Funktionsprinzip des Temperatursensors

Funktionsprinzip von Temperatursensoren:

Ein Temperatursensor ist ein Gerät, das die Temperatur erfasst und in ein messbares Signal umwandelt. Das Funktionsprinzip basiert auf einer Vielzahl physikalischer Effekte, darunter thermoelektrische, Widerstands-, Thermistor-, Thermoelement-, Wärmeausdehnungs-, Halbleiter- und Infrarotabsorptionseffekte. Im Folgenden finden Sie eine detaillierte Erläuterung dieser Grundsätze:

1. Thermoelektrischer Effekt

Der thermoelektrische Effekt ist die Grundlage von Thermoelement-Temperatursensoren. Das Thermoelement besteht aus zwei unterschiedlichen Leitermaterialien, die eine geschlossene Schleife bilden. Wenn an den beiden Enden ein Temperaturgradient vorhanden ist, fließt ein Strom durch die Schleife. Zu diesem Zeitpunkt besteht zwischen den beiden Enden ein elektrisches Potenzial – thermische elektromotorische Kraft.Dieses Phänomen eines elektrischen Potentials aufgrund eines Temperaturunterschieds wird als Seebeck-Effekt bezeichnet. Durch Messung dieser elektromotorischen Kraft kann eine Temperaturmessung erfolgen. Thermoelemente bieten den Vorteil eines großen Messbereichs und einer hohen Genauigkeit und werden häufig in verschiedenen Temperaturmesssituationen eingesetzt.

- Ein Thermoelement ist ein Sensor, der durch Zusammenschweißen zweier unterschiedlicher Metallleiter entsteht.

- Wenn die Lötstellen des Sensors unterschiedliche Temperaturen aufweisen, entsteht ein Temperaturunterschied, der ein kleines elektrisches Potenzial (Spannungssignal) erzeugt.

- Die Größe dieser elektromotorischen Kraft hängt von der Temperaturdifferenz ab und die Temperatur kann anhand einer kalibrierten Spannungs-Temperatur-Kurve gemessen werden.

2.Widerstands- und Thermistoreffekte

Widerstandseffekt und Thermistoreffekt sind die Funktionsprinzipien von Thermistor-Temperatursensoren. Thermistor ist ein Element, dessen Widerstandswert sich mit der Temperatur ändert. Nach dem Gesetz der Widerstandswertänderung mit der Temperatur können Thermistoren in zwei Typen unterteilt werden: positiver Temperaturkoeffizient (PTC) und negativer Temperaturkoeffizient (NTC). Der Widerstandswert von Materialien mit positivem Temperaturkoeffizienten steigt mit steigender Temperatur, und der Widerstandswert von Materialien mit negativem Temperaturkoeffizienten nimmt mit steigender Temperatur ab. Die Temperaturmessung kann durch Messung des Widerstandswerts des Thermistors erfolgen. Thermistorsensoren können über einen begrenzten Temperaturbereich (z. B. -90 °C bis 130 °C) eine hohe Genauigkeit erreichen.

2.1 Thermistoreffekt:

- Thermistoren sind Widerstände, deren Widerstand sich mit der Temperatur ändert. Sie werden normalerweise in zwei Typen unterteilt: negativer Temperaturkoeffizient (NTC) und positiver Temperaturkoeffizient (PTC).

- Der Widerstandswert von NTC-Thermistoren nimmt mit steigender Temperatur ab, während PTCs mit steigender Temperatur ansteigen.

- Durch Messung der Widerstandswertänderung kann auf die Temperaturänderung geschlossen werden. Normalerweise besteht eine spezifische nichtlineare Beziehung zwischen dem Widerstandswert und der Temperatur, die eine Kalibrierung und spezielle Schaltkreise erfordert, um sie in einen Temperaturwert umzuwandeln.

2.2 Widerstandseffekt:

- Ein RTD ist ein Sensor, der einen Draht oder eine Folie aus reinem Metall (normalerweise Platin) als Sensorelement verwendet.

- Wenn sich die Temperatur ändert, ändert sich der Widerstandswert des Metallwiderstands, und diese Änderung hängt linear von der Temperatur ab.

- Durch Messung der Widerstandswertänderung kann der Temperaturwert berechnet werden.

3. Infrarot-Absorptionseffekt

Infrarot-Temperatursensoren basieren auf dem Prinzip, dass die innere thermische Bewegung eines Objekts elektromagnetische Wellen (die Infrarotstrahlen mit einer Wellenlänge von 0,75 bis 100 μm entha lte n) in alle Richtungen abstrahlt. Diese Sensoren erfordern keinen direkten Kontakt mit dem zu messenden Objekt und messen indirekt die Temperatur, indem sie die vom Objekt abgestrah lte Infrarotenergie messen.Daher eignet es sich besonders zur Messung der Oberflächentemperatur von sich bewegenden Objekten, kleinen Zielen und Objekten mit geringer Wärmekapazität oder schnellen Temperaturänderungen (Transienten).

- Infrarotsensoren messen die Oberflächentemperatur eines Objekts, indem sie die von ihm emittierte Infrarotstrahlung empfangen.

- Die Wärmestrahlung eines Objekts ist proportional zu seiner Oberflächentemperatur, und der Sensor kann die Temperatur des Objekts bestimmen, indem er die Intensität der empfangenen Strahlung misst.

4. Wärmeausdehnungseffekt:

Bei einem Wärmeausdehnungssensor werden bestimmte Materialien mit Temperaturänderungen und Volumenausdehnungseigenschaften zur Messung der Temperatur verwendet. Wenn sich die Temperatur ändert, ändert sich die Länge des Materials im Sensor, und die Temperaturinformationen können durch Messung der Längenänderung erha lte n werden.

5. Halbleitereffekt:

Halbleitermaterialien haben eine höhere Widerstandsänderungsrate mit der Temperatur als Metalle und können daher zu Temperatursensoren verarbeitet werden. Wenn die Temperatur steigt, nimmt der Widerstand des Halbleiters schnell ab und die Temperatur kann mithilfe dieser Eigenschaft genau gemessen werden.

In praktischen Anwendungen sol lte der geeignete Temperatursensor entsprechend dem spezifischen Messbereich, den Genauigkeitsanforderungen, den Umgebungsbedingungen und anderen Faktoren ausgewählt werden.

1. Thermoelemente: Thermoelemente haben normalerweise einen großen Messbereich und eine gute Genauigkeit, ihre Linearität und Stabilität kann jedoch durch Temperatur und Materialtyp beeinträchtigt werden. Bei extremen Temperaturen kann sich die Leistung von Thermoelementen verschlechtern und somit die Genauigkeit beeinträchtigt werden.

2.Sensoren für den Wärmeausdehnungskoeffizienten (Ausdehnungsmesser): Ausdehnungsmesser sind weniger genau und werden typischerweise für relativ grobe Temperaturmessungen verwendet. Sie eignen sich eher zur Messung von Temperaturänderungen als zur Messung präziser Temperaturwerte.

3. Widerstandstemperaturdetektoren (RTDs): RTDs bieten eine gute Genauigkeit und Stabilität, insbesondere bei konstanten Temperaturen. Sie verfügen über einen großen Messbereich, haben jedoch eine langsame Reaktionszeit und sind nicht für die Überwachung schnell wechselnder Temperaturen geeignet.

4. Thermistoren (Halbleiter-Temperatursensoren): Thermistoren sind hochempfindlich und können sehr schnell auf Temperaturänderungen reagieren. Allerdings ist ihre Langzeitstabilität möglicherweise nicht so gut wie bei RTDs, und bei extremen Temperaturen kann es zu Leistungseinbußen kommen.

Zusammenfassend

Temperatursensoren arbeiten nach verschiedenen Prinzipien und basieren auf unterschiedlichen physikalischen Effekten, um eine Temperaturmessung zu erreichen. Thermoelementsensoren nutzen den thermoelektrischen Effekt; Thermistorsensoren nutzen die Widerstands- und Thermistoreffekte; und Infrarotsensoren nutzen den Infrarotabsorptionseffekt. Diese Sensoren haben ihre eigenen Vor- und Nachteile und eignen sich für unterschiedliche Messanlässe und -anforderungen. Beispielsweise werden bei Anforderungen höherer Genauigkeit üblicherweise Thermoelemente oder RTDs verwendet; bei Anforderungen an schnelle Reaktionszeiten werden üblicherweise Sensoren mit thermoelektrischem Effekt oder Halbleitereffekt verwendet; In den Anforderungen kostengünstiger Anlässe werden häufig Sensoren für den Wärmeausdehnungseffekt verwendet.

Insgesamt ist kein einzelner Temperatursensor unter allen Bedingungen am genauesten. Die Wahl des Sensors hängt von den spezifischen Anwendungsanforderungen ab, einschließlich des gewünschten Messbereichs, der Genauigkeit, der Reaktionszeit, der Kosten und der Umgebungsbedingungen. Bei der Auswahl eines Temperatursensors müssen in der Regel auf der Grundlage dieser Faktoren Kompromisse eingegangen werden.