EP-Basics: Temperaturen erfassen Thermistor, Thermoelemente oder IR-Temperaturmessung

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Obwohl es sich bei der Temperatur um einen einfachen Parameter handelt, ist sie eine wichtige Größe in vielen Industriebranchen. Thermistor, Thermoelemente und die IR-Temperaturmessung sind drei Messmethoden zum Überwachen.

Mit der zunehmenden Automatisierung unserer Welt gewinnt die Sensorik immer mehr an Bedeutung. Die genaue Bestimmung von Temperaturwerten gehört nach wie vor eine der wichtigsten Funktionen im Elektronikdesign. Die genaue Temperatur spielt nicht nur im privaten Umfeld eine wichtige Rolle. In der Industrie ist es entscheidend, wenn Sensoren Maschinen und Computertechnik überwachen.

Das ist beispielsweise wichtig, wenn frühzeitigen Fehler erkannt werden oder einfach eine optimale Temperatur aufrechterhalten. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Temperatur zu messen. Sie alle haben unterschiedliche Vorteile und sind für bestimmte Anwendungsszenarien geeignet. Im folgenden Beitrag geht es um die drei gängigsten Temperaturmessverfahren: Thermistoren, Thermoelemente und der Infrarot-(IR-)Technik.

Thermistoren sind einfach, präzise und robust

Bei einem Thermistor handelt es sich um einen elektrischen Widerstand, dessen Widerstandswert sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändert. Dabei erfasst der Thermistor entweder seine Umgebungsluft oder eine Oberfläche, mit der er in Kontakt steht oder in die er eingebettet ist. Hergestellt ist ein Thermistor aus Metalloxiden, die in eine geeignete Perlenform, Scheibe oder einen Zylinder gepresst werden. Eingekapselt wird dieser dann in Epoxid oder Glas.

Je nach gewähltem Material kann der Widerstand entweder mit der Temperatur ansteigen. Dann handelt es sich um einen positiven Wärmekoeffizienten (PTC). Der Widerstand nimmt ab, wenn es sich um einen negativen Temperaturkoeffizienten (NTC) handelt. NTC-Typen sind im Allgemeinen die beliebteren Komponenten für thermische Messungen, wohingegen PTC-Typen häufig als thermische Sicherungen verwendet werden.

Thermistoren sind einfach in der Handhabe, preiswert in der Anschaffung und robust. Sie reagieren vorhersehbar auf Temperaturänderungen. Eine Änderung des Widerstandswertes ist zwar nichtlinear, folgt aber einer Kurve, die für ein bestimmtes Thermistormodell definiert ist. Thermistoren sind außerdem empfindlich, präzise und sehr stabil. Sie eignen sich jedoch nicht für die Messung großer Temperaturschwankungen und arbeiten in der Regel nur in einem engen Bereich um eine bestimmte Temperatur. Dieser Umstand sowie ihre langsame Ansprechzeit schränken ihre Anwendungsmöglichkeiten ein.

Auf Oberflächen oder eingebettet

Thermistoren sind vielseitig einsetzbar und können sowohl die Umgebungstemperatur messen als auch auf eine Oberfläche geklebt oder im Inneren eines Objekts untergebracht werden. So lässt sich ein Thermistor in einen Kühlkörper integrieren, um dort die Temperatur zu messen. Sind Thermistoren auf Oberflächen geklebt oder eingebettet, spricht man von einer berührungslosen Form der Messung. Damit haben sie direkt Einfluss auf die gemessene Temperatur. In der Praxis sind Thermistoren sehr klein und haben eine minimale thermische Masse. Das ist in den meisten Anwendungsfällen kaum ein Problem.

Thermistoren gibt es mit Anschlussdrähten oder können oberflächenmontiert sein (SMD). Der NCU15XH103D60RC von Murata ist ein NTC-Bauelement mit einer Grundfläche von 1,0 mm x 0,5 mm. Dieser Thermistor hat einen Nennwiderstand von 10 kOhm und arbeitet bei Temperaturen zwischen -40 und 125 °C. Er eignet sich für ein breites Anwendungsspektrum, insbesondere aber für die Temperaturkompensation in elektrischen/elektronischen Schaltungen und temperaturempfindlichen Komponenten. Im Zuge des immer breiteren Einsatzes von Batterietechniken überwachen Thermistoren die Temperatur von wiederaufladbaren Batteriepacks. Und das während des Einsatzes und beim Aufladen..

Thermoelemente messen differenziell

Thermoelemente sind zwei Drähte aus unterschiedlichen Metallen, die an einem Ende miteinander verbunden und am anderen Ende offen sind. Temperaturänderungen am verbundenen Ende induzieren (heiße Verbindungsstelle) eine kleine Spannung am offenen Ende (kalte Verbindungsstelle), die proportional zum Temperaturunterschied zwischen den beiden Verbindungsstellen ist.

Ein Thermoelement misst differenziell. Daher muss die Temperatur der offenen Verbindungsstelle bekannt sein, um die Temperatur am verbundenen Verbindungsstelle zu berechnen. In der Industrie werden die Begriffe heiß und kalt verwendet. In der Realität kann die Temperatur der heißen Verbindungsstelle leicht niedriger sein als die der kalten Verbindungsstelle. Damit es nicht zu Verwechselungen kommt, werden die Verbindungsstellen inzwischen häufig auch als Messstelle und Referenzstelle bezeichnet.

Die Eigenschaften von Thermoelementen werden durch die verwendeten Drähte und durch die Materialien bestimmt, aus denen die Drähte hergestellt sind. Jedem Thermoelement ist ein Buchstabe zugeordnet, wobei J, K und T die gängigsten sind. Der Typ K wird aus zwei Nickellegierungen (Chromel und Alumel) hergestellt, die Chrom, Aluminium, Mangan und Silizium enthalten. Die Beziehung zwischen der Temperatur (Differenz) und der Spannung an der Kaltstelle wird durch den Seebeck-Koeffizienten definiert, der in V/C gemessen wird. Die Typen R und S haben niedrige Seebeck-Koeffizienten (<10), während die gängigeren Typen (J, K, T und E) höhere haben (>40).

Breiter Temperaturbereich und robust

Ein Thermoelement erfasst einen breiten Temperaturbereich von -200 bis 2.500 °C. Damit lassen sie sich von der Avionik bis zur Kryotechnik einsetzen. Sie sind außerdem robust und werden weder durch Stöße noch durch Vibrationen beeinträchtigt. Als passive Geräte sind sie eigensicher und eignen sich für gefährlichen Umgebungen. Beispielsweise dort, wo explosive Gase vorhanden sind. Thermoelemente haben eine geringe thermische Masse und reagieren daher rasch auf sich schnell ändernde Temperaturen, oft in weniger als einer Sekunde.

Sie sind jedoch nicht für alle Anwendungen geeignet. Ein Problem ist der von ihnen nur sehr niedrige Signalpegel. Deshalb ist eine aufwendige Signalaufbereitung eventuell erforderlich sein, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Da es sich bei Thermoelementen um lange Drähte handelt, reagieren sie auf Einstreuungen. Das lässt sich durch Verdrillung der Drähte oder Verlegung in einer abgeschirmten Leitung reduziert.

Thermolelemente sind anfällig für Korrosion und bei der Temperaturermittlung mit typischerweise etwa ±1 °C nicht sehr genau. Das ist problematisch bei niedrigen Temperaturen, aber ausreichend wenn es sich beispielsweise um ein Düsentriebwerk oder eine Flamme handelt. Außerdem ist der Ausgang eines Thermoelements nicht linear, obwohl die Typen J und K signifikante (fast) lineare Bereiche aufweisen.

Möchte ein Entwickler die Flexibilität von Thermoelementen nutzen ohne dabei zu viel in die Signalverarbeitung investieren, bietet sich der MCP9600/L00 von Microchip an. Das Bauelement lässt sich direkt an ein Thermoelement der Typen K, J, T, N, S, E, B oder R anschließen lassen. Außerdem bieten die Elemente alle erforderlichen Signalaufbereitungs- und Nichtlinearitätskorrekturen für die Thermoelementspannung. Für den Temperaturwert gibt es einen Zweidraht-I²C-Bus mit 100 kHz. Das Bauelement eignet sich für batteriebetriebene Anwendungen mit einem Betriebsstrom von nur 300 µA und einer Stromaufnahme von nur 2 µA im Abschaltmodus. Jedes Gerät verfügt über vier Register, mit denen individuelle Temperaturwarnungen eingestellt werden können.

IR-Temperaturmessung erfassen Wärmestrahlung

Sowohl Thermistoren als auch Thermoelemente sind Kontaktmessinstrumente. Sie müssen direkt mit dem Messobjekt in Kontakt stehen. Das kann unpraktisch sein oder sogar das Messergebnis beeinträchtigen. Denn der Messfühler ist der Kühlkörper. Hier eignet sich die IR-Temperaturmessung. Eingesetzt wird sie in medizinischen und industriellen Anwendungen. Sie arbeiten genau und zuverlässig. Außerdem sind sie robust. Sie funktionieren nach dem physikalisches Prinzip, dass jeder Gegenstand Wärmestrahlung aussendet. Sie machen sich das Stefan-Boltzmann-Gesetz zunutze. Hier ist pro Flächeneinheit eines schwarzen Körpers die abgestrahlte Energie proportional zur vierten Potenz seiner Temperatur.

Ein Thermosäulen-Sensor verwendet eine dünne, thermisch isolierte Membran, die mit mehreren Mikro-Miniatur-Thermoelementen in Reihe geschaltet ist. Da die Membran eine geringe thermische Masse hat, erwärmt sie sich schnell und erlaubt die Messung. Ein Referenzthermistor bestimmt die Temperatur der Vergleichsstelle, sodass eine absolute Temperatur ermittelt werden kann. Für den Einbau der Sensoren in tragbare Geräte werden häufig MEMS-Strukturen verwendet.

Der berührungslose Miniatur-IR-Sensor MLX90632 von Melexis ist werkseitig für Umgebungstemperaturen zwischen -20 und 85 °C und Objekttemperaturen zwischen -20 und 200 °C kalibriert. Die gemessene Temperatur ist ein Durchschnittswert für alles, was sich innerhalb des 50°-Erfassungsbereichs (FoV) des Sensors befindet. Der Sensor enthält Kompensationsalgorithmen.

Damit lässt sich stets ein genaues Ergebnis ermitteln. Der Sensor verfügt über eine Thermosäule, welche die vom Objekt abgestrahlte Energie erfasst. Ein Sensorelement erfasst das Temperaturniveau des Sensors selbst. Beide Messwerte werden verstärkt, digitalisiert und digital gefiltert, bevor sie im RAM gespeichert und über die I²C-Kommunikationsschnittstelle für das übergeordnete System bereitgestellt werden.

* Mark Patrick arbeitet bei Mouser Electronics als Supplier Marketing Manager in Mansfield, USA.

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