Ratgeber
In der Steuer-, Mess- und Regeltechnik ist es unumgänglich, Temperaturen exakt zu erfassen, damit Maschinen, Anlagen und sonstige technische Einrichtungen störungsfrei arbeiten. Für den reibungslosen Betrieb von Fahrzeugmotoren ist es beispielsweise wichtig, die Temperatur von Kühlmittel, Ansaugluft und Zylinderkopf zu überwachen, damit es nicht zu einer Überhitzung kommt. Auch in Heizungs- Klima- und Lüftungssteuerungen (HLK) sowie in medizinischen Geräten, beispielsweise Sterilisatoren, spielen Temperaturmessungen eine wichtige Rolle. Das Gleiche gilt bei der Herstellung und Verarbeitung von Lebensmitteln und Pharmaprodukten, da es hier umfangreiche Hygienevorschriften einzuhalten gilt.
Zur Messung der Temperatur kommen Temperaturfühler zum Einsatz. Sie sind in der Lage, Temperaturwerte als elektrische Signale zu erfassen, die ein Messgerät oder eine Steuereinheit auswerten kann. Temperaturfühler können in ihrer Bau- und Funktionsweise stark variieren. Es gibt zahlreiche Ausführungen, um den vielfältigen Anforderungen der Temperaturmessung gerecht zu werden. In unserem Ratgeber erklären wir Ihnen, was für Arten von Temperaturfühlern gebräuchlich sind, wozu sie verwendet werden und worauf bei der Auswahl zu achten ist.
Bei der Temperatur handelt es sich um eine physikalische Zustandsgröße, die in ein elektrisches Signal umgewandelt werden muss, um sie elektronisch erfassen zu können. Diese Aufgabe übernehmen Temperaturfühler bzw. Temperatursensoren. Sie sind in der Lage, die Ist-Temperatur zu ermitteln und als elektrisches Signal auszugeben, das von einem Mess- oder Steuergerät verarbeitet werden kann, um gegebenenfalls notwendige Prozesse einzuleiten. Ein klassisches Beispiel dafür ist das Thermostat. Im Kopf befindet sich ein Temperaturfühler, der die Umgebungstemperatur erfasst und das Ventil je nach gemessenem Wert öffnet oder schließt, wodurch die Wärmeerzeugung reguliert wird.
Für eine zuverlässige Erfassung müssen Temperaturfühler für den jeweiligen Messbereich ausgelegt und im Hinblick auf ihre Bauform auf das Medium, dessen Temperatur erfasst werden soll, abgestimmt sein. So werden beispielsweise für die Temperaturmessung von Oberflächen, Körpern und Materialien jeweils verschiedenartige Sensoren verwendet. Daneben gibt es spezialisierte Ausführungen, die sich für die Temperaturmessung von Gas, Dampf, Flüssigkeiten oder auch Schüttgütern eignen.
Temperaturfühler haben den Zweck, die Ist-Temperatur eines Mediums zu erfassen und in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Das kann auf unterschiedlichen Wegen erfolgen. In dem Zusammenhang werden widerstandsbasierte Sensoren in Form von RTDs und Thermistoren sowie Thermoelemente unterschieden.
Widerstandssensoren (RTDs)
Widerstandssensoren werden auch als Resistance Temperature Detectors, kurz RTDs bezeichnet. Sie bestehen aus reinem Metall (Platin, Nickel oder Kupfer) und zeichnen sich dadurch aus, dass sich ihr Widerstandswert linear mit der Temperatur ändert. Der Widerstand steigt mit zunehmender Temperatur, was bedeutet, dass der Strom bei niedrigen Temperaturen besser geleitet wird. Fachsprachlich spricht man von einem positiven Temperaturkoeffizienten (PTC = Positive Temperature Coefficient). RTDs decken im Vergleich zu Thermistoren einen größeren Temperaturbereich ab. Dünnschicht-RTDs sind in einem Bereich zwischen -50 °C und 500 °C einsetzbar, drahtgewickelte RTDs zwischen -200 °C und 850 °C.
Thermistoren
Thermistoren bestehen aus Verbundwerkstoffen auf Basis von Keramik, Polymeren oder Metalloxiden. Sie arbeiten ähnlich wie RTDs, haben aber sowohl positive als auch negative Temperaturkoeffizienten (NTC = Negative Temperature Coefficient). Unterschieden werden in dem Zusammenhang Heißleiter und Kaltleiter. Heißleiter leiten den Strom bei hohen Temperaturen am besten, das heißt, der Widerstand nimmt mit sinkender Temperatur zu. Kaltleiter haben dagegen bei niedrigen Temperaturen die beste Leitfähigkeit, dementsprechend steigt ihr elektrischer Widerstand mit zunehmender Temperatur. Im Vergleich zu RTDs sind Thermistoren kostengünstiger, ermöglichen sehr kleine Bauformen und reagieren schneller auf Temperaturänderungen, wodurch sie sich sehr gut für Anwendungen eignen, bei denen eine hohe Empfindlichkeit gefordert ist. Aufgrund ihrer Materialbeschaffenheit sind sie jedoch weniger robust und können in nicht ganz so breiten Temperaturbereichen eingesetzt werden. Da der Widerstandswert bei Thermistoren nur in einem sehr engen Bereich linear verläuft, ist der Messbereich eingeschränkt.
Thermoelemente
Thermoelektrische Sensoren, häufig als Thermoelemente bezeichnet, funktionieren anders als RTDs und Thermistoren. Sie bestehen aus zwei unterschiedlichen Metallen bzw. Legierungen, die auf einer Seite miteinander verbunden sind. Wenn beide Metalle über ihre komplette Länge einem Temperaturunterschied ausgesetzt sind, kann an den offenen Enden eine geringe elektrische Spannung gemessen werden. Die Höhe dieser Thermospannung liegt je nach gemessener Temperatur im Bereich von einigen mV (= 1/1000 V) und ist von der verwendeten Materialkombination abhängig. Der thermoelektrische Effekt wird nach seinem Entdecker Thomas Johann Seebeck auch Seebeck-Effekt genannt.
Gut zu wissen
Gut zu wissen: Im Gegensatz zu temperaturabhängigen Widerständen brauchen Thermoelemente keine Hilfsspannung, um ein Messergebnis zu erzeugen. Allerdings messen Thermoelemente nicht die absolute Temperatur, sondern lediglich den Temperaturunterschied zwischen der Messstelle (2) und der Vergleichsstelle (4).
Für die Berechnung der Temperatur an der Messstelle (rot) muss die Temperatur der Vergleichsstelle (blau) bekannt sein. Die Vergleichsstelle können z.B. die Anschlussklemmen der Auswerteelektronik sein. Bei Multimetern mit Temperaturmessfunktion ist oft ein temperaturabhängiger Widerstand in der Nähe der Anschlussklemmen verbaut. Dadurch kann die Temperatur an den Anschlussklemmen, die als Vergleichsstelle fungieren, genau erfasst werden.
Durch Verwendung von Thermoleitungen oder Ausgleichsleitungen kann die Vergleichsstelle von der Messstelle räumlich getrennt sein.
Thermoelement-Metalle (1 und 3), Verbindungspunkt und Messstelle (2), Vergleichsstelle (4), Spannungsmessung (5). Thermo-/Ausgleichsleichsleitungen (6).
Thermoleitungen
Thermoleitungen bestehen aus dem gleichen Material wie das Thermoelement. Aus diesem Grund wird eine Thermoleitung zum Thermoelement, wenn die beiden Leiter auf einer Seite elektrisch miteinander verbunden werden.
Ausgleichsleitungen
Ausgleichsleitungen sind Verbindungsleitungen vom Thermoelement zur Vergleichsstelle. Sie bestehen aus Ersatzwerkstoffen, beispielsweise Kupfer, die nicht mit dem Metallpaar des Thermoelements identisch sind.
Temperaturfühler unterscheiden sich nicht nur in der zugrundeliegenden Messtechnik, sondern auch in ihrer Bauweise. Es gibt eine ganze Reihe von Spezialausführungen, die auf ihre Messaufgabe und das jeweilige Medium optimiert sind. Hier ein Überblick über die gebräuchlichsten Temperatursensoren und ihre Einsatzgebiete:
Einstechfühler
Einstechfühler ermöglichen es, die Temperatur von weichplastischen oder pastösen Medien zu messen. Sie verfügen im Regelfall über eine Einstechnadel mit zentrischer Spitze, die in das Messobjekt eingeführt wird. In vielen Fällen ist die Nadel so dünn, dass die Einstichstelle nach dem Messvorgang kaum zu sehen ist.
Oberflächenfühler
Oberflächenfühler erfassen die Temperatur glatter Oberflächen. Sie werden mittels Klebefläche, Magneten oder Schraubmontage an der Messstelle befestigt. Dadurch haben sie mehr Kontakt zur Oberfläche, was eine schnellere Temperaturmessung ermöglicht. Es gibt auch berührungslos messende Oberflächenfühler, die mit Infrarot arbeiten.
Luftfühler
Luftfühler dienen zur Messung der Lufttemperatur. Der Sensor ist zum Schutz vor mechanischen Einwirkungen von einer Hülse umgeben, die perforiert ist. Auf diese Weise kann die Umgebungsluft den Messfühler kontaktieren und umfließen. Das ermöglicht wiederum eine schnellere Reaktionszeit.
Tauchfühler
Tauchfühler sind dazu konzipiert, die Temperatur in gasförmigen oder flüssigen Medien zu messen. Durch das direkte Eintauchen sind sie vollständig vom Medium umgeben, was es ihnen ermöglicht, die Temperatur schnell zu erfassen. Manche sind mit einer Schutzhülse versehen, die vor aggressiven Medien schützt.
Die Temperaturmessung spielt in technischen Prozessen und Einrichtungen eine entscheidende Rolle, dementsprechend sind die Anwendungen von Temperaturfühlern breit gefächert. Im Folgenden geben wir Ihnen einen Überblick über die gebräuchlichsten Einsatzgebiete und Aufgaben:
Industrie und Werkstatt
- Prozessüberwachung und -steuerung
- Temperaturüberwachung in der Produktion und Lagerung
Automobilindustrie
- Motor- und Abgastemperaturüberwachung
- Batterie-Temperaturüberwachung
Gebäudetechnik
- Temperaturregelung in Kühl- und Heizsystemen
- Temperaturregelung in Klima- und Lüftungsanlagen
Elektronik und Halbleiterproduktion
- Temperaturüberwachung in Computern, Netzteilen und anderen Elektroniksystemen
- Sicherstellung der Soll-Temperaturen in den verschiedenen Phasen der Halbleiterproduktion
Haushaltsgeräte
- Präzise Temperatursteuerung in Koch- und Haushaltsgeräten wie Backöfen, Toastern etc.
- Optimale Kühlprozesse in Kühl- und Gefrierschränken
Medizin und Gesundheit
- Temperaturregelung in medizinischen Geräten (bspw. zur Sterilisation, Desinfektion, Beatmung und Dialyse)
- Überwachung von Laborprozessen
Umweltüberwachung
- Messungen der Luft- und Bodentemperatur für Wettervorhersagen
- Erfassung und Tracking globaler Temperaturentwicklungen zum Zweck der Klimaforschung
Energieerzeugung
- Temperaturüberwachung in Kesseln, Turbinen und Kühlsystemen thermischer Kraftwerke (Kohle, Gas, Kernenergie)
- Temperaturüberwachung in Solar- und Windkraftanlagen
Temperaturfühler spielen nicht nur aus Sicherheitsaspekten eine bedeutende Rolle, sondern helfen auch bei der Prozessoptimierung und Qualitätssicherung. Sie sind daher in zahlreichen Branchen vertreten.
Damit Temperaturfühler genaue und verlässliche Messwerte liefern, sind eine regelmäßige Kalibrierung und Wartung entscheidend. Dabei gilt es auf folgendes zu achten:
Kalibrierintervalle
Eine Kalibrierung sollte in festgelegten Intervallen erfolgen. Wie oft Sie kalibrieren, hängt von den Anforderungen an die Messgenauigkeit und den Einsatzbedingungen ab. Bei Temperaturschwankungen, anspruchsvollen Umgebungsbedingungen oder kritischen Anwendungen, die strengen Auflagen unterliegen (bspw. Pharmaindustrie oder Lebensmittelproduktion), können häufigere Kalibrierungen nötig sein.
Kalibrierverfahren
Temperaturfühler können Sie bei einer oder mehreren Temperaturen kalibrieren. Mehrstufige Kalibrierungen bieten genauere Ergebnisse über einen breiteren Temperaturbereich. Zum Vergleich können Sie ein hochpräzises Referenzthermometer heranziehen.
Wartungsprozess
Eine regelmäßige Wartung ist wichtig, um die Funktionalität eines Temperaturfühlers möglichst lange zu erhalten. Sie beginnt mit einer Sichtprüfung, bei der Sie den Fühler äußerlich auf Beschädigungen, Schmutz und Korrosionserscheinungen untersuchen. Anschließend testen Sie die elektrischen Anschlüsse und Verbindungen. Vergleichsmessungen mit einem Referenzgerät helfen dabei, Abweichungen festzustellen, die eventuell eine Kalibrierung erfordern.
Dokumentation
Jede Kalibrierung und Wartung sollte dokumentiert werden – und zwar einschließlich der Abweichungen, der verwendeten Referenzgeräte und der durchgeführten Anpassungen. Dabei ist auch auf Rückverfolgbarkeit zu achten. Das heißt: Jede Kalibrierung sollte auf nationale oder internationale Standards rückführbar sein.
Beim Kauf von Temperaturfühlern sind mehrere Kriterien zu berücksichtigen.
Sensortyp und Anschlussart
Wichtig zu wissen ist, welche Sensorart zum Messgerät und zur Messstelle passt. Bei NTC-Sensoren ist zu prüfen, ob die Kennlinie des Sensors der Kennlinie entspricht, die im Messgerät hinterlegt ist. Achten Sie darauf, dass der Temperaturfühler eine passende Anschlussart aufweist. Der Sensor muss sich am Messgerät bzw. an der Messstelle sachgemäß anbringen lassen, um die Temperatur korrekt erfassen zu können. Gegebenenfalls müssen Sie dafür weiteres Zubehör wie Stecker und Anschlussleitungen zur Hilfe nehmen. Berücksichtigen Sie in dem Zusammenhang auch den Abstand zwischen Messstelle und Messgerät.
Messbereich und Ansprechverhalten
Ein weiterer wichtiger Faktor bei der Auswahl eines Temperatursensors ist der Messbereich. Er wird von der Messaufgabe mehr oder weniger vorgegeben. Wird in sehr engen Bereichen gemessen, sind Thermistoren eine gute Wahl, da sie die beste Empfindlichkeit bieten. Sie sind jedoch nicht für die Erfassung sehr hoher Temperaturen geeignet. In dem Fall sind RTDs die bessere Alternative. Sie können bis zu 850 °C messen, sind stabil und störfest. Thermoelemente sind von allen Sensortypen am robustesten. Sie sind auch bei hohen Temperaturen einsetzbar und punkten mit einem schnellen Ansprechverhalten.
Bauweise und Montagemöglichkeiten
Von der Messaufgabe hängt auch ab, welche Bauweise ein Temperaturfühler haben muss, also ob beispielsweise ein Einstech-, Oberflächen-, Tauch- oder Luftfühler erforderlich ist. Bei der Auswahl eines Tauchfühlers muss die Mindesteintauchtiefe bekannt sein, um die richtige Länge bestimmen zu können. Soll der Sensor innerhalb einer Anlage oder Maschine verbaut werden, kann ein Einschraubfühler die richtige Wahl sein. Hier ist auf die korrekte Gewindegröße zu achten. Für jede Bauform sind nochmal spezifische Parameter zu berücksichtigen, damit Sie eine reibungslose Montage und zuverlässige Messung sicherstellen können.
Wärmeleitpaste kann dazu beitragen, die Reaktionszeit und Messgenauigkeit eines Oberflächenfühlers zu verbessern. Sie hat eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Luft und füllt winzige Lufteinschlüsse und Unebenheiten an den Kontaktflächen aus, die zu Messfehlern führen können. Das sorgt dafür, dass der Fühler die Oberflächentemperatur schneller und präziser erfassen kann.
Was ist der Unterschied zwischen einem Temperatursensor und Temperaturfühler?
Die Begriffe Temperatursensor und Temperaturfühler werden in den allermeisten Fällen synonym verwendet, streng genommen bezeichnen sie aber nicht dasselbe. Der Temperatursensor ist das eigentliche Messelement, das die Temperatur erfasst und in elektrische Signale umwandelt, also beispielsweise ein RTD oder ein Thermoelement. Ein Temperaturfühler bezeichnet dagegen die Einheit aus Sensor und Hülse bzw. Gehäuse, das das Messelement vor mechanischen Belastungen, Feuchtigkeit, Schmutz oder aggressiven Medien schützt. Ein Temperaturfühler stellt ein fertiges Bauteil dar, das sofort installiert und in Betrieb genommen werden kann.
Wo muss man einen Temperaturfühler anbringen?
Wo ein Temperaturfühler angebracht werden muss, hängt von der Messaufgabe und der Messstelle ab. Möchten Sie beispielsweise die Raumtemperatur messen, sollten Sie den Fühler in ausreichendem Abstand zu Wärmequellen wie Heizkörpern positionieren und direkte Sonneneinstrahlung durchs Fenster vermeiden. Die Luft sollte gut um den Fühler zirkulieren können, Zugluft, wie sie beispielsweise in der Nähe von Klimaanlagen oder Lüftungsschächten entstehen kann, gilt es jedoch zu vermeiden. Bei der Temperaturerfassung von Flüssigkeiten und Gasen ist darauf zu achten, dass der Fühler ausreichend tief in das Medium eintaucht – idealerweise an einer Stelle mit gleichmäßiger Strömung. In der Heiz-, Lüftungs- und Klimatechnik werden Temperaturfühler oft in Zu- und Abluftschächten eingesetzt. Hier ist darauf zu achten, sie vor dem Wärmetauscher zu montieren oder an einem Bereich, der am repräsentativsten für die Lufttemperatur ist.