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Temperatursensoren

by Sandy on Dezember 17th, 2020

Als Temperatursensor wird ein elektronisches und elektrisches Bauelement bezeichnet. Durch ein spezielles Elektrosignal kann er Temperaturen messen.

Der Temperatursensor ist auch als Thermosensor, Wärmefühler, Wärmesensor oder Temperaturfühler bekannt. Bei Temperatursensoren handelt es sich um elektronische und elektrische Bauteile, von denen ein elektrisches Signal geliefert wird, das als Mass für die Temperatur gilt. Es wird zwischen unterschiedlichen Thermosensoren unterschieden. Sie eignen sich für verschiedene Verwendungszwecke.

 

Arten von Temperatursensoren

Als Temperatur- oder Thermosensoren gelten sämtliche Sensorarten, die für das Messen von Temperaturen Verwendung finden. Unterschieden wird der Temperatursensor in Heissleiter (NTC) und Kaltleiter (PTC). Durch Kaltleiter lässt sich eine Temperaturerhöhung mit höherem Widerstand signalisieren. Heissleiter, die auf Halbleitern oder Metalloxiden aufgebaut sind, geben den Anstieg der Temperatur mit einem verringerten Widerstand an. Sie tragen auch die Bezeichnung Thermistoren.

Unterschiede bestehen bei den Temperatursensoren auch hinsichtlich des Materials. So kommen Keramik-Kaltleiter, Platin-Messwiderstände sowie Silizium-Messwiderstände zum Einsatz. Sie lassen sich für verschiedene Temperaturbereiche verwenden. So eignen sich Platin-Messwiderstände durch ihren temperaturlinearen Widerstandsverlauf für Temperaturen von -200 bis +850 Grad Celsius, was sich letztlich nach ihrer Ausführung richtet. Silizium-Messwiderstände kommen bei Temperaturen zwischen -50 und +150 Grad Celsius zur Anwendung. Keramik-Kaltleiter verfügen über einen ausgeprägten Widerstandsanstieg. Sie gelangen als Thermosicherung oder Heizelement, das sich selbst regelt, zum Einsatz.

Ebenfalls als Messeinheit Verwendung finden Thermosensoren mit schwingendem Quarz. Sie geben den Temperaturanstieg über das Verändern der Resonanzfrequenz an. Dadurch liefern sie besonders präzise Messresultate.

Eine andere Variante stellt pyroelektrisches Material dar. Seine Reaktion erfolgt durch das Ändern der Ladungsträgerdichte auf ihrer Oberfläche, wenn eine Veränderung der Temperatur eintritt. Es entsteht eine spontane Polarisation. Mit Pyrometern wird die Wärmestrahlung gemessen.

Auf mechanische Weise sind Bimetallschalter tätig. Durch das Krümmen eines Bimetalls können sie einen Schalter beim Anstieg der Temperatur betätigen. Mit einem Dauermagneten ausgestattet sind ferromagnetische Temperatursensoren. Je nachdem, wie die Temperatur ausfällt, bleibt der Magnet haften oder fällt ab. Es wird dabei entweder ein Schalter aktiviert oder die Federspannung auf magnetische Weise gehalten.

Ein weiterer Temperatursensor ist der faseroptische Thermosensor. Mit einer Glasfaser arbeitet er ein Temperaturprofil aus. Bei diesem Vorgang wird ein spezieller Raman-Effekt ausgelöst.

 

Einsatzgebiete der Temperatursensoren

Temperatursensoren sind in zahlreichen Geräten vorhanden, die im Alltag häufig eingesetzt werden. Dazu gehören beispielsweise Haushaltsgeräte wie Bügeleisen, Toaster oder Kühlschränke, das Steuern von Schaltkreisen in automatisierten Heizelementen oder Wärmebildkameras sowie Werkzeuge zum Löten oder Schweissen.

Thermosensoren befinden sich ausserdem in zahlreichen integrierten Schaltungen, wodurch sie temperaturabhängige Regelungen erzielen oder Überhitzungsschutz bieten.

Einrichtungen zum Messen der Temperatur oder Temperaur-Schwellwertschalter sind zum Beispiel vorhanden in:

+ DRAM-Speichern, um die stark temperaturabhängige Refresh-Frequenz zu regeln

+ Mikroprozessoren zum Schutz vor Übertemperaturen

+ Stromversorgungs-IC oder Leistungshalbleiter zum Schutz vor Überhitzung

 

Funktionsweise

Durch einen Temperatursensor werden Kälte und Hitze gemessen. Dabei wandelt er die Messung in ein elektrisches Signal um. Durch diese Information entsteht wiederum eine Aktion. Stellt zum Beispiel ein Wärmesensor in einem Wasserkocher fest, dass die gewünschte Temperatur erzielt wurde, erfolgt das Abschalten des Elektrogeräts. Auf diese Weise erfüllen die Temperatursensoren die wichtige Aufgabe, die Temperaturen zu überwachen und zu regeln.

Vorzüge und Nachteile des Temperatursensors

Thermosensoren bieten den Vorteil, dass sie Temperaturen genauestens messen können. Dies gilt auch für Messstellen, die schlecht zugänglich oder beweglich sind. Ein weiterer Pluspunkt der Sensoren ist, dass sie sich bei Temperaturen von mehr als 800 Grad Celsius einsetzen lassen.

Allerdings bergen sie auch einige Nachteile in sich. So fällt ihre Integration kompliziert aus und auch ihre Funktionsweise ist komplex. Daher bedarf es eines grösseren Verständnisses für die Abläufe der Wärmesensoren, um eine optimale Abstimmung zu erzielen.

Damit die Sensoren auch gut in den unterschiedlichen Temperaturregionen funktionieren, muss die passende Bauart ausgewählt werden. Ausserdem ist bei der Auswahl des Sensors auf Komponenten von hoher Qualität mit ausgereifter Technik Acht zu geben. Ferner sollten verfälschende sekundäre Eigenschaften wie das Erwärmen des Widerstandsthermometers so gering wie möglich sein.

Welche Materialien erkennen die Temperatursensoren?

Das Erkennen der Materialien hängt von der Bauart des Temperatursensors ab. Dieser Umstand trifft insbesondere auf Thermosensoren zu, die den Wechsel der Temperaturen durch das Verändern einer zusätzlichen physikalischen Grösse oder Eigenschaft anzeigen.

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