Temperatursensoren

Mit Temperatursensoren bist du wahrscheinlich schon häufiger in Kontakt gekommen als du denkst. Sie werden in fast allen Alltagsgegenständen eingesetzt, wo eine Temperatur eingestellt oder angezeigt wird. Zum Beispiel im Toaster, Backofen oder Bügeleisen. In der Ausbildung hast du wahrscheinlich schon mit einem Lötkolben gearbeitet, auch hier wird ein Temperatursensor eingesetzt.

Aber wie genau funktionieren Temperatursensoren? Wie wird aus der Temperatur ein elektrisches Signal? Und welche Arten von verschiedenen Temperatursensoren gibt es?

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Temperatursensoren einfach erklärt

Temperatursensoren messen die Temperatur und wandeln diese in ein elektrisches Signal um. Nach dem Messprinzip werden die Temperatursensoren in Widerstandsmessung und Spannungsmessung unterteilt.

Bei der Widerstandsmessung wird die Eigenschaft von Metallen ausgenutzt, die ihren Widerstand in Abhängigkeit der Temperatur ändern. Bei Platin wird zum Beispiel der Widerstand mit zunehmender Temperatur größer. So kann ein Widerstandswert mit einem bestimmten Temperaturwert verknüpft werden. Bei 0 °C hat der Pt 100 (Temperatursensor bestehend aus Platin) einen Widerstand von 100\Omega$100\Omega$. Bei 200 °C hat er einen Widerstand von 175\Omega$175\Omega$.

Ein Thermoelement verwendet eine Spannungsmessung zur Bestimmung der Temperatur. Das Thermoelement besteht aus zwei unterschiedlichen metallischen Leitern, die an einer Stelle miteinander verbunden sind. Wird die Verbindungsstelle erwärmt, lässt sich eine Spannung zwischen den beiden Leitern messen. Diese Spannung ist abhängig von der Temperatur an der Verbindungsstelle und so kann diese Temperatur bestimmt werden.

Temperatursensoren Definition

Temperatursensoren Überblick

Temperatursensoren werden nach ihrer Art die Temperatur zu bestimmen in Widerstands- und Spannungsmessung unterteilt. Zu den Temperatursensoren (auch Temperaturmessfühler genannt), die die Temperatur durch eine Widerstandsmessung bestimmen, gehören unter anderem der Pt 100 sowie Heißleiter NTC und Kaltleiter PTC. Zu den Temperatursensoren, die Temperatur über eine Spannungsmessung erfassen, gehört das Thermoelement.

Widerstandsmessung

Bei Widerstandsmessfühlern wird die Eigenschaft von Metallen ausgenutzt, dass sich der Widerstand dieser in Abhängigkeit der Temperatur ändert. Verändert sich die Temperatur, verändert sich auch der Widerstand.

Der Widerstand R_T$R_T$ eines metallenen Leiters bei einer bestimmten Temperatur ergibt sich durch folgende Formel:

R_{20}$R_{20}$: Widerstand des Leiters bei 20 °C

\alpha$\alpha$: Temperaturkoeffizient (Platin: \alpha=0,0041\frac{1}{K}$\alpha=0,0041\frac{1}{K}$)

\Delta T$\Delta T$: Temperaturänderung in Kelvin K$K$ (Bezugsgröße : 20 °C)

Pt 100

Oft wird als Material für einen Widerstandsmessfühler Platin ausgewählt. Platin hat eine nahezu lineare Kennlinie und behält auch nach häufiger Erwärmung und Abkühlung den ursprünglichen Widerstandswert. Der Bemessungswiderstand bei 0 °C beträgt für Platin 100\Omega$100\Omega$. Daher kommt die Bezeichnung Pt 100:

• Pt: Platin
• 100: 100\Omega$100\Omega$

Oben siehst du die Kennlinie eines Pt 100. Da kannst du auch den Bemessungswiderstand von 100\Omega$100\Omega$ bei 0 °C ablesen. Der Pt 100 hat einen Messbereich vom -100 °C bis 400 °C. Um auf eine Temperaturänderung schnell zu reagieren, wird das Platin auf eine Keramikfläche aufgedampft, um so eine geringe Abmessung zu erhalten.

Halbleiter PTC & NTC

Halbleitermaterialien reagieren sehr ausgeprägt auf eine Temperaturänderung. Sie sind stark temperaturabhängig und haben dadurch eine große Widerstandsänderung bei einer kleinen Temperaturänderung. Ihre Kennlinien verlaufen jedoch nur in einem kleinen Bereich linear, daher ist ihr Einsatzbereich eingeschränkt. Temperaturabhängige Halbleitermaterialien werden nach ihren Temperaturkoeffizienten unterschieden:

• PTC (Positive Temperature Coefficient) hat einen positiven Temperaturkoeffizient (\alpha > 0$\alpha > 0$)
• NTC (Negative Temperature Coefficient) hat einen negativen Temperaturkoeffizient (\alpha < 0$\alpha < 0$)

PTC

PTCs werden auch als Kaltleiter bezeichnet. Sie haben im kalten Zustand, also bei geringer Temperatur, einen niedrigen Widerstand. Bei 20 °C beträgt der Widerstand des Kaltleiters R_{PTC}= 80\Omega$R_{PTC}= 80\Omega$. Um den Widerstandswert abzulesen, schaust du auf der x-Achse auf der Skala bei den 20 °C und verfolgst die 20 °C Linie nach oben bis diese auf die Kennlinie des PTC trifft. Von da aus gehst du parallel zu x-Achse nach links und liest den zugehörigen Wert auf der Achse ab. Dazu zählst du die Linien ab der Linie 10^{1}$10^{1}$. In diesem bei Fall ist es die achte Linie. Jetzt rechnest du einfach die 8 multipliziert mit der 10^{1}$10^{1}$. Das ergibt 80\Omega$80\Omega$. Bei einer Temperatur von 160 °C ergibt sich ein Widerstand von 600\Omega$600\Omega$. Der Widerstandswert ergibt sich, indem du 6 (sechste Linie ab 10^{2}$10^{2}$) mit 10^{2}$10^{2}$ multiplizierst.

PTC-Kennlinie

Heizt sich der PTC auf, wird der Widerstand größer. Einfach gesagt: Wird die Temperatur größer, wird auch der Widerstand größer. Diesen Zusammenhang kannst du auch am Schaltzeichen erkennen. Der linke Pfeil steht für die Temperatur, der rechte für den Widerstand. Da beide nach oben zeigen, wird der Zusammenhang wie oben beschrieben gezeigt. Temperatur geht hoch, Widerstand geht hoch.

NTC

NTCs werden auch als Heißleiter bezeichnet. Sie haben im kalten Zustand einen hohen Widerstand, der mit zunehmender Temperatur geringer wird. Bei einer Temperatur von 100 °C hat der Heißleiter einen Widerstand von 8000 \Omega$8000 \Omega$. Bei einer Temperatur von 250 °C hat der Heißleiter einen Widerstand von 200 \Omega$200 \Omega$.

NTC-Kennlinie

Dieser Zusammenhang wird auch wieder am Schaltzeichen verdeutlicht. Der linke Pfeil seht für die Temperatur, der rechte für den Widerstand. Wird die Temperatur größer, wird der Widerstand kleiner.

Spannungsmessung

Ein Thermoelement besteht aus zwei unterschiedlichen Metallen, die an der Messstelle \vartheta_M$\vartheta_M$ miteinander verschweißt oder verlötet sind. Im unten gezeigten Beispiel besteht das Thermoelement aus Fe (Eisen) und Cu-NI (Kupfer-Nickel). Wenn die Temperatur an der Messstelle steigt, verändert sich auch die Elektronendichte der beiden Metalle. Diese veränderte Elektronendichte, also die Veränderung der Spannung, wird an der Vergleichsstelle \vartheta_V$\vartheta_V$ gemessen. So wird bei einem Thermoelement nicht die absolute Temperatur, sondern immer die Differenztemperatur zwischen Messstelle und Vergleichsstelle gemessen. Die Temperatur der Vergleichsstelle wird dabei konstant gehalten.

Die Thermospannungen bei einem Thermoelement liegen zwischen 7\frac{\mu V}{°C}$7\frac{\mu V}{°C}$ bis 75\frac{\mu V}{°C}$75\frac{\mu V}{°C}$.

Anwendungen Temperatursensoren

Der Pt 100 hat eine nahezu lineare Kennlinie über den gesamtenten Temperaturbereich. Der Temperaturbereich liegt meist zwischen -100 °C und 400 °C. Daher kommt der Pt 100 in vielen industriellen Steuerungen zum Einsatz. Zudem haben viele speicherprogrammierbare Steuerungen bereits vorkonfigurierte Eingänge für Pt 100-Sensoren.

PTCs und NTCs haben eine starke Widerstandsänderung bei einer kleinen Temperaturänderung, was zu einer guten Auflösung des Temperaturbereichs führt. Jedoch verfügen sie nur über einen kleinen linearen Kennlinienbereich, der den Anwendungsbereich einschränkt. Sie eignen sich zum direkten Schalten von Relais oder als Temperaturfühler in Heizungen.

Thermoelemente werden häufig bei großen Temperaturbereichen angewendet. Die Thermospannung liegt im Idealfall bei wenigen Millivolt, daher muss ein Signalverstärker nach dem Thermoelement geschaltet werden, um ein verarbeitbares Signal zu erzeugen. Anwendungen in der Praxis finden sich in Kesselanlagen oder in Härteöfen bei der Metallbearbeitung.

Temperatursensoren Zusammenfassung

Temperatursensoren wandeln eine Temperatur in ein elektrisches Signal um.

Bei der Umwandlung der Temperatur werden zwei verschiedene Messungen angewandt: die Widerstandsmessung und die Spannungsmessung.

Die Widerstandsmessung funktioniert, da sich der Widerstand von Metallen durch eine Veränderung der Temperatur ändert. Zu diesen Widerstandsmessfühlern gehören der Pt 100, sowie der Heißleiter (NTC) und der Kaltleiter (PTC).

Der Pt 100 besteht aus Platin und hat einen Bemessungswiderstand von 100\Omega$100\Omega$ bei 0 °C und eine lineare Kennlinie. Steigt die Temperatur, steigt auch der Widerstand des Pt 100. NTC und PTC bestehen aus Halbleitermaterialien. Sie haben eine starke Widerstandsänderung bei kleiner Temperaturänderung, jedoch ist ihre Kennlinie nicht linear. Wenn die Temperatur beim PTC steigt, steigt auch der Widerstand des PTC. Wenn die Temperatur beim NTC steigt, wird der Widerstand geringer.

Das Thermoelement ist ein häufig verwendeter Temperatursensor, der das Prinzip der Spannungsmessung nutzt. Dazu werden zwei verschiedene Metalle miteinander verbunden. Werden diese Metalle erhitzt, lässt sich ein Spannungsunterschied zwischen den beiden Metallen messen. Es wird die Temperaturdifferenz zwischen der erhitzen Stelle und einer Vergleichsstelle bei konstanter Temperatur gemessen.