Technologien zur Temperaturmessung: eine Einführung

Eine Temperatur kann auf viele verschiedene Arten gemessen werden. Die Wahl einer bestimmten Sensorart hängt dabei von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung ab, darunter Temperaturbereich, Genauigkeit, Geschwindigkeit, Größe und Preis. Im Folgenden finden Sie eine Zusammenfassung davon, wie die geläufigsten Sensorarten funktionieren und inwiefern sie sich voneinander unterscheiden.

 

Thermoelemente

Thermoelemente bedienen sich des sogenannten thermoelektrischen Effekts; das bedeutet, dass ein beliebiger Leiter bei einer Temperaturänderung eine Spannung erzeugt. Die Höhe dieser Spannung wird dabei zur Beschreibung des Materials verwendet. In seiner einfachsten Form besteht ein Thermoelement aus zwei Drähten aus unterschiedlichen Materialien, deren Enden abisoliert und miteinander verdrillt wurden. Die Drähte müssen dabei aus verschiedenen Materialien bestehen, da sich die erzeugten Spannungen bei den gleichen Materialien gegenseitig aufheben würden. Mit zwei unterschiedlichen Materialien entsteht jedoch eine Spannung, die letztlich gemessen werden kann.

Dabei werden zahlreiche unterschiedliche und mitunter sehr beliebte Metallkombinationen verwendet, von denen die geläufigsten inzwischen sogar einen eigenen Namen erhalten haben. Verschiedene Kombinationen verfügen über unterschiedliche Eigenschaften, beispielsweise im Hinblick auf den Temperaturbereich, die Empfindlichkeit, die Korrosionsbeständigkeit oder sogar auf den Preis. Zu den geläufigsten Varianten für allgemeine Anwendungen zählen „Typ K“-Komponenten, da sie besonders preiswert sind. Bei einem solchen Thermoelement bestehen die Drähte aus Chromel (Nickel-Chrom-Legierung) und Alumel (Nickel-Aluminium-Legierung). Außerhalb der Einordnung mit Hilfe verschiedener Buchstaben stehen auch sehr spezielle Kombinationen für extreme Anwendungen wie die klirrende Kälte des Weltraums oder die Hitze von Nuklearreaktoren zur Verfügung.

Sie müssen nicht genau wissen, welche Arten von Thermoelementen Sie benötigen; diese Komponenten können auf der Basis des Temperaturbereichs, der Reaktionszeit und der Größe/Art der Messspitze ausgewählt werden. Die Toleranz ist dabei nicht gar so hoch wie bei Komponenten anderer Art, während manche Thermoelemente nicht zwingend besondere Drift-Eigenschaften aufweisen. Eingesetzt werden Thermoelemente jedoch vor allen Dingen in Anwendungen mit Temperaturen von mehr als 600 °C oder mit sehr kurzen Reaktionszeiten.

Dieses Typ-K-Thermoelement von RS ist ein klassisches Beispiel des grundlegenden Aufbaus mit verdrillten Drähten. Dabei sind sie ebenso integriert in Messspitzen, wie dieses hier, wie auch mit verschiedenen Steckern und Anschlüssen für unterschiedliche Anwendungen erhältlich. Das gesamte Portfolio finden Sie hier.

 

 

Abbildung 1: Beispiel eines Typ-K-Thermoelements der Hausmarke von RS in einer 150-mm-Messspitze

 

Widerstandstemperaturfühler (RTDs)

Widerstandstemperaturfühler (kurz: RTDs) werden dank ihrer höheren Genauigkeit und Stabilität oftmals anstelle von Thermoelementen in Anwendungen mit Temperaturen von weniger als etwa 500 °C eingesetzt. Im Gegensatz zu einem Thermoelement benötigen sie jedoch eine Stromquelle. Sie sind nicht für Anwendungen mit kurzer Reaktionszeit oder hoher Empfindlichkeit geeignet, und die Messspitzen können zudem sehr groß sein.

Sensoren dieser Art messen die Änderung des Widerstands eines Materials – in der Regel Platin – bei einer Änderung der Temperatur. Platin wird deshalb verwendet, da es über einen breiten Temperaturbereich hinweg ein sehr stabiles Verhältnis von Widerstand zu Temperatur bietet, sodass die Messergebnisse präzise und reproduzierbar sind. Platin ist zudem chemisch inert und verfügt somit über eine hohe Lebensdauer.

Die präziseste Ausführung besteht aus einer oder mehreren Wicklungen innerhalb eines Keramikgehäuses, damit diese sich mit zunehmender Temperatur ausdehnen können. Daneben sind auch Varianten mit dünnen Folienelementen erhältlich, die im Grunde aus einer dünnen Platinfolie auf einem Keramikteil bestehen und kleiner, gleichzeitig jedoch nicht so stabil wie ihre Pendants mit verdrillten Drähten sind. Sensoren in dieser Ausführung unterstützen zudem lediglich einen begrenzten Wertebereich.

Der mit Abstand am weitesten verbreitete Sensor ist der PT100 – ein Platinsensor mit einem Widerstand von 100 Ω bei 0 °C, wie dieser hier, ein PT100-Sensor mit verdrillten Drähten für Konfigurationen mit einem oder zwei Sensoren.

Das gesamte Angebot an Platin Temperatursensoren finden Sie hier.

 

 

Thermistoren

Ein Thermistor ist im Grunde genommen ein Widerstand, dessen Wert mit der Temperatur variiert. Anders als RTDs sind Thermistoren aus Keramik oder Polymer gefertigt und erzielen somit selbst bei geringeren Abmessungen eine höhere Präzision – wenn auch lediglich über einen kleineren Temperaturbereich als ein RTD.

Allgemein gesagt sind Thermistoren in zwei verschiedenen Ausführungen erhältlich. Bei solchen mit einem positiven Temperaturkoeffizienten (sogenannte PTC-Thermistoren oder auch Posistoren) steigt der Widerstand mit zunehmender Temperatur. Dabei steigt der Widerstand bei den meisten PTC-Thermistoren nahezu sprunghaft an, sobald eine bestimmte Temperatur erreicht ist. Somit eignen sie sich hervorragend für Anwendungen als Anzeigegerät. Bei Thermistoren mit einem negativen Temperaturkoeffizienten (sogenannte PTC-Thermistoren oder auch Posistoren) sinkt der Widerstand mit zunehmender Temperatur.

Neben ihren primären Funktionen zur Temperaturmessung in Geräten wie Toastern, Kaffeemaschinen, Kühlschränken und vielem mehr, können sie zudem Leiterplatten und weitere Komponenten elektronischer Systeme für „Hot Spots“ überwachen.

Thermistoren werden darüber hinaus auch weitläufig als strombegrenzemde Geräte zum Schutz eines Stromkreises verwendet (anstelle von Sicherungen), da ihre Temperatur bei einer hohen Stromstärke von selbst zunimmt. Nimmt die Stromstärke zu, so wird der Thermistor wärmer und sein Widerstand nimmt zu, wodurch der Strom letztlich begrenzt wird. So kann beispielsweise dieser Murata PTC Chip-Thermistor als Gerät zur Erkennung eines Überstroms oder zur Begrenzung der Stromstärke verwendet werden. Das gesamte Portfolio an Thermistoren bei RS finden Sie hier.

 

Infrarot

Ein Infrarot-Sensor misst die Infrarot-Strahlung eines Objekts und bestimmt somit dessen Temperatur; die Leistung dieser Strahlung wird dabei in ein elektrisches Signal umgewandelt, das dann gemessen werden kann. Somit kann die Temperatur auch aus der Entfernung gemessen werden, da keinerlei physischer Kontakt erforderlich ist. Aus diesem Grund sind diese Sensoren in der Regel in Handheld-Geräte integriert, mit denen der Anwender auf das jeweilige Objekt zielt und dann per Knopfdruck eine Messung durchführen kann. IR Thermometer können auch verwendet werden, wenn sich das jeweilige Objekt bewegt, oder wenn es sich in einem Vakuum oder einer anderweitigen kontrollieren Atmosphäre befindet. Die kontaktlose Messung erlaubt den Einsatz dieser Geräte in Bereichen, die ein hohes Maß an Sauberkeit und Hygiene erfordern. Zudem eignen sie sich für Anwendungen mit sehr heißen Objekten, darunter Industrieöfen und ähnliches. Mit sehr kalten Temperaturen haben diese Geräte jedoch in der Regel Schwierigkeiten.

Wie die meisten anderen Sensoren werden auch IR Sensoren je nach Genauigkeit, Temperaturbereich und Reaktionszeit ausgewählt. Dabei ist der Abstand zwischen dem Sensor und dem gemessenen Objekt in der Regel auf einen bestimmten Wert optimiert.

Dieses Infrarot-Messgerät von Calex Electronics verfügt über einen Messbereich von 0 bis +250 °C und bietet eine Reaktionszeit von 250 ms. Ausgegeben wird dabei ein Signal zwischen 4 und 20 mA. Darüber hinaus sind verschiedene Modi für Objekte in geringer bzw. großer Entfernung verfügbar. RS gesamtes Angebot an IR-Sensoren finden Sie hier.

 

Integrierte Silizium-Sensoren

Temperatursensoren sind darüber hinaus auch aus Silizium erhältlich und kommen dabei in Form von Band-Gap-Temperatursensoren, die in moderne ICs integriert werden können. Ein Band-Gap-Temperatursensor basiert darauf, dass die ausgegebene Spannung einer Siliziumdiode (in diesem Fall die Basen-emittierende Verknüpfung eines BJTs) von der Temperatur abhängt.

Dabei stehen die Sensoren in allen geläufigen IC-Leadframe-Paketen und Größen zur Verfügung, sodass Sie mit Sicherheit eine für Ihre Anwendung passende Option finden werden. Zudem sollten Sie sich vor Augen führen, ob Sie einen analogen oder einen digitalen Output möchten, wie hoch die Betriebsspannung ist, ob Sie eine serielle/I2C-Schnittstelle verwenden, usw.

Ein gutes Beispiel hierfür ist der ADT75 von Analog Devices: Ein Band-Gap-Temperatursensor mit einem 12-Bit-ADC in einem MSOP- oder SOIC-Paket mit 8 Leitungen und einer Genauigkeit von ±1 °C. Der Temperaturbereich liegt bei -55 bis +125 °C. RS gesamtes Portfolio an Temperatur- und Feuchtigkeitssensor ICs finden Sie hier.