Temperatursensoren; Grundlagen

Temperatursensoren werden in den unterschiedlichsten Anwendungen genutzt, beispielsweise in der Lebensmittelverarbeitung, in der HLK-Umgebungssteuerung, in medizinischen Geräten, beim Umgang mit Chemikalien und im Auto zur Überwachung der Vorgänge unter der Motorhaube (z. B. Kühlmittel, Ansaugluft, Zylinderkopftemperaturen usw.). Temperatursensoren haben die Aufgabe, Wärme zu messen, damit gewährleistet werden kann, dass ein Prozess entweder in einem bestimmten Temperaturbereich abläuft und somit die Anwendung sicher bleibt, oder dass eine vorgegebene Bedingung beim Umgang mit extremer Hitze, Gefahren oder unzugänglichen Messpunkten erfüllt wird.

Es gibt zwei Hauptarten: berührungslose Temperatursensoren und solche mit Berührung. Zu den Sensoren mit Berührung zählen Thermoelemente und Thermistoren – sie berühren das zu messende Objekt. Dagegen messen berührungslose Sensoren die Wärmestrahlung, die von einer Wärmequelle ausgeht, um deren Temperatur zu ermitteln. Bei der zweiten Gruppe wird die Temperatur aus einer Entfernung gemessen; sie kommt oft unter Gefahrenbedingungen zum Einsatz.

Arten von Temperatursensoren

Thermoelemente

Ein Thermoelement wird durch ein Paar elektrischer Verbindungen gebildet, die aus zwei unterschiedlichen Metallen bestehen. Eine der Verbindungen repräsentiert dabei eine Referenztemperatur, während die andere Verbindung der zu messenden Temperatur entspricht. Sie funktionieren folgendermaßen: Wenn durch einen Temperaturunterschied eine Spannung erzeugt wird (Seebeck-Effekt), die temperaturabhängig ist, wird diese Spannung in einen Temperaturwert umgewandelt. Thermoelemente werden eingesetzt, weil sie preiswert, robust und zuverlässig sind, keine Batterie benötigen und in einem breiten Temperaturspektrum eingesetzt werden können. Bis zu Temperaturen von 2.750 °C zeigen Thermoelemente eine gute Leistung, und sie können kurzzeitig auch Temperaturen von maximal 3.000 °C aushalten. Ihre untere Temperaturgrenze liegt bei –250 °C.

Zu den Stärken und Schwächen von Thermoelementen zählen:

• Sie messen die Temperatur selbst.
• Die Temperatur des Objekts muss abgeleitet werden, und der Anwender muss sich sicher sein, dass es zwischen Objekt und Thermoelement keine Wärmeströmung gibt.
• Sie sind nach längerer Anwendung anfällig für Temperaturmessfehler. Warum? Die Isolation der Leiter verliert ihren Widerstand: durch Feuchtigkeit oder thermische Bedingungen, oder in der Umgebung sind Chemikalien vorhanden, oder es treten nukleare Strahlung oder mechanische Störungen auf.
• Sie sind elektrische Leiter, weshalb sie keinen Kontakt mit einer anderen Elektrizitätsquelle haben dürfen.
• Sie messen nicht an den Verbindungsstellen.
• Die Elemente reagieren schnell im Vergleich zu Widerstandsthermometern.

Thermistoren

Thermistoren sind wie die Thermoelemente preiswert, leicht verfügbar, einfach in der Anwendung und anpassbar. Sie werden jedoch eher zur Durchführung einfacher Temperaturmessungen eingesetzt und nicht für Hochtemperaturanwendungen. Sie bestehen aus Halbleitermaterial mit einem spezifischen Widerstand, der ihm eine besondere Temperaturempfindlichkeit verleiht. Der Widerstand des Thermistors sinkt mit steigender Temperatur. Demzufolge ist die Widerstandsänderung infolge von Temperaturänderungen vorhersehbar. Sie werden häufig als Einschaltstrombegrenzer, als Temperatursensoren, als selbst rückstellende Überstromschutzgeräte und als selbst regelnde Heizelemente eingesetzt.

Thermistoren unterscheiden sich dahingehend von Widerstandstemperatursensoren (RTDs), dass (1) das für RTDs verwendete Material reines Metall ist und (2) dass das Temperaturverhalten bei beiden unterschiedlich ist. Thermistoren lassen sich in zwei Arten klassifizieren – je nach dem Vorzeichen von k (diese Funktion bezieht sich auf die Steinhart-Hart-Gleichung für Thermistoren zur Umrechnung des Thermistorwiderstands in die Temperatur in Grad Kelvin). Bei positivem k steigt der Widerstand mit steigender Temperatur an, und das Bauteil wird dann als PTC-Thermistor (positiver Temperaturkoeffizient) bezeichnet. Bei negativem k sinkt der Widerstand mit steigender Temperatur an, und das Bauteil wird dann als NTC-Thermistor (negativer Temperaturkoeffizient) bezeichnet.

Als Beispiel für NTC-Thermistoren sehen wir uns die Thermistorbaugruppen der Serie Typ MA von GE an, die für die unregelmäßige oder kontinuierliche Temperaturüberwachung von Patienten vorgesehen sind. Bei dieser Anwendung kommt es auf Wiederholbarkeit und schnelles Ansprechen an, besonders beim Einsatz in der Kindermedizin und bei Vollnarkosen.

Der MA300 (Abbildung 1) führt routinemäßige kontinuierliche Patienten-Temperaturüberwachung durch, die durch die Messung der Körpertemperatur des Patienten über die Haut als Indikator komfortabel möglich ist. Das verwendete Edelstahlgehäuse eignet sich für Mehrweg- und Einweg-Anwendungen unter Beibehaltung des maximalen Patientenkomforts. Nennwiderstandswerte von 2.252, 3.000, 5.000 und 10.000 Ω bei 25 °C sind verfügbar.

Abbildung 1: Die MA300-Thermistorbaugruppe von GE besteht aus Edelstahl mit einer für die Anwendung im Medizinbereich zugelassenen PVC-Teflonisolation. (Mit Genehmigung von GE.)

Widerstandstemperatursensoren

Widerstandstemperatursensoren (RTDs) sind Temperatursensoren mit einem Widerstand, dessen Widerstandswert sich gleichzeitig mit Temperaturänderungen ändert. RTDs, die präzise arbeiten und für ihre Wiederholbarkeit und Stabilität bekannt sind, können in einem breiten Temperaturbereich von -50 °C bis 500 °C in der Dünnschichtvariante und -200 °C bis 850 °C für die drahtgewickelte Variante eingesetzt werden.

Dünnschicht-RTD-Elemente verfügen über eine dünne Schicht aus Platin auf einem Träger. Es wird ein Muster erzeugt, das eine elektrische Schaltung bildet, die auf einen ganz bestimmten Widerstand abgestimmt ist. Anschlussdrähte werden befestigt, und die Baugruppe wird beschichtet, um sowohl die Schicht als auch die Anschlüsse zu schützen. Im Vergleich dazu sind die drahtgewickelten Elemente entweder Drahtspulen, die in ein Keramik- oder Glasrohr gepackt sind, oder sie können auf Glas- oder Keramikmaterial gewickelt sein.

Ein Beispiel für RTDs ist die TD-Serie von Honeywell, die zum Beispiel für HLK-Anwendungen (Raum-, Kabelkanal- und Kühlmitteltemperatur), für den Überlastschutz von Motoren und im Automobilbau (Luft- und Öltemperatur) eingesetzt werden. Der zur TD-Serie gehörende TD4A-Flüssigkeitstemperatursensor besitzt ein Gehäuse aus eloxiertem Aluminium mit Gewinde und zwei Anschlüssen. Die gegenüber der Umwelt abgekapselten Flüssigkeitstemperatursensoren wurden im Hinblick auf eine möglichst einfache Installation entwickelt, beispielsweise in die Seitenwände von Lkws, sie sind jedoch nicht zum vollständigen Eintauchen vorgesehen. Die typische Ansprechzeit (bei einer Zeitkonstante) beträgt vier Minuten in stehender Luft und 15 Sekunden in stehendem Wasser.

Die Temperatursensoren der TD-Serie sprechen schnell auf Temperaturänderungen an (Abbildung 2) und sind bei 20 °C bis auf ±0,7 °C genau – und können ohne Neukalibrierung komplett ausgetauscht werden. Sie sind RTD-Sensoren (Widerstandstemperatursensor) und bieten eine Empfindlichkeit von 8 Ω/°C und inhärent fast-lineare Ausgaben.

RTDs haben eine höhere Genauigkeit als Thermoelemente und sind gut austauschbar. Sie weisen auch eine langfristig hohe Stabilität auf. Dank derartiger Hochtemperaturmerkmale werden sie häufig in industriellen Anwendungen eingesetzt. Die Stabilität verbessert sich noch, wenn RTDs aus Platin bestehen, das nicht von Korrosion oder Oxidation betroffen ist.

Infrarotsensoren

Infrarotsensoren werden zur Messung von Oberflächentemperaturen zwischen -70 und 1.000 °C verwendet. Sie wandeln die thermische Energie, die von einem Objekt im Wellenlängenbereich von 0,7 bis 20 µm ausgesendet wird, in ein elektrisches Signal um, welches nach der Kompensierung der Umgebungstemperatur in das Signal zur Anzeige in Temperatureinheiten umgewandelt wird.

Diese Sensoren wurden in folgenden Fällen zur Temperaturmessung eingesetzt:

• Wenn Thermoelemente oder Sonden nicht verwendet werden können.
• Wenn sich das Objekt bewegt (auf Rollen, bewegliche Maschinenteile, Förderbänder).
• Wenn sich das Zielobjekt in einem Vakuum befindet.
• Wenn eine Gefahrensituation vorliegt, z. B. Hochspannung.
• Wenn die Abstände groß sind.
• Wenn die Temperaturen für Kontaktsensoren zu hoch sind.
• Wenn ein sehr schnelles Ansprechen erforderlich ist.

Bei der Auswahl einer Infrarotoption zählen zu den kritischen Überlegungen das Blickfeld (Sichtwinkel), das Emissionsvermögen (Verhältnis der von einem Objekt abgestrahlten Energie zur Energie, die bei derselben Temperatur von einem perfekten Radiator emittiert wird), die Spektralempfindlichkeit, der Temperaturbereich und die Montage.

Ein kürzlich vorgestelltes Produkt, der TMP006 von Texas Instruments (Abbildung 3), ist ein Thermosäulen-Infrarotsensor in einem Chip-Gehäuse. In diesem berührungsfreien Sensor wird die vom zu messenden Objekt ausgehende Infrarotstrahlung von einer Thermosäule absorbiert und die Temperatur des Objekts aus der Änderung der Spannung der Thermosäule ermittelt.

Durch die Spezifikation des Spannungsbereichs von –40 °C bis 125 °C ist der Infrarotsensor für ein breites Spektrum von Anwendungen geeignet. Aufgrund des geringen Stromverbrauchs und der niedrigen Betriebsspannung ist das Bauelement für batteriegespeiste Anwendungen geeignet. Die geringe Höhe des Chip-Scale-Gehäuses macht die Bestückung in Großserien möglich. Außerdem ist sie von Vorteil, wenn nur ein geringer Abstand vom zu messenden Objekt vorliegt.

Ob zur Temperaturmessung entweder berührungslose Sensoren oder solche mit Berührung eingesetzt werden, hängt von grundlegenden Überlegungen und möglichen Störfaktoren ab. Daher ist es sehr wichtig, sich die Datenblätter sorgfältig durchzulesen, damit Sie sich ein Bild von den beeinflussenden Faktoren machen und ganz sicher sein können, dass die angezeigte Temperatur der tatsächlichen Temperatur entspricht.