Best Of Elektornik
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Allgemein:

Die Temperatur lässt sich nur indirekt über die änderung physikalischer Größer erfassen. Für technische Temperaturmessung eignen sich der elektrische Widerstand und der Thermoeffekt.

Widerstandsthermometer:

Metallwiderstände:

Diagramm Kennlinie Metallwiderstände

Sie bestehen aus Nickel- oder Platindraht der auf dünne Glimmerstreifen gewickelt oder in Hartglas eingegossen ist. Die genormten Nennwiderstände betragen meist 50,100 oder 1000O bei 0°C. Entsprechend heißen die Sensoren dann Pt100, Pt1000, Ni50, …über größere Bereiche ist der Zusammenhang zwischen Temperatur und Widerstand nicht streng linear, daher müssen genaue Werte aus der Kennlinie abgelesen werden.

Bei Platinsensoren reicht der Messbereich von -220° bis +500° bei Nickelsensoren von -60° bis +150° (850°) Da die Widerstandsänderung pro °C nur einige 1/10 Ω beträgt, ist in der Regel eine Brückenschaltung erforderlich. Da die einfachste Schaltung, die Zweileiterschaltung, den Nachteil hat, das die temperaturbedingte änderung der Zuleitungswiderstände Messfehler hervorruft, verwendet man auch häufig die DreileiterschaltungDreileiterschaltung

Bei der Dreileiterschaltung wird die Widerstandsänderung auf 2 benachbarte Brückenzweige aufgeteilt, sodass sie sich kompensiert. ändert sich der Messwiderstand um mehr als einige Prozent, so wird der Zusammenhang zwischen Widerstandsänderung und Brückenspannung nichtlinear.

Halbleiterwiderstandsthermometer

Dabei gibt es zwei Arten:

  • Die eine basiert auf N dotiertem Silizium, dass im Bereich von -100°C bis +200°C ein sehr ausgeprägtes PTC-Verhalten. (Temperaturkoeffizient größer als bei Kupfer)
    Nennwiderstände liegen bei 1-2kΩ.
    Messbereich -50°C bis +150°C. (KTY10, usw.…)

    Verwendung:

    • In der Verfahrenstechnik bei relativ niedrigen Temperaturen
    • Temperaturüberwachung in Elektronischen Baugruppen (werden auch direkt in Prozessorchip integriert)
  • Auf keramischer Basis
    Besteht aus Mischung verschiedenster gesinterter Metalloxide. Diese werden so wohl als PTC und NTC hergestellt.
    Nennwiderstände 1-500O
    Temperaturbereich: bis 200°C

    Verwendung:

    • Füllstandsmessung mit PTCFüllstandsmessung mit PTC

      Durch den PTC wird ein konstanter Strom geschickt, welcher diesen erwärmt. Taucht der PTC in die Flüssigkeit ein so wird durch Wärmeleitung relativ viel Wärme abgegeben und die Temperatur des Sensors ist niedrig woraus sich eine kleine Messspannung ergibt. Sinkt der Flüssigkeitspegel im Behälter, so steigt die Temperatur des PTC, da Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, somit auch die Messspannung.

Thermoelemente:

Der Thermoeffekt (nach seinem Endecker auch Seebeck-Effekt genannt), beruht darauf, das die Thermische Freisetzung von Leitungselektronen vom Werkstoff abhängig ist. Bringt man zwei unterschiedliche Werkstoffe zusammen, so kommt es an der Grenzschicht zur Diffusion von Elektronen, was zur Entstehung von einer Spannung führt. Bei Temperaturen größer 0°C setzt Kupfer mehr Elektronen frei als Konstantan.

Thermoelement

UTh=UD1-UD2 T1>T2 => UTh>0
z.b.: Pt-Rh 10µV/K Rh…Rhodium
Fe-CuNi 56µV/K
Ni-CrNi 42µV/K

Thermospannungen sind sehr klein, das heißt sie müssen mit einem hochohmigen Messverstärker abgenommen werden. Der Vorteil ist, dass die nahezu Punktförmige Messstelle kaum Wärmeträgheit aufweist und der Messbereich nur durch die verwendeten Werkstoffe begrenzt wird (bis zu 1800°).

Da die Vergleichstelle T2 auf konstanter Temperatur bleiben muss, wird sie häufig in einiger Entfernung zur Messstelle angebracht, in diesen Fall verlegt man zwischen dem Thermopaar und der Vergleichsstelle eine Ausgleichsleitung, dass ist ein Kabel, dessen beide Leiter aus dem selben Material bestehen wie das Thermoelement. Es muss darauf geachtete werden, dass die beiden Klemmstellen der Vergleichstelle die gleiche Temperatur aufweisen

Thermoelement

Sofern die Vergleichstemperatur gegenüber der Messtemperatur nicht vernachlässigbar ist, muss die Vergleichstelle auf konstanter Temperatur gehalten werden. Falls Temperaturen größer 1000°C gemessen werden sollen und die Messgenauigkeit <=1% sein soll, so kann die Temperatur an der Vergleichstelle um bis zu 10° schwanken.

Thermoelement

Die einfachste Methode die Temperatur konstant zu halten, ist das Eintauchen der Vergleichsstelle in Eiswasser (exakt 0°C). Diese Methode ist jedoch nicht Industrie-tauglich.

Daher verwendet man einen GleichspannungskompensatorGleichspannungskompensator um die Temperaturschwankungen auszugleichen. Temperaturmessgeräte beinhalten diese Kompensationsschaltung bereits. Ebenso gibt es für Digitalsteuerungen spezielle Eingangsmodule für Thermoelemente.

Weitere Infos über Sensoren finden Sie hier