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Ratgeber

Temperatursensoren » Thermische Veränderungen messen

In zahlreichen technischen Anwendungen spielt die Temperatur eine übergeordnete Rolle. Sie ist aufgrund ihrer Bedeutung für Materialien und Prozesse der am häufigsten erfasste Parameter unter allen physikalischen Größen. Zum Messen und Steuern von Temperaturen stehen heute teilweise komplexe digitale Systeme zur Verfügung, denen eines gemeinsam ist: Sie beziehen ihre Messwerte von kleinen, unauffälligen diskreten Bauelementen, den Temperatursensoren beziehungsweise Temperaturfühlern.

In unserem Ratgeber erfahren Sie, welche Typen und Bauformen es gibt, wie sie funktionieren und worauf bei der Beschaffung zu achten ist.



Was sind Temperatursensoren?

Temperaturfühler oder Temperatursensoren messen die thermischen Veränderungen in Materialien oder Objekten.

Sie nutzen dazu Änderungen einer physikalischen Größe – in der Regel Widerstand oder Spannung – und schicken das elektrische Signal zur Weiterverarbeitung an elektronische Schaltungen.

Dabei sind zwei Arten von Temperaturfühlern geläufig: kontaktbasierte und berührungslose Fühler. Bei der kontaktbasierten Temperaturmessung steht der Temperatur-Sensor in physischem Kontakt mit dem zu messenden Objekt. Berührungslose Sensoren werten dagegen die Strahlungsenergie einer Wärmequelle aus, man nennt sie deshalb auch Infrarot-Temperatursensoren.



Typen und Bauformen von Temperaturfühlern

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.

Vorteile:

✓  Geringe Größe

✓  Geringer Preis

✓  Schnelle Temperaturreaktion

✓  Großer Temperaturbereich

✓  Widerstandsfähigkeit gegen Vibrationen und Stöße

Nachteile:

✗  Geringe Stabilität bei höheren Temperaturen

✗  Zusätzlicher Schutz vor Korrosion notwendig

✗  Oft zusätzliche Schaltung zur Kontrollee der Anwendungslasten notwendig


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

Manche dieser integrierten Schaltkreise enthalten einen Analog-Digital-Wandler, der einen seriellen Digitalausgang zur Verfügung stellt, dessen Werte sich beispielsweise von Messumformern direkt auslesen lassen.



   Auswahlkriterien für die Beschaffung von Temperatursensoren

Der Temperaturbereich sollte bei der Auswahl eines Temperaturfühlers an erster Stelle stehen. So eignen sich NTC-Thermistoren beziehungsweise Heißleiter sehr gut für Anwendungen von minus 50 bis plus 250 Grad Celsius. Thermoelemente sind bei niedrigeren Temperaturen zwar weniger genau, können aber Temperaturen bis zu 2000 Grad Celsius messen.

Die erforderliche Messgenauigkeit ist ein weiteres wichtiges Kriterium. Die auf dem Seebeck-Effekt beruhenden Fühler sind zwar kostengünstig, aber im Laufe der Zeit oft weniger genau als Thermistor-Temperaturfühler.

Ist der Betrieb des Sensors auf Dauer angelegt? Dies hat Auswirkungen auf die Art des verwendeten Temperatur-Sensors. Die Fühler  können je nach Konstruktion und Material mit der Zeit an Wirksamkeit verlieren. Im Laufe eines Jahres kann sich der Messwert zum Beispiel eines Thermistors um 0,02 bis 0,2 Grad Celsius verändern. Bei Thermoelementen liegt die Abweichung nach einem Jahr sogar bei 1 bis 2 Grad Celsius.

Weitere Auswahlkriterien für den passenden Temperaturfühler betreffen die Art der Ausführung, die Anschlussmöglichkeiten und den Grundwiderstand. Unter den populären Platin-Typen dominieren zum Beispiel die Ausführungen PT100 und PT1000. Wichtig ist auch die Art der Verdrahtung. Temperaturfühler sind meist radial verdrahtet oder verfügen über Kabel mit offenen Enden. Sensoren mit zwei Anschlussleitern tendieren ohne Kompensationsschaltung oft zu Fehlmessungen. Temperaturfühler mit drei Leitern sind in der Beziehung weniger empfindlich und werden in der Genauigkeit von der Vierleitertechnik noch übertroffen. Berücksichtigt werden sollte zudem der Grundwiderstand des Temperaturfühlers, er liegt im Allgemeinen zwischen 1 Ohm und 200 Kiloohm.

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