Leitern gemessen werden. Der Betrag der Spannungsdifferenz ist von den Leitermaterialien und der Temperaturdifferenz abhängig.
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Aus dem Stand der Technik sind Thermoelement-Steckverbindungsvorrichtungen bekannt, welche einen mit einem Thermoelement verbundenen Steckverbinderteil und einen Kupplungsteil umfassen. Über den Steckverbinderteil wird üblicherweise die an der Vergleichsstelle, nämlich an dem Steckerpaar des Steckverbinderteils, anliegende Spannungsdifferenz dem Kupplungsteil zugeführt. Um aus der Spannungsdifferenz die zutreffende Temperatur an der Messstelle zu ermitteln, wird die Spannungsdifferenz von dem Kupplungsteil über eine elektrische Messleitung zum Auswerten an eine externe, übergeordnete Auswertevorrichtung weitergeleitet. Es sind Steckverbindungsvorrichtungen bekannt, die das Sensorsignal entweder unverstärkt oder verstärkt weiterleiten. Das Anbinden der Thermoelement-Steckverbindungsvorrichtungen über die elektrische Messleitung an eine externe, übergeordnete Auswertevorrichtung kann insbesondere bei einem System mit mehreren Thermoelementen zu einem sehr hohen Verkabelungsaufwand führen.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass das Kupplungsteil eine vollständige Auswertelektronik umfasst, derart, dass aus einer von dem Steckverbinderteil zugeführten Spannungsdifferenz des Thermoelements unter Berücksichtigung einer Vergleichsstellentemperatur, welche bei dem Kupplungsteil mittels einer Vergleichsstellentemperatur-Messvorrichtung erfassbar ist, mittels einer Recheneinrichtung des Kupplungsteils eine Temperatur an einer Messstelle des Thermoelements ermittelt wird, und dass das Kupplungsteil eine Schnittstelle für einen Datenbus aufweist, um die ermittelte Temperatur an der Messstelle des Thermoelements über die elektrische Datenleitung digital aus- und weiterzugeben.
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Vorteilhafterweise umfasst die vollständige Auswertelektronik und damit das Kupplungsteil Mittel zur Signalerfassung, insbesondere die Vergleichsstellentemperatur-Messvorrichtung, Mittel zur Signalvorverarbeitung, Mittel zur Signalwandlung, insbesondere A/D-Wandler, Mittel zur Spannungsaufbereitung und/oder Mittel zur Signalverarbeitung, insbesondere die Recheneinrichtung.
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Erfindungsgemäß wird also von dem Kupplungsteil durch Auswerten der zugeführten Spannungsdifferenz mittels der Auswerteelektronik die Temperatur an der Messstelle des Thermoelements ermittelt und über die Schnittstelle für den Datenbus als aufbereiteter Messwert weitergeleitet. Auf diese Weise kann die an der Messstelle des Thermoelements ermittelte Temperatur direkt von dem Kupplungsteil ausgegeben werden und über den Datenbus an weitere Teilnehmer eines Kommunikationsnetzwerks weitergeleitet und von diesen gegebenenfalls direkt weiterverarbeitet werden, und muss nicht zuvor noch an eine externe übergeordnete Auswerteeinheit weitergeleitet werden.
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Über die Schnittstelle für den Datenbus kann das Kupplungsteil, und damit insbesondere die Thermoelement-Steckverbindungsvorrichtung, in ein Kommunikationsnetzwerk mit insbesondere mehreren Teilnehmern, als ein Teilnehmer dieses Kommunikationsnetzwerks integriert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Kupplungsteil wenigstens eine Speichervorrichtung zum Speichern von Daten, insbesondere zum Speichern von vorzugsweise mehreren Thermoelementkennlinien und/oder zum Speichern von Herstellerdaten und/oder Systemdaten, umfasst. Über eine Thermoelementkennlinie kann aus der zugeführten Spannungsdifferenz die zutreffende Temperatur ermittelt werden. Die Kennlinie gilt für eine spezifische Materialkombination, also für einen spezifischen Thermoelementtyp, da verschiedene Materialkombinationen in unterschiedlicher Weise die Temperaturdifferenz zwischen Messstelle und Vergleichsstelle in ein Spannungssignal umwandeln. Vorteilhafterweise können in der Speichervorrichtung mehrere Kennlinien hinterlegt werden, sodass für mehrere Materialkombinationen des Thermoelements, also für mehrere Thermoelementtypen, eine spezifische Kennlinie hinterlegt werden kann. Die Recheneinrichtung kann vorteilhafterweise zum Ermitteln der Temperatur auf die Speichereinrichtung, insbesondere auf die in der Speichereinrichtung hinterlegte Thermoelementkennlinie zugreifen. Systemdaten umfassen beispielsweise Orts- bzw. Einsatzinformationen des Kupplungsteils und/oder eines zugehörigen Thermoelements.
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Die Speichervorrichtung kann vorteilhafterweise einen, insbesondere nichtflüchtigen, einmalig beschreibbaren oder wiederbeschreibbaren Datenspeicher umfassen.
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Die Speichervorrichtung ist vorteilhafterweise über eine Schnittstelle, welche bei dem Kupplungsteil vorgesehen ist, auslesbar und/oder beschreibbar. Dabei kann die Speichervorrichtung beispielsweise über die Schnittstelle für den Datenbus beschrieben und/oder ausgelesen werden. Es ist aber auch denkbar, dass dafür eine weitere, insbesondere eine separate, Schnittstelle für die Speichervorrichtung vorgesehen ist. Auf diese Weise kann der Kupplungsteil von außen mit Daten, insbesondere mit Thermoelementkennlinien, Systemdaten und/oder Herstellerdaten bespielt oder die Daten davon abgefragt werden. Von besonderem Interesse sind beispielsweise Orts- bzw. Einsatzinformationen. Das Kupplungsteil kann auf diese Weise nach außen, beispielsweise einem weiteren mit dem Datenbus verbundenen Teilnehmer, mitteilen, an welcher Position das Kupplungsteil und/oder das Thermoelement verbaut wurde.
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In Weiterbildung dieses Erfindungsgedankens kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass das Kupplungsteil eine drahtlose Sende-/Empfangseinrichtung, insbesondere RFID, für eine drahtlose unidirektionale oder bidirektionale Datenkommunikation, insbesondere zum Schreiben und/oder Auslesen der Speichervorrichtung des Kupplungsteils umfasst.
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Weiter kann es sich als vorteilhaft erweisen, wenn die Auswerteelektronik, insbesondere die Recheneinrichtung, dazu ausgebildet ist, die ermittelte Temperatur in einer wählbaren Einheit und/oder wählbaren Auflösung und/oder wählbaren Bus-/Device-Adresse auszugeben.
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Vorteilhafterweise kann weiter vorgesehen sein, dass das Kupplungsteil einstellbare Filtervorrichtungen umfasst.
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Vorteilhafterweise kann weiter vorgesehen sein, dass die Auswerteelektronik, insbesondere die Recheneinheit dazu ausgebildet ist, einen Mittelwert der Temperatur an der Messstelle, in insbesondere vorgebbarer Weise, zu ermitteln. Beispielsweise kann der Mittelwert über eine vorgebbare Zeitspanne ermittelt werden.
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Vorteilhafterweise kann weiter vorgesehen sein, dass die Auswertelektronik ausgebildet ist, eine Kalibrierung und/oder Justage auszuführen, wobei Kalibrierwerte und/oder Justagewerte ermittelt und für die weitere Berücksichtigung in der Speichervorrichtung gespeichert werden. Die Kalibrierwerte und/oder Justagewerte können beispielsweise durch Justieren und/oder Kalibrieren der Thermoelement-Steckverbindungsvorrichtung, insbesondere des Kupplungsteils, mit einem Sensor oder über einen Simulator ermittelt werden. Die Kalibrierwerte und/oder Justagewerte werden dann in dem Kupplungsteil, insbesondere auf der Speichervorrichtung des Kupplungsteils, hinterlegt. Basierend auf Kalibrierwerten und/oder Justagewerten können interne Korrekturen durchgeführt werden.
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Weiter kann es sich als vorteilhaft erweisen, dass das Kupplungsteil eine Plombenaufnahme umfasst, um eine hergestellte Verbindung mit einem Steckverbinderteil im Sinne einer Originalitätsanzeige zu sichern. Das mechanische Verplomben der beiden Einheiten schützt vor ungewolltem Trennen und/oder ungewolltem Vertauschen von Steckverbinderteil und Kupplungsteil, und damit von Thermoelement und Kupplungsteil. Vorteilhafterweise kann durch das Verplomben die Vertrauenswürdigkeit von Messungen eines mit einem kalibrierten und/oder justierten Kupplungsteils verbundenen Thermoelements erhöht werden.
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In Weiterbildung dieses Erfindungsgedankens, kann es sich als vorteilhaft erweisen, wenn das mechanische Verplomben das Beschreiben der Speichervorrichtung sperrt. Vorteilhafterweise wird die Plombe angebracht, wenn das Kupplungsteil, insbesondere dessen Speichervorrichtung mit Daten, insbesondere Justier- und Kalibrierdaten und/oder Thermoelementkennlinien und/oder Herstellerdaten und/oder Systemdaten beschrieben wurde.
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Das Kupplungsteil kann vorteilhafterweise beliebig oft mit einem, mit einem Thermoelement verbundenen oder verbindbaren, Steckverbinderteil verbunden und anschließend rekalibriert und gegebenenfalls rejustiert und neu verplombt werden.
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Weitere Ausführungsformen betreffen eine Thermoelement-Steckverbindungsvorrichtung, umfassend einen mit einem Thermoelement verbundenen oder verbindbaren Steckverbinderteil und einen Kupplungsteil gemäß den Ansprüchen 1 bis 11.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Kupplungsteil und das Steckverbinderteil eine jeweilige Plombenaufnahme aufweisen, um eine hergestellte Verbindung des Kupplungsteils mit dem Steckverbinderteil im Sinne einer Originalitätsanzeige zu sichern.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Dabei können die in der Zeichnung dargestellten und in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Bei mit gleichen Bezugszeichen versehenen Elementen handelt es sich dabei im Folgenden um gleiche oder ähnliche Elemente. In der Zeichnung zeigen:
- 1 eine Thermoelement-Steckverbindungseinrichtung;
- 2 ein Kupplungselement der Thermoelement-Steckverbindungseinrichtung aus 1;
- 3 das Kupplungselement aus 2 in einer schematischen Darstellung, und
- 4 das Kupplungselement aus 3 in einer weiteren schematischen Darstellung.
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1 zeigt eine Thermoelement-Steckverbindungsvorrichtung, die in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 2 versehen ist. Die Thermoelement-Steckverbindungsvorrichtung 2 umfasst einen mit einem nicht vollständig dargestellten Thermoelement 8 verbindbaren Steckverbinderteil 4 und einen Kupplungsteil 6.
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Üblicherweise umfasst das Thermoelement 8 ein Paar metallische Leiter aus zwei unterschiedlichen Materialen, die an einem Ende, nämlich an der Messstelle, elektrisch verbunden sind und aufgrund des thermoelektrischen Effektes, auch Seebeck-Effekt genannt, zur Temperaturmessung geeignet sind. Liegt zwischen dem offenen Ende und dem verbundenen Ende des Leiterpaares eine Temperaturdifferenz vor, tritt aufgrund des Temperaturgefälles entlang des Leiters eine sogenannte Thermospannung auf. Diese Spannung kann zwischen den beiden Leitern gemessen werden. Der Betrag der Spannung ist von den Leitermaterialien und der Temperaturdifferenz abhängig. Diese Spannungsdifferenz wird über das Steckverbinderteil 4 dem Kupplungselement 6 zugeführt.
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Das Steckverbinderteil 4 ist gemäß der dargestellten Ausführungsform über eine bei dem Kupplungsteil 6 vorgesehene entsprechende Steckverbinderaufnahme 10 mit dem Kupplungsteil 6 verbindbar.
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In einem Gehäuse 6a des Kupplungsteils 6 ist eine Auswerteelektronik 6b des Kupplungsteils vorgesehen. 2 zeigt das Kupplungsteil 6 aus 1, mit einem teilweise geöffneten Gehäuse 6a.
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Das Kupplungsteil 6, insbesondere die Auswerteelektronik 6b, wird im Weiteren unter Bezugnahme auf die 3 und 4 beschrieben. 3 zeigt eine schematische Darstellung des Kupplungsteils 6, insbesondere ein schematisches Blockschaltbild der Auswerteelektronik 6b. 4 zeigt eine weitere schematische Darstellung des Kupplungsteils 6, insbesondere eine beispielhafte Anordnung von Elementen des Kupplungsteils 6, insbesondere der Auswerteelektronik 6b, auf einer Platine.
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Das Kupplungsteil 6 umfasst die Auswerteelektronik 6b. Das Kupplungsteil 6 umfasst weiterhin eine Anschlussstelle 12, die wiederum direkt mit der Auswerteelektronik 6b verbunden ist und somit die Spannungsdifferenz des Thermoelements der Auswerteelektronik 6b zuführt. Durch Vergleichsstellen 14 wird ein Übergang der Anschlussstelle 12 zur Auswerteelektronik 6b hergestellt.
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An den Vergleichsstellen 14 wird über eine Vergleichsstellentemperatur-Messvorrichtung 16 der Auswerteelektronik 6b eine Vergleichungsstellentemperatur erfasst.
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Mittels der Auswertelektronik 6b wird aus der von dem Steckverbinderteil 4 zugeführten Spannungsdifferenz unter Berücksichtigung der Vergleichsstellentemperatur die Temperatur an der Messstelle des Thermoelements 8 ermittelt.
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Die zugeführte Spannungsdifferenz und die Vergleichsstellentemperatur werden zunächst über Analog/Digital-Wandler 18 in digitale Signale umgewandelt.
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Mittels einer Recheneinrichtung 20 wird anhand der zugeführten Spannungsdifferenz und der Vergleichsstellentemperatur, insbesondere anhand der digitalen Signale, die Temperatur an der Messstelle des Thermoelements 8 ermittelt. Bei der Recheneinrichtung 20 handelt es sich insbesondere um einen Mikrocontroller.
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Das Kupplungsteil 6 umfasst weiter eine Schnittstelle 22 für einen Datenbus, um die ermittelte Temperatur an der Messstelle des Thermoelements über eine elektrische Datenleitung 24 digital aus- und weiterzugeben. Die Datenleitung 24 kann über eine Steckverbindung oder über einen Kabelabgang mit dem Kupplungsteil 6 verbunden sein.
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Bei der Schnittstelle 22 für einen Datenbus handelt es sich insbesondere beispielsweise um eine CAN oder RS485 oder 1/0-Link oder Single Pair Ethernet Schnittstelle, umfassend wenigstens einen Treiber für einen CAN oder RS485 der I/O-Link oder Single Pair Ethernet Datenbus.
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Das Kupplungsteil 6 umfasst weiter eine Speichereinrichtung 26 zum Speichern von Daten, insbesondere zum Speichern von vorzugsweise mehreren Thermoelementkennlinien und/oder zum Speichern von Herstellerdaten und/oder Systemdaten.
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Über eine Thermoelementkennlinie kann aus der zugeführten Spannungsdifferenz die zutreffende Temperatur ermittelt werden. Die Kennlinie gilt für eine spezifische Materialkombination, also für einen spezifischen Thermoelementtyp, da verschiedene Materialkombinationen in unterschiedlicher Weise die Temperaturdifferenz zwischen Messstelle und Vergleichsstelle in ein Spannungssignal umwandeln. Vorteilhafterweise können in der Speichervorrichtung 26 mehrere Kennlinien hinterlegt werden, sodass für mehrere Materialkombinationen des Thermoelements, also für mehrere Thermoelementtypen, jeweils eine spezifische Kennlinie hinterlegt werden kann. Die Recheneinrichtung 20 kann vorteilhafterweise zum Ermitteln der Temperatur auf die Speichervorrichtung 26, insbesondere auf die in der Speichervorrichtung 26 hinterlegte Thermoelementkennlinie zugreifen. Vorteilhafterweise sind in der Speichervorrichtung 26 die Justier- und Kalibrierdaten gespeichert, die von der Recheneinrichtung 20 zur Korrektur der erfassten, digitalisierten Messsignale noch in der Auswerteelektronik 6b direkt verarbeitet werden.
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Systemdaten umfassen beispielsweise Orts- bzw. Einsatzinformationen des Kupplungsteils 6 und/oder eines zugehörigen Thermoelements 8.
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Die Speichervorrichtung 26 kann vorteilhafterweise einen, insbesondere nichtflüchtigen, einmalig beschreibbaren oder wiederbeschreibbaren Datenspeicher umfassen.
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Die Speichervorrichtung 26 ist über eine Schnittstelle auslesbar und/oder beschreibbar. Gemäß der dargestellten Ausführungsform kann die Speichervorrichtung 26 beispielsweise über die Schnittstelle 22 für den Datenbus beschrieben und/oder ausgelesen werden. Es ist aber auch denkbar, dass dafür eine weitere, insbesondere eine separate, Schnittstelle für die Speichervorrichtung 26 vorgesehen ist.
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Über die Schnittstelle kann das Kupplungsteil 6 von außen mit Daten, insbesondere mit Thermoelementkennlinien, Systemdaten, Justage- und Kalibrierdaten und/oder Herstellerdaten bespielt oder die Daten davon abgefragt werden. Von besonderem Interesse sind beispielsweise Orts- bzw. Einsatzinformationen. Das Kupplungsteil 6 kann über die Schnittstelle nach außen, beispielsweise einem weiteren mit dem Datenbus verbundenen Teilnehmer, mitteilen, an welcher Position das Kupplungsteil 6 und/oder das Thermoelement 8 verbaut wurde.
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Gemäß der dargestellten Ausführungsform umfasst das Kupplungsteil 6 eine drahtlose Sende-/Empfangseinrichtung 28, insbesondere eine RFID-Schnittstelle, engl. radio frequency identification, für eine drahtlose unidirektionale oder bidirektionale Datenkommunikation. Über die Sende-/Empfangseinrichtung 28 kann die Speichervorrichtung 26 des Kupplungsteils ausgelesen oder beschrieben werden. Die Datenkommunikation erfolgt dabei über magnetische Wechselfelder oder hochfrequente Radiowellen.
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Gemäß der dargestellten Ausführungsform umfasst das Kupplungsteil 6 Mittel 30 zum Detektieren eines Kurzschlusses und/oder Kabelbruchs des Thermoelements 8.
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Das Kupplungsteil 6, insbesondere elektronische Elemente des Kupplungsteils 6, wird über eine Energieversorgungs-Schnittstelle 32 mit Energie versorgt. Gemäß der dargestellten Ausführungsform umfasst das Kupplungsteil weiter Bauteile 34 zur Aufbereitung der über die Energieversorgungs-Schnittstelle 32 zugeführten Spannung.
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Das Kupplungsteil kann optional weitere in den Figuren nicht dargestellte Bauteile, insbesondere Filter, vorzugsweise einstellbare Filter, zur Aufbereitung der elektrischen Signale, insbesondere der zugeführten Spannungsdifferenz und/oder der Vergleichsstellentemperatur umfassen.
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Gemäß der dargestellten Ausführungsform umfasst das Kupplungsteil 6 weiter eine Plombenaufnahme 36, um eine hergestellte Verbindung mit dem Steckverbinderteil 4 im Sinne einer Originalitätsanzeige zu sichern. Das mechanische Verplomben 38 der beiden Einheiten, vgl. 1, schützt vor ungewolltem Trennen und/oder ungewolltem Vertauschen von Steckverbinderteil 4 und Kupplungsteil 6, und damit von Thermoelement 8 und Kupplungsteil 6.
