Einführung in Temperatursensoren: Thermistoren, Thermoelemente, RTDs und Thermometer-ICs

Erfahren Sie mehr über verschiedene Arten von Temperatursensoren und deren Vor- und Nachteile.

Temperatursensoren gehören zu den am häufigsten verwendeten Sensoren. Alle Arten von Geräten verwenden Temperatursensoren, darunter Computer, Autos, Küchengeräte, Klimaanlagen und (natürlich) Heimthermostate. Zu den fünf häufigsten Arten von Temperatursensoren gehören:

In diesem Artikel erhalten Sie eine kurze Einführung in jeden der aufgeführten Sensortypen.

Wie der Name schon sagt, ist der Thermistor (d. h.thermnichtsistor) ist ein Temperatursensor, dessen Widerstand von der Temperatur abhängt.

Thermistoren sind in zwei Typen erhältlich: PTC (positiver Temperaturkoeffizient) und NTC (negativer Temperaturkoeffizient). Der Widerstand eines PTC-Thermistors steigt mit steigender Temperatur. Im Gegensatz dazu nimmt der Widerstand eines NTC-Thermistors mit steigender Temperatur ab, und dieser Typ scheint der am häufigsten verwendete Thermistor zu sein. Siehe Abbildung 1 unten.

Es ist wichtig zu wissen, dass die Beziehung zwischen dem Widerstand eines Thermistors und seiner Temperatur sehr nichtlinear ist, wie in Abbildung 2 dargestellt.

Die Standardgleichung für den Widerstand eines NTC-Thermistors als Funktion der Temperatur lautet:

$$R_T=R_{25C}\cdot e^{\left\{\beta\left[\left(1/\left(T+273\right)\right)-\left(1/298\right)\ rechts]\rechts\}}$$

Wo:

R25C ist der Nennwiderstand des Thermistors bei Raumtemperatur (25 °C). Dieser Wert wird normalerweise im Datenblatt angegeben.

β (Beta) ist die Materialkonstante des Thermistors in Kelvin. Dieser Wert wird normalerweise im Datenblatt angegeben.

T ist die tatsächliche Temperatur des Thermistors in Celsius.

Es gibt jedoch zwei einfache Techniken zur Linearisierung des Verhaltens eines Thermistors, nämlich den Widerstandsmodus und den Spannungsmodus.

Bei der Widerstandsmodus-Linearisierung wird ein normaler Widerstand parallel zum Thermistor geschaltet. Wenn der Wert des Widerstands derselbe ist wie der des Thermistors bei Raumtemperatur, ist der Linearisierungsbereich symmetrisch um die Raumtemperatur. Siehe Abbildung 3 unten.

Bei der Spannungsmodus-Linearisierung hingegen wird der Thermistor in Reihe mit einem normalen Widerstand geschaltet, wodurch eine Spannungsteilerschaltung entsteht. Die Spannungsteilerschaltung muss mit einer bekannten, festen und stabilen Spannungsreferenz VREF verbunden sein.

Diese Konfiguration hat den Effekt, dass eine Ausgangsspannung erzeugt wird, die einigermaßen linear über die Temperatur verläuft. Wenn der Widerstandswert wie bei der Widerstandsmoduslinearisierung dem Widerstandswert des Thermistors bei Raumtemperatur entspricht, ist der Linearisierungsbereich symmetrisch um die Raumtemperatur (Abbildung 4).

Thermoelemente werden üblicherweise zur Messung höherer Temperaturen und größerer Temperaturbereiche verwendet.

Um die Funktionsweise von Thermoelementen zusammenzufassen: Jeder Leiter, der einem Wärmegradienten ausgesetzt ist, erzeugt eine kleine Spannung. Dieses Phänomen ist als Seebeck-Effekt bekannt. Die Größe der erzeugten Spannung hängt von der Art des Metalls ab. Praktische Anwendungen des Seebeck-Effekts umfassen zwei unterschiedliche Metalle, die an einem Ende verbunden und am anderen Ende getrennt werden. Die Temperatur der Verbindungsstelle kann über die Spannung zwischen den Drähten am Nicht-Verbindungsende bestimmt werden.

Es gibt verschiedene Arten von Thermoelementen. Bestimmte Kombinationen von Legierungen sind populär geworden, und die gewünschte Kombination wird von Variablen wie Kosten, Verfügbarkeit, chemischen Eigenschaften und Stabilität bestimmt. Verschiedene Typen eignen sich am besten für unterschiedliche Anwendungen und werden üblicherweise auf der Grundlage des erforderlichen Temperaturbereichs und der erforderlichen Empfindlichkeit ausgewählt.

Abbildung 5 zeigt ein Diagramm der Thermoelementeigenschaften.

Widerstandstemperaturdetektoren, auch Widerstandsthermometer genannt, sind möglicherweise der am einfachsten zu verstehende Temperatursensor. RTDs ähneln Thermistoren darin, dass sich ihr Widerstand mit der Temperatur ändert. Anstatt jedoch ein spezielles Material zu verwenden, das empfindlich auf Temperaturänderungen reagiert – wie bei einem Thermistor – verwenden RTDs eine Drahtspule, die um einen Kern aus Keramik oder Glas gewickelt ist.

Der RTD-Draht besteht aus reinem Material, typischerweise Platin, Nickel oder Kupfer, und das Material weist eine genaue Widerstands-Temperatur-Beziehung auf, die zur Bestimmung der gemessenen Temperatur verwendet wird.

Anstatt einen Thermistor und einen Festwertwiderstand in einer Spannungsteilerschaltung zu verwenden, wäre eine alternative Lösung ein analoger Niederspannungstemperatursensor, wie der TMP36 von Analog Devices. Im Gegensatz zu einem Thermistor liefert dieser analoge IC eine nahezu lineare Ausgangsspannung; Die Steigung beträgt 10 mV/°C über einen Temperaturbereich von -40 bis +125 °C und ist auf ±2 °C genau. Siehe Abbildung 6 unten.

Obwohl diese Geräte äußerst einfach zu bedienen sind, sind sie erheblich teurer als eine Kombination aus Thermistor und Widerstand.

Digitale Temperaturgeräte sind komplexer, können aber sehr genau sein. Außerdem können sie Ihr Gesamtdesign vereinfachen, da die Analog-Digital-Umwandlung innerhalb des Thermometer-IC statt in einem separaten Gerät wie einem Mikrocontroller erfolgt. Der DS18B20 von Maxim Integrated hat beispielsweise eine Genauigkeit von ±0,5 °C und einen Temperaturbereich von -55 °C bis +125 °C.

Außerdem können einige digitale ICs so konfiguriert werden, dass sie Energie aus ihrer Datenleitung gewinnen, sodass sie mit nur zwei Drähten (dh Daten/Strom und Masse) verbunden werden können. Klicken Sie hier für weitere Informationen zu dieser „1-Wire“-Schnittstelle.

Tabelle 1 unten zeigt einen Vergleich zwischen den verschiedenen besprochenen Temperatursensoren. Bedenken Sie jedoch, dass diese Informationen als Verallgemeinerung verstanden werden sollten. Die Tabelle richtet sich in erster Linie an Personen, denen umfangreiche Erfahrungen und/oder Kenntnisse im Bereich Temperatursensoren fehlen.

Das ausgewählte Bild wurde mit freundlicher Genehmigung von W11 Stop verwendet