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Die richtige Wahl eines Temperatursensors

Die Temperatur ist sicherlich die am öftesten gemessene physikalische Größe in der Industrie. Sie ist ein grundlegender Parameter für die Ausführung zahlreicher Vorgänge. Ein Temperatursensor wandelt eine gtemperaturbezogene information in ein elektrisches Siognal um, dass von einem Messgerät, einem Diosplay oder einem Automatismus ausgewertet werden kann.

Unter den verschiedenen Technologien der angebotenen Temperatursensoren gibt es zwei sehr unterschiedliche Typen:

  • Die Kontaktsensoren, die den größten Anteil der Temperatursensoren darstellen, und deren empfindliches Element sich am Kontaktpunkt zwischen dem Sensor und dem Objekt befindet, an dem man die Temperatur messen will.
  • Die berührungslosen Sensoren, die die Infrarottechnologie verwenden, um die Temperatur einer Oberfläche zu messen, die sich nicht vor Ort befindet.

Temperatursensoren auf einen Blick

  • Die richtige Wahl eines Temperatursensors

    Um einen Temperatursensor zu wählen, der Ihrem Bedarf am besten entspricht, müssen die folgenden Fragen geklärt werden:

    Brauche ich einen Kontaktsensor oder einen Infrarotsensor?

    Kontaktsensoren gibt es in verschiedenen Ausführungen. Der Markt bietet Sensoren zur Messung einer Oberflächentemperatur oder einer Temperatur im Inneren einer Materie. In jedem Fall ist jedoch die Qualität des Kontaktes zwischen Sensor und dem, was gemessen werden soll, von ausschlaggbender Bedeutung.

    Infrarotsensoren messen ausschließlich die Temperatur an der Oberfläche, die sie anpeilen. Selbst wenn sie keinen direkten Kontakt benötigen, muss doch auf die Art der Atmosphäre zwischen Sensor und Zielpunkt geachtet werden, die den Messwert beeinflussen kann.

    Welche Technologie möchte ich für Kontaktsensoren verwenden? Mehrere Technologien stehen zur Verfügung: Thermoelemente, Widerstandssensoren etc. Eine Technologie ist niemals besser als eine andere; jede von ihnen hat ihre eigenen Vor- und Nachteile:

    Kriterium Thermoelement RTD Thermistor
    Präzision * *** *
    Linearität ** *** *
    Empfindlichkeit * ** ***
    Kosten *** * **

    Die Antwortzeit des Sensors kann ein weiteres wichtiges Auswahlkriterium darstellen, wenn man Temperaturschwankungen messen will; so haben Thermoelemente eine kürzere Ansprechzeit als RTD-Sensoren.

    Der zu messende Temperaturbereich ist selbstverständlich ein wichtiges Kriterium für die Wahl des Sensors selbst, aber auch seiner Technologie. Tatsächlich werden Thermoelemente und RTDs nach den Materialien klassifiziert, die ihr empfindliches Element bilden, und haben unterschiedliche Messbereiche.

  • Warum ein Temperatursensor mit Thermoelement?

    Temperatursensor mit Thermoelement der Marke Danfoss
    Temperatursensor mit Thermoelement der Marke Danfoss

    Ein Sensor mit Thermoelement basiert auf dem Seebeck-Effekt. Er basiert auf zwei Drähten verschiedener Metalle, die an ihrem Ende zusammengeschweißt sind (Heißschweißen). Durch das Verbinden der beiden verbleibenden Enden, der Referenzschweißungen genannt, mit einem Voltmeter wird eine elektrische Spannung in dem Augenblick gemessen, wenn sich die Temperatur der Schweißnaht von der der Referenzschweißungen unterscheidet.

    Es gibt verschiedene Arten von Thermoelementen, die unterschiedlichen Metallpaaren entsprechen. Jedes Metallpaar verfügt über einen eigenen Messbereich:

    Typ Zusammensetzung Temperaturspektrum
    T: Kupfer/ Konstantan -250 °C bis 400 °C
    J: Kupfer/ Konstantan -180 °C bis 750 °C
    E: Chromel / Konstantan -40 °C bis 900 °C
    K: Chromel / Alumel® -180 °C bis 1200 °C
    S: Platin Rhodium (10%) / Platin 0 °C bis 1700 °C
    R: Platin Rhodium (13%) / Platin 0 °C bis 1700 °C
    B: Platin Rhodium (30%) / Platin-Rhodium 0 °C bis 1800 °C
    N: Nicrosil / Nisil -270 °C bis 1280 °C
    G: Wolfram / Wolfram-Rhenum (26%) 0 °C bis 2600 °C
    C: Wolfram-Rhenum (5%) Wolfram-Rhenum (26%) 20 °C bis 2300 °C
    D: Wolfram-Rhenum (3%) Wolfram-Rhenum (25%) 0 °C bis 2600 °C

     

    Der Vorzug eines bestimmten Thermoelementtyps vor einem anderen hängt stark vom Temperaturbereich ab, in dem es eingesetzt wird, aber auch von der Art der Umgebung:

    • E: Empfohlen für oxydierende oder durchgängig reaktionsträge Umgebungen.
    • J: Für luftleere, reduzierende oder reaktionsträge Räume.
    • K: Empfohlen für oxydierende oder durchgängig neutrale Umgebungen.
    • N: Kann in Anwendungen verwendet werden, in denen die Elemente vom Typ K Lebenszeitprobleme aufweisen.
    • T: Verwendbar in oxydierenden, reduzierenden oder reaktionsträgen Atmosphären sowie in luftleeren Umgebungen. Unterliegt nicht der Korrosion.
    • R & S : Empfohlen für hohe Temperaturen. Müssen in einem nicht-metallischen Schutzrohr und Isolierern aus Keramik geschützt werden. Der R-Typ wird in der Industrie verwendet, der S-Typ im Labor.
    • B: Identisch mit R&S, kann jedoch höhere Temperaturen messen.

    Vorteile:

    • Festigkeit und Stabilität bei hohen Temperaturen.
    • Zahlreiche verschiedene Möglichkeiten für Durchmesser und Ausmaße
    • Messung am Endstück bei der Heißschweißstelle.
    • sehr kurze Antwortzeit
    • preisgünstig

    NACHTEILE

    • geringere Präzision als andere Technologien
    • kostspielige Verkabelung, Kompensierung des Kaltschweißens erforderlich
    • schwaches elektrisches Signal

    Wichtige Punkte:

    • breites Temperaturspektrum
    • kurze Antwortzeit
    • Thermoelement Typ K
    • Thermoelement Typ T
  • Warum ein Temperatursensor mit Widerstand?

    Temperatursensor mit Widerstand der Marke Krohne
    Temperatursensor mit Widerstand der Marke Krohne

    Ein Temperatursensor mit Widerstand, oftmals auch RTD genannt, ist ein Kontaktsensor. Er nutzt die Widerstandsschwankungen eines Metalls (Platine, Kupfer, Nickel oder Wolfram) entsprechend der Temperatur. Dieser Sensortyp verwendet mehrere Metalle, die unterschiedliche Temperaturbereiche bieten:

    • Platin: -200 °C bis 600 °C
    • Kupfer: -190 °C bis 150 °C
    • Nickel: -60 °C bis 180 °C
    • Wolfram: -100 °C à 1400 °C

    Das für Temperatursensoren mit Widerstand am häufigsten verwendete Metall ist Platin, und dies auf Grund seiner interessanten Temperaturspanne. In diesem Fall spricht man von einem Temperatursensor mit Platin-Widerstand. Die bekanntesten sind der Pt100 (mit einem Widerstand von 100 Ohm bei 0 °C) und der Pt1000 (mit einem Widerstand von 1 000 Ohm bei 0 °C). Der Pt1000 bietet eine höhere Präzision und eine bessere Toleranz für große Kabellängen als der Pt100.

    Im Vergleich zu den Thermoelementen bieten die Sensoren mit Widerstand eine größere Präzision und die Antwort mit der größten Linearität. Sie erbringen gleichmäßigere Messungen und verfügen über ein breites Temperaturspektrum. Ihre Antwortzeit ist jedoch länger und ihre Empfindlichkeit weniger gut.

    Wichtige Punkte:

    • Präzision
    • lange Antwortzeit
    • geringe Empfindlichkeit
    • breiter Messbereich
    • Pt100
    • Pt1000
  • Warum ein Temperatursensor mit Thermistor?

    Temperatursensor mit Thermistor der Marke Omega
    Temperatursensor mit Thermistor der Marke Omega

    Thermistoren sind eine andere Form von Sensoren aber mit einem Widerstand. Sie nutzen die Schwankungen des Widerstandes aus Metalloxyden entsprechend der Temperatur. Es gibt zwei Typen von Thermistoren : die NTC (Negative Temperature Coefficients), die eine eher regelmäßige negative Widerstandsvariation haben, und die PTC (Positive Temperature Coefficients), die über einen engen Temperaturbereich eine plötzliche positive Widerstandsvariation aufzeigen. Thermistoren haben eine schnelle Antwortzeit und sind preisgünstig, aber sie sind relativ anfällig und ihr Messbereich ist deutlich begrenzter als bei den anderen Sensor-Technologien.

    Wichtige Punkte:

    • hohe Empfindlichkeit
    • gute Präzision
    • preisgünstig
    • begrenstes Temperaturspektrum
    • CTN
    • CTP
  • Warum ein Temperatursensor mit Infrarot?

    Infrarot-Temperatursensor der Marke Optris
    Infrarot-Temperatursensor der Marke Optris

    Ein Infrarot-Temperatursensor misst die Strahlung einer Oberfläche im Infrarotbereich, um daraus die Temperatur der Oberfläche abzuleiten. Der Hauptvorteil dieses Sensortyps besteht darin, dass er fernbedient arbeitet, ohne jeden Kontakt mit der angepeilten Oberfläche.

    Die Antwortzeit dieser Sensoren ist sehr kurz; im Gegensatz zu den Kontaktsensoren müssen sie sich nicht in ein thermisches Gleichgewicht bringen (dieselbe Temperatur). Diese Sensoren können somit Messungen an bewegten Objekten durchführen, z.B. an einer Produktionslinie, an Objektem mit schwierigem Zugriff im inneren eines Ofens usw.

    Sie können jedoch nur die Oberflächentemperatur des Zielobjektes messen, und die Messung kann vom Zustand dieser Oberfläche (Staub) und der Atmosphäre auf dem optischen Weg zwischen Sensor und Ziel (Staub, Feuchtigkeit, Verbrennungsgas etc.) abhängig sein.

    Wichtige Punkte:

    • berührungslos
    • fernbedient
    • Oberflächenmessung
    • sehr kurze Antwortzeit
    • bewegte Objekte
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