Analog-Praxis

Temperatursensoren richtig einsetzen: Die Sensorbauarten

kelebek 25. Januar 2013 Anwendungen, Home, Sensorik Keine Kommentare

Das Sprichwort “Gleich und gleichgesellt sich gern” beschreibt die Vorliebe von Menschen, die ähnliche Eigenschaften oder Interessen haben, Zeit miteinander zu verbringen. Kann es sein, dass es sich bei Temperatursensoren ähnlich verhält?

Unter den verschiedenen Sensortechnologien haben Temperatursensoren die größte Verbreitung gefunden, denn es gibt unzählige Anwendungen, in denen es darauf ankommt, absolute oder relative Temperaturen zu erfassen und zu verarbeiten. Sensoren für Druck, Kräfte, Durchflussraten, Füllstände oder Positionen benötigen häufig Temperaturinformationen, damit sie präzise Messwerte liefern können. Die meisten Messwertaufnehmer für Druck und Kräfte basieren auf Widerstandsbrücken. Die Temperaturfehler der darin verwendeten resistiven Elemente können größer sein als der eigentliche Messbereich des Sensors. Das Ausgangssignal des Sensors ergibt also erst dann einen Sinn, wenn die Temperatur der Widerstandsbrücke bekannt ist. Die von Durchflussraten- und Füllstandssensoren ausgegebenen Ergebnisse wiederum hängen von der Dichte der Flüssigkeit oder des Gases ab, sodass die Messgenauigkeit auch hier von der Temperatur des betreffenden Mediums beeinflusst wird.

Die gängigsten Temperatursensoren sind heute Thermoelemente, Widerstandsthermometer (Resistive Temperature Devices – RTD), Thermistoren und Halbleitersensoren auf Basis von Silizium. Die Gemeinsamkeit dieser Sensoren besteht darin, dass sie alle bestens beschrieben und offensichtlich geeignet sind, Temperaturmessprobleme zu lösen. Die verschiedenen Sensortechnologien sind auf bestimmte Temperaturbereiche und Umgebungsbedingungen zugeschnitten. Der Temperaturbereich, die Robustheit und die Empfindlichkeit des jeweiligen Sensors entscheiden darüber, ob er den Anforderungen einer Applikation entspricht.

Man muss sich also darüber klar sein, dass kein Temperatursensor für alle Anwendungen geeignet ist. Während das Thermoelement hinsichtlich seines Temperaturbereichs unerreicht ist, liegt der RTD-Sensor in Sachen Linearität vorn. Tabelle 1 fasst die wichtigsten Eigenschaften von Thermoelementen, RTD, Thermistoren und Halbleiter-Temperatursensoren zusammen. Diese Übersicht bietet eine gute Hilfestellung, um die Sensoren für eine bestimmte Anwendung in erster Näherung einzugrenzen.

Tabelle 1: Vergleichstabelle gängiger Temperatursensoren

Tabelle 1: Vergleichstabelle gängiger Temperatursensoren

Ein Thermoelement ist aus zwei Drähten aufgebaut, die aus verschiedenen Metallen bestehen und an einem Ende verbunden sind. Aufgrund dieser Konfiguration entsteht eine elektromotorische Kraft, infolge deren an den beiden freien Enden der Drähte eine Spannung anliegt, deren Höhe von den verwendeten Metallen und dem Temperaturgradienten entlang der Thermoelement-Drähte abhängig ist. Genauigkeit ist keine Stärke der Thermoelemente. Ihr Vorteil liegt vielmehr in der kurzen Messzeit und dem großen Temperaturbereich.

Das als RTD bezeichnete Widerstandsthermometer ermöglicht sehr präzise Temperaturmessungen. Sein Temperaturbereich ist kleiner als der des Thermoelements, aber größer als die Bereiche von Thermistor und Silizium-Sensor. Ein RTD-Sensor ist immer dann die richtige Wahl, wenn in einer Anwendung eine qualitativ hochwertige und präzise Temperaturmessung notwendig ist.

Ein Thermistor stellt häufig die kostengünstigste Lösung für ein Temperaturmesssystem dar. Die starke Nichtlinearität dieses Sensors lässt sich mit einem einfachen Widerstandsnetzwerk in den Griff bekommen. Dieses schränkt zwar den Temperaturbereich des Thermistors ein, doch kann dieser Nachteil in vielen Temperatursensor-Applikationen hingenommen werden.

Die IC oder siliziumbasierten Halbleitersensoren bieten eine weitere Alternative bei der Temperaturmessung. Als Vorteile sind die anwenderfreundlichen Ausgabeformate und die einfache Bestückung auf der Leiterplatte anzuführen. Obwohl sie wegen ihrer Gehäusemasse eher träge reagieren, sind siliziumbasierte Temperatursensoren dank ihrer Plug-and-Play-Eigenschaften sehr attraktiv.

Tabelle 2 ergänzt die in Tabelle 1 enthaltenen Angaben durch eine Aufstellung typischer Anwendungen der vier Temperatursensor-Typen.

Tabelle 2: Typische Anwendungen der vier Temperatursensor-Typen

Tabelle 2: Typische Anwendungen der vier Temperatursensor-Typen

Unter den heute auf dem Markt angebotenen Temperatursensoren halten Thermoelemente, RTD, Thermistoren und siliziumbasierte Sensoren weiter die Vormachtstellung. Während sich das Thermoelement speziell für das Messen hoher Temperaturen anbietet, ist der RTD für niedrigere Temperaturen und hohe Linearitätsanforderungen prädestiniert. Der Thermistor empfiehlt sich als kostengünstige Alternative für Anwendungen mit kleineren Temperaturbereichen und manchmal ist der siliziumbasierte Sensor wegen seiner einfachen Anwendung die beste Lösung.

Literatur

[1] Schraff, Fred: “Thermocouple Basics”. Product Book, Thermometrics, Inc. (1997). Measurement & Control, (Juni 1996) S. 126

[2] Sulciner, J.: “Understanding and Using PRTD Technology, Teil 1: History, Principles and Designs”, Sensors, (August 1996)

[3] Technische Referenz auf der Omega-Website

[4] Weitere Informationen über Sensoren von TI

 

Die Autorin Bonnie C. Baker ist Senior Applications Engineer bei Texas Instruments.

Hinterlasse einen Kommentar