Überblick über den Temperatursensor

Wie alle Sensoren, konvertieren Temperatursensoren Änderungen in einem physikalischen Medium in eine lesbare Größe, die eine Veränderung anzeigt. In einem Temperatursensor, wie beispielsweise dem Quecksilberthermometer, verursachen Veränderungen der äußeren Temperatur eine Ausdehnung oder Kontraktion des flüssigen Quecksilbers innerhalb des Glases, woraufhin es innerhalb eines dünnen Glasröhrchens, das mit einer Temperaturskala versehen ist, in linearem Verhältnis zu den Veränderungen der Umgebungswärmeenergie steigt oder sinkt. Der mit Quecksilber gefüllte Kolben ist der Temperatursensor des Thermometers, während die Skala am Glasröhrchen entlang die ablesbare Messgröße darstellt.

 

Temperatursensoren spielen eine wichtige Rolle in zahlreichen häuslichen, gewerblichen und industriellen Produkten. In Haushaltsgeräten stellen sie die korrekte Funktionsweise von Öfen, Kühlschränken und Zentralheizungsthermostaten sicher, wo sie die Temperaturen in einem bestimmten Bereich halten, indem sie die Kühl- oder Heizelemente aktivieren, um die Umgebungstemperatur auf das festgelegte homöostatische Niveau zurückzubringen, sobald der vorgegebene Bereich verlassen wird.

 

In industriellen Anwendungen, wie beispielsweise der chemischen Verfahrenstechnik, müssen sie empfindlich genug sein, um kleinste Temperaturveränderungen wahrzunehmen, so dass chemische Reaktionen ordnungsgemäß kontrolliert werden können.

 

Alle Temperatursensoren reagieren auf thermodynamische Veränderungen: Steigt die Wärmeenergie, werden Moleküle aktiver und mobiler, und Systeme oder Medien dehnen sich aus, und die Temperatur steigt.

 

Geschichte

 

Die Vorstellung, dass der Temperatursensor zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Geschichte durch eine einzelne Erfindung entstand, wäre falsch. Im dritten Jahrhundert v. Chr. war dem Ingenieur Philon von Byzanz bereits bewusst, dass Luft sich als Reaktion auf Hitze ausdehnt und zusammenzieht, und er entwickelte ein Instrument, um dies zu demonstrieren (eine mit Luft gefüllte Röhre mit einem Ende in einem mit Wasser gefüllten Gefäß). Viel später, im 16. und 17. Jahrhundert, adaptierten Wissenschaftspioniere wie Galileo Galilei diese primitiven Instrumente, um den Vorläufer des Thermometers, das „Thermoskop“ zu erschaffen, das zuverlässig demonstrierte, dass Wärmeveränderungen entsprechende Volumenveränderungen innerhalb des Apparats hervorriefen.

 

Temperatursensoren machten in ihrer Entwicklung einen großen Schritt nach vorn, als der niederländische Mathematiker und Physiker Christiaan Huygens 1665 das erste abgeschlossene Thermometer entwickelte, das Alkohol enthielt (frühere Thermoskope waren auch für den Luftdruck offen gewesen, wodurch ihre Fähigkeit, präzise nur die Änderungen der Temperatur widerzuspiegeln, beeinflusst wurde). Huygens Gerät nutzte die Flüchtigkeit von Alkohol, was bedeutete, dass er sich als Reaktion auf Veränderungen der Umgebungswärme deutlich ausdehnen oder zusammenziehen würde. Aber erst 1724 verbreitete sich in der Herstellung von Thermometern die erste Standardskala zur Messung von Temperaturveränderungen. Sie trägt den Namen ihres Erfinders, Daniel Gilbert Fahrenheit, und wird auch heute noch genutzt. Fahrenheits Thermometer verwendete Quecksilber statt Alkohol, da dieses sich als Reaktion auf Temperaturänderungen auf einheitlicherer linearer Basis als Alkohol ausdehnte oder zusammenzog.

 

Heute haben viele Temperatursensoren die Form elektronischer Geräte mit digitalen Displays.

 

Technische Aspekte

 

Temperatursensoren lassen sich grob in zwei Kategorien unterteilen: diejenigen, die direkten Kontakt zum gemessenen Medium haben, und die, die keinen Kontakt haben (Kontakt- und Nichtkontaktsensoren). Kontaktlose Temperatursensoren (oder Pyrometer) messen abgestrahlte Wärme statt, wie Kontaktsensoren, konvektiv übertragene oder geleitete Wärme

 

In jeder Kategorie finden sich Thermometer, Thermoelemente und Widerstandsthermometer (resistance temperature detectors - RTDs), die entweder die Expansion oder Kontraktion einer physikalischen Substanz oder die Veränderungen des elektrischen Widerstands und der Leitfähigkeit als Reaktion auf Temperaturschwankungen messen.

 

RTDs liefern eine äußerst präzise, elektronisch vermittelte Messung der Temperatur durch die Verwertung der Änderungen des elektrischen Widerstandes im metallenen Wärmesensor. Änderungen des Widerstandes spiegeln Änderungen der Temperatur zuverlässig linear wider, bis die Obergrenze der Skala des Gerätes überschritten wird: bei Temperaturen über 700° C wird das Metallelement zunehmend unbrauchbar und Messungen werden außerordentlich ungenau.

 

Thermoelemente liefern ebenfalls elektronisch vermittelte Messungen von Temperaturänderungen, die technischen Vorgänge unterscheiden sich aber von RTDs. Üblicherweise befinden sich zwei feine Drähte aus unterschiedlichen Metallen in einer dünnen zylindrischen Hülle oder Tauchhülse, welche die filigranen wärmeempfindlichen Elemente vor chemischer oder mechanischer Beschädigung schützt. An einem Ende des Thermoelements sind die Drähte miteinander verbunden, am anderen Ende befindet sich ein Gerät zur Spannungsmessung. Das Gerät stützt sich auf die unterschiedliche elektrische Leitfähigkeit der beiden Metalle, wobei der Unterschied deutlicher hervortritt, wenn höhere Temperaturen stärkere Spannungsunterschiede erzeugen. Als Folge werden sie häufig dann eingesetzt, wenn außerordentlich hohe Temperaturen erreicht werden. Das Spektrum der durch sie erfassbaren Temperaturen ist außergewöhnlich groß und reicht von -200 °C bis 2100 °C.

 

 

Wo Temperatursensoren in der Fertigung eingesetzt werden

 

Thermoelemente werden häufig in der Stahlindustrie zur Überwachung der chemischen Reaktionen und der Temperatur während der Stahlherstellung eingesetzt. Viele Thermoelemente können mit Computerprogrammen verbunden werden, um Temperaturen in verschiedenen Bearbeitungsstadien in chemischen Raffinerien und Produktionsbetrieben zu überwachen.

 

Klimaforscher verwenden verschiedenste Thermometer, von Alkoholthermometern über Quecksilber- bis hin zu Infrarotthermometern, um Temperaturen an verschiedenen Orten der Welt und in den Tiefen der Ozeane zu messen; sie werden auch häufig für die Messung der Außentemperatur eingesetzt, so dass beispielsweise Behörden vor Ort entscheiden können, ob auf Grund möglichen Glatteises ein Streuen der Straßen erforderlich ist.

 

In jüngerer Zeit ist es im neu entstehenden Feld der Nanothermometrie möglich geworden, die Temperatur von Partikeln zu messen, die kleiner als ein Mikrometer sind, was bisher unmöglich war.

 

Wie sich Temperatursensoren von anderen Sensoren unterscheiden

 

Das allen Temperatursensoren gemeinsame bestimmende Merkmal ist die Umwandlung einer Eigenschaft in einem Medium (beispielsweise das Volumen einer festgelegten Menge Quecksilber in einem abgeschlossenen Thermometer oder die Leitfähigkeit eines Metallelements) in eine ablesbare Skala bei Reaktion auf Veränderungen konvektiv übertragener, geleiteter oder abgestrahlter Wärme.

 

Im Gegensatz zu anderen Sensoren sind sie nicht darauf ausgelegt, Veränderungen der Bewegung zu messen, Bilder mittels Infrarotlicht zu erstellen oder elektronisch in Chips oder Etiketten kodierte Daten zu lesen, wie es beispielsweise RFID-Sensoren tun.