Temperatursensoren

Thermistoren

Thermistoren sind wärmeempfindliche Widerstände. Bei ihnen ändert sich der elektrische Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur. Sie bestehen aus einer Kombination von zwei oder drei Metalloxiden, unter anderem Zinkoxid. Diese Kombination ist in einen isolierenden Keramiksockel eingebettet.

Auf der Grundlage des Temperaturkoeffizienten haben sich zwei Typen herausgebildet: Thermistoren mit positivem und solche mit negativem Temperaturkoeffizienten, auch bekannt als Kaltleiter und Heißleiter oder PTC- und NTC-Resistor.

Bei Kaltleitern sind Widerstand und Temperatur direkt proportional zueinander, das heißt, der Widerstand erhöht sich mit steigender Temperatur. Im anderen Fall sind Widerstand und Temperatur umgekehrt proportional zueinander, der Widerstand nimmt bei Kaltleitern mit steigender Temperatur ab.

Die höchste Genauigkeit aller PTC-Thermistoren bieten Platin-Temperatursensoren. Erreicht wird diese Genauigkeit allerdings oft auf Kosten der Haltbarkeit. Die inneren Zuleitungsdrähte bestehen in der Regel aus Platin, während die inneren Träger aus Quarz oder Quarzglas hergestellt werden. Der Temperaturbereich dieser Sensoren reicht von minus 200 Grad Celsius bis 1000 Grad Celsius.

Thermoelemente

Wenn zwei Leiter aus ungleichen Metallen an einem Ende eines Stromkreises verbunden sind, bilden sie ein Thermoelement. Der Aufbau besteht aus Leitern und Keramikpulver zur Isolierung.

Diese Art von Temperaturfühlern besitzt zwei Anschlussstellen: eine heiße Anschlussstelle und eine kalte Anschlussstelle. Die heiße Stelle ist die Messstelle, die kalte die Vergleichsstelle. Die Messstelle wird der Prozesstemperatur ausgesetzt, während die andere Stelle beispielsweise auf Raumtemperatur gehalten wird. Da die Anschlussstellen unterschiedlichen Temperaturen aufweisen, fließt im Verbindungsdraht ein Strom proportional zur Temperaturdifferenz. Bekannt ist dieses Phänomen als Seebeck-Effekt.

Von allen Sensor-Technologien bieten Thermoelemente den größten messbaren Temperaturbereich. Je nach Art des Sensors kann der Temperaturbereich von -minus 200 Grad Celsius bis weit über 2000 Grad Celsius reichen. Das Thermoelement Typ K im Edelstahl-Gehäuse ist dabei die populärste Bauform. Diese Allzweck-Sensoren aus Chrom-Alumel sind preiswert und für den Bereich von minus 200 Grad Celsius bis plus 1350 Grad Celsius ausgelegt.

Thermoelemente funktionieren sehr gut in oxidierenden Atmosphären und sind häufig auch wasserdicht. Wenn jedoch eine überwiegend reduzierende Atmosphäre wie Wasserstoff mit einer geringen Menge Sauerstoff mit den Drähten in Berührung kommt, oxidiert das Chrom in der Legierung. Dadurch verringert sich die Thermospannung, das Element zeigt einen niedrigen Wert an. 

Wesentliche Vorteile von Thermoelementen sind die geringe Größe, die schnelle Temperaturreaktion, der geringe Preis, der große Temperaturbereich und die Widerstandsfähigkeit gegen Vibrationen und Stöße. Nachteilig sind die geringere Stabilität bei höheren Temperaturen, die Notwendigkeit eines zusätzlichen Schutzes vor Korrosion und oft eine zusätzliche Schaltung zur Kontrolle der Anwendungslasten.

Silizium-Bandlücken-Temperatursensor

Silizium-Bandlücken-Temperatursensoren sind eine gängige Form von Temperaturfühlern in elektronischen Geräten. Das Prinzip ist die Temperaturabhängigkeit der Durchlassspannung einer Siliziumdiode. Diese Spannung lässt sich zur Messung der Temperatur kalibrieren. Erhältlich sind diese digitalen Temperatursensoren häufig als integrierter Schaltkreis inklusive Signalaufbereitung, enthalten sind meist auch ein Datenspeicher und Möglichkeiten zur Kalibrierung. 

Silizium-Bandlücken-Temperatursensoren werden oft in der Peripherie zur Motorkühlung, in Klimaanlagen oder Heizungen als Temperaturregler, als Überhitzungsschutz und in Anlagen zur Stromversorgung eingesetzt.

Vorteile:

✓  Höhere Linearität im Vergleich zu Thermistoren

✓  Höhere Leistung als bei Thermoelementen

✓  Herstellung auf IC-Ebene