Temperatursensoren sind in vielen technischen Anwendungen unverzichtbar, um genaue Informationen über die Temperatur eines Systems zu erhalten. Sie spielen eine entscheidende Rolle in Bereichen wie der Klimatechnik, der Prozesssteuerung, der Medizintechnik und der Automobilindustrie. Das grundlegende Funktionsprinzip von Temperatursensoren beruht auf der Messung physikalischer Eigenschaften, die sich mit der Temperatur ändern. Es gibt verschiedene Arten von Temperatursensoren, die jeweils auf unterschiedlichen Messprinzipien beruhen. In diesem technischen Bericht werden die grundlegenden Funktionsprinzipien von Temperatursensoren erläutert und ihre Anwendungsbereiche sowie Vor- und Nachteile diskutiert.
PT100 und PT1000
Diese Sensoren basieren auf dem Prinzip des Platinwiderstandes. Der PT100 hat einen Widerstand von 100 Ohm bei 0°C, der PT1000 einen Widerstand von 1000 Ohm bei 0°C. Der Widerstand ändert sich linear mit steigender Temperatur. Der Unterschied zwischen PT100 und PT1000 ist lediglich, dass bei letzterem der Widerstand der zehnfache Wert hat. Dadurch verringert sich der Einfluss von Kabelwiderständen um Faktor 10.
Der Temperaturbereich für beide Sensoren liegt normalerweise zwischen -200°C und +850°C. Die Reaktionsgeschwindigkeit ist in der Regel hoch, d.h. sie können Temperaturänderungen schnell erfassen. Durchschnittliche Reaktionszeiten sind dort für t90%>45s und für t63%>12s. Zudem ist der Temperaturdrift im Allgemeinen gering. Platinwiderstände werden in der DIN EN 60751 definiert.
NTC (Negative Temperature Coefficient)
NTC-Sensoren verwenden einen Halbleiter mit einem negativen Temperaturkoeffizienten. Das bedeutet, dass ihr Widerstand mit steigender Temperatur abnimmt, deshalb wird dieser auch Heissleiter genannt. Der Temperaturbereich für NTC-Sensoren variiert je nach Modell, kann aber normalerweise zwischen -50°C und +150°C liegen. Die Ansprechgeschwindigkeit ist in der Regel schnell, ähnlich wie bei Platin-Temperatursensoren. Die Temperaturdrift kann jedoch etwas höher sein als bei Platin-Temperatursensoren.
Der Beta-Wert (auch B-Wert genannt) ist ein Mass für die Temperaturabhängigkeit des Widerstands bei einem NTC. Er gibt an, wie stark der Widerstand des NTC mit der Temperatur variiert. Ein höherer Beta-Wert bedeutet eine grössere Änderung des Widerstands pro Grad Temperaturänderung. Der Beta-Wert wird normalerweise in Kelvin angegeben.
NTCs werden in der DIN 43760 definiert. Mehr zur DIN 43760 finden Sie am unteren Ende der Seite.
K-Typ
K-Typ-Sensoren basieren auf dem Thermoelementprinzip und bestehen aus zwei unterschiedlichen Metallen, die an einem Ende miteinander verbunden sind. Der Temperaturbereich von K-Typ-Sensoren ist normalerweise sehr gross und kann von -200°C bis +1350°C reichen. Bei Erwärmung über 850°C kann es durch Oxidation zu irreversiblen Veränderungen der thermoelektrischen Eigenschaften kommen die zu bleibenden Messabweichungen führen. Die Ansprechgeschwindigkeit ist in der Regel schnell, ähnlich wie bei den anderen Sensoren. Die Temperaturdrift kann jedoch etwas höher sein als bei Platin-Temperatursensoren.
Es wurde hauptsächlich für oxidierende Umgebungen entwickelt und muss bei andersartigen Umgebungen besonders geschützt werden. Typ K kann auch im Niedertemperaturbereich und in der Tieftemperaturmesstechnik bis zu -250°C eingesetzt werden. Bei K-Typ-Sensoren gibt es verschiedene Toleranzklassen. Diese Grenzabweichungen werden durch IEC 60584-1 definiert.
Ni-120
Ni-120-Sensoren basieren auf dem Nickel-Widerstandsprinzip. Der Temperaturbereich für Ni-120-Sensoren liegt typischerweise zwischen -80°C und +260°C. Bei 0°C besitzen Ni-120 einen Widerstand von 120Ω. Dieser Widerstand ändert sich annährend linear mit der Temperatur und lässt sich mit der DIN 43760 über die Callendar-Van Dusen Gleichung berechnen. Nickel ist empfindlicher als Platin und deshalb ist dieser Sensor für Applikationen sehr gut geeignet, bei der eine schnelle Reaktionszeit benötigt wird.
Halbleitersensoren
SMT172
Der SMT172 ist ein hochpräziser Temperatursensor, der speziell für den Einsatz in anspruchsvollen Umgebungen von Angst+Pfister entwickelt wurde. Er liefert zuverlässige Messergebnisse in Echtzeit und das mit einer Genauigkeit von ±0,1 °C und einer Auflösung von 0,01 °C. Der Halbleiter-Temperatursensor verfügt über eine Pulsweitenmodulation, die analog oder digital ausgewertet werden. Ausserdem ist der Sensor äusserst flexibel einsetzbar, da er eine Versorgungsspannung von 2,7 V bis 5,5 V unterstützt. Zusätzlich besitzt der SMT172 eine hohe Langzeitstabilität sowie eine geringe Temperaturdrift. Deshalb ist er geeignet für langfristige Überwachungsanwendungen und eine zuverlässige Lösung. Ebenfalls ist der SMT172 durch seine Energieeffizienz hervorzuheben. Er ist einer der effizientesten Temperatursensor auf dem Markt mit einem Energieverbrauch von nur 0,36 µJ pro Messung. Mit einer t63% von 0.6s ist er im Vergleich zu allen anderen Technologien sehr schnell. Durch die Möglichkeit diesen Sensor analog mittels PWM auswerten zu können spielen Kabelwiderstände keine Rolle. Dort können die Sensorsignale theoretisch über unbegrenzte Kabellängen transportiert werden.
DIN 43760
Die DIN 43760 ist eine Norm, die die Spezifikationen für NTC-Temperatursensoren festlegt. Sie definiert die elektrischen und mechanischen Eigenschaften von NTCs und legt die Anforderungen an deren Genauigkeit, Temperaturbereich, Widerstandswerte und Toleranzen fest.
Die Norm DIN 43760 enthält unter anderem Angaben zu den Widerstandswerten bei bestimmten Temperaturen, den Toleranzen der Widerstandswerte, den Betriebs- und Lagertemperaturen, der Langzeitstabilität, der Isolationsfestigkeit und der mechanischen Belastbarkeit der NTCs.
Die Einhaltung der Norm DIN 43760 gewährleistet eine gewisse Standardisierung und Vergleichbarkeit von NTC-Temperatursensoren verschiedener Hersteller.
Sensorauswertung
4-Leiter-Methode bzw. Schnittstellenmessmethode
Die 4-Leiter-Methode ist eine Messmethode, um den Widerstand eines elektrischen Bauteils oder einer Leitung mit hoher Genauigkeit zu messen. Sie wird häufig in der Elektronik, Elektrotechnik und Materialprüfung eingesetzt.
Bei der 4-Leiter-Methode werden vier Anschlüsse verwendet: zwei für die Strom- und zwei für die Spannungsmessung. Die beiden Stromanschlüsse werden mit dem zu messenden Bauteil oder der Leitung verbunden, während die beiden Spannungsanschlüsse zur Messung der Spannung über dem Bauteil oder der Leitung verwendet werden.
Der Strom wird durch die beiden Stromanschlüsse in das Bauteil oder die Leitung eingespeist. Da die Stromanschlüsse einen sehr geringen Widerstand haben, wird der Spannungsabfall über den Stromanschlüssen vernachlässigt. Die Spannung über dem Bauteil oder der Leitung wird dann über die beiden Spannungsanschlüsse gemessen.
Durch die Verwendung von vier Anschlüssen wird der Einfluss des Widerstandes der Anschlussleitungen eliminiert. Dies ermöglicht eine genaue Messung des Widerstandes des Bauteils oder der Leitung, ohne den Widerstand der Anschlussleitungen berücksichtigen zu müssen.
Die 4-Leiter-Methode ist besonders nützlich für die Messung sehr kleiner Widerstände oder für die Messung von Widerständen in Schaltungen mit hoher Genauigkeit. Sie wird auch zur Messung des Widerstands von Materialien verwendet, z. B. zur Bestimmung des spezifischen Widerstands von Metallen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Vierleitermethode eine genaue Widerstandsmessung ermöglicht, indem sie den Einfluss der Anschlussleitungen eliminiert und somit genauere Messergebnisse liefert.
Auswertungseinheit
Die beiden Spannungen an Rref und Pt100 werden nach dem 4-Leiter-Prinzip gemessen, d.h. in den Leitungen A, B, C und D fliesst kein Strom. Der Strom fliesst von E nach F. Mit diesem Prinzip kann das UTI verschiedene Werte von unbekannten Widerständen (Pt100, Pt1000, Thermistoren usw.) messen.
Aus den UTI-Signalen kann das Verhältnis der Widerstände von Pt100 und Rref abgeleitet werden. Dann wird der Widerstand des Pt100 aus dem Verhältniswert und dem Wert von Rref (gemessen von einem anderen Referenzgerät) abgeleitet und schliesslich der Temperaturwert extrahiert.
Sollen anderen Sensoren damit ausgewertet werden, so muss Rref angepasst werden und der Widerstand so ausgelegt werden, dass dieser in etwa der gleichen Höhe entspricht.
PT100 sowie PT1000 können zudem direkt über eine SPS ausgewertet werden. Dort gibt es analoge Schnittstellen, die für einen Platinwiderstand ausgelegt sind. Bei 22°C gibt dort die SPS einen Wert von 220 aus, ohne dass es einen Messumformer benötigt.
Fertige Assemblies
Mit Temperatursensor-Baugruppen (Assemblies) haben Sie die Möglichkeit, Sensoren an Ihre individuellen Anforderungen anzupassen. Ganz gleich ob es sich um Standard-Temperatursensoren mit Kabel oder um kalibrierte Messbereiche, Montageoptionen, Gehäuseabmessungen oder Kabelabgänge handelt, diese Assemblies können so konfiguriert werden, dass sie perfekt zu Ihren Anforderungen passen. Dies gewährleistet eine einfache Integration unserer Baugruppen in bestehende Systeme. Durch die Möglichkeit, Sensoren genau auf die Anforderungen Ihrer Anwendung zuzuschneiden, können Kosten reduziert werden. Angst+Pfister Sensors and Power bietet Assemblies mit diversen Technologien an: Egal ob PTC, NTC, P100, PT1000, K-Type, halbleiterbasiert oder auch Ni-120. Für bestehende Sensoren anderer Hersteller oder für Neuprojekte erstellen gerne ein Vergleichsangebot.
Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, wie unsere kundenspezifischen Temperatursensor-Assemblies Ihre Prozesse optimieren können, stehen wir Ihnen gerne zur Verfügung. Kontaktieren Sie unser Team für eine individuelle Beratung und erfahren Sie, wie Sie von dieser spannenden Technologie profitieren können.
Glossar
- NTC: Negativer Temperaturkoeffizient
- PT100/PT1000: Lineare Platinsensoren mit 100 bzw. 1000Ohm Widerstand bei 0°C
- SMT172: Halbleiter-Temperatursensor von Angst+Pfister
- K-Typ: Sensor für Hochtemperaturapplikationen
- Ni-120: Nickelsensoren mit 120Ohm bei 0°C
- Temperatursensor Assembly: Temperatursensoren mit kundenspezifischem Gehäuse, Kabel etc.
- Temperaturdrift: Veränderung eines Wertes des Sensors über lange (Monate/Jahre) Zeiträume, z. B. Offsetdrift
- Reaktionsgeschwindigkeit: Um Temperatursensoren vergleichen zu können werden typischerweise die t63% und t90% verglichen. Diese geben an nach welcher Zeit 63% bzw. 90% der Temperaturänderung erreicht wird.
- 4-Leiter-Methode: Geeignete Methode, um unabhängig von Kabelwiderständen zu sein
- DIN EN 43760: Definiert NTC-Widerstände
- DIN EN 60751: Definiert PT100- und PT1000-Widerstände
- Sensorauswertung: Auswertung von Sensorsignale
