In der Industrie ermöglicht die Temperaturüberwachung von Maschinen und Computertechnik die frühzeitige Erkennung von Fehlern und verlängert deren Lebensdauer durch die Aufrechterhaltung optimaler Temperaturen. Es gibt verschiedene Messmethoden, die jeweils unterschiedliche Vorteile bieten und für verschiedene Anwendungsbereiche geeignet sind. In diesem Artikel werden wir drei der gängigsten Methoden untersuchen: die Verwendung von Thermistoren, Thermoelementen und Infrarottechnologie (IR).
Thermistoren
Ein Thermistor ist ein Widerstand, dessen Widerstandswert sich mit der Temperatur ändert, der er ausgesetzt ist – sei es durch Umgebungsluft oder eine Oberfläche, mit der er in Kontakt steht (oder in die er sogar eingebettet ist). Diese einfachen Bauteile bestehen aus Metalloxiden, die je nach Bedarf zu einer Perle, Scheibe oder einem Zylinder gepresst und anschließend mit Epoxidharz oder Glas vergossen werden. Abhängig vom gewählten Material steigt der Widerstand mit der Temperatur – im Fall eines positiven Temperaturkoeffizienten (PTC) – oder sinkt – im Fall eines negativen Temperaturkoeffizienten (NTC). NTC-Thermistoren sind typischerweise die gebräuchlichsten Bauteile für Temperaturmessungen, während PTC-Thermistoren häufiger als Thermosicherungen eingesetzt werden.
Die Vorteile von Thermistoren liegen in ihrer einfachen Handhabung, dem geringen Preis, ihrer Robustheit und ihrem vorhersehbaren Verhalten bei Temperaturänderungen. Obwohl die Widerstandsänderung nicht linear verläuft, folgt sie einer vorgegebenen Kurve für das jeweilige Thermistormodell. Darüber hinaus sind Thermistoren sehr empfindlich und genau und weisen eine hohe Stabilität auf. Allerdings eignen sie sich nicht zur Messung großer Temperaturschwankungen und funktionieren in der Regel nur in einem relativ engen Bereich um eine festgelegte Basistemperatur. Dies, zusammen mit ihrer langsamen Ansprechzeit, kann die Anwendungsbereiche einschränken.
Abbildung 1: Beispiel einer NTC-Thermistorkurve, die den Zusammenhang zwischen Widerstand und Temperatur zeigt.
Thermistoren sind vielseitig einsetzbar und können sowohl die Umgebungstemperatur messen als auch auf Oberflächen angebracht oder in Objekte (z. B. Kühlkörper) eingesetzt werden, um dort die Temperatur zu messen. Bei der Montage auf Oberflächen oder im Inneren handelt es sich um eine invasive Messmethode, da ihre Anwesenheit die gemessene Temperatur beeinflussen kann. In der Praxis sind Thermistoren jedoch sehr klein und ihre thermische Masse minimal, was in den meisten Anwendungsfällen kein Problem darstellt.
Thermistoren können bedrahtete Bauelemente oder, häufiger, oberflächenmontierte Bauelemente (SMDs) wie der NCU15XH103D60RC , ein NTC-Bauelement mit den Abmessungen 1,0 mm x 0,5 mm. Dieser Thermistor hat einen Nennwiderstand von 10 kΩ und arbeitet in einem Temperaturbereich von -40 °C bis +125 °C. Er eignet sich für eine Vielzahl von Anwendungen, insbesondere aber zur Temperaturkompensation in elektrischen/elektronischen Schaltungen und temperaturempfindlichen Bauelementen wie Transistoren, integrierten Schaltungen und Oszillatoren. Mit dem Aufkommen batteriebasierter Technologien werden diese Thermistoren auch zur Temperaturüberwachung von Akkus während des Betriebs und des Ladevorgangs eingesetzt.
Abbildung 2: Der Murata NCU15XH103D60RC NTC-Thermistor.
Thermoelemente
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Thermoelemente aus zwei Drähten aus unterschiedlichen Metallen bestehen, die an einem Ende verbunden und am anderen getrennt sind. Temperaturänderungen am verbundenen Ende (der sogenannten „heißen“ Stelle) erzeugen am getrennten Ende (der „kalten“ Stelle) eine kleine Spannung, die proportional zur Temperaturdifferenz zwischen den beiden Stellen ist. Da Thermoelemente Differenzmessungen durchführen, muss zur Berechnung der Temperatur der heißen Stelle die Temperatur der kalten Stelle bekannt sein. Die Verwendung der Begriffe „heiß“ und „kalt“ ist zwar branchenüblich, tatsächlich kann die Temperatur der heißen Stelle jedoch niedriger sein als die der kalten Stelle. Um Verwechslungen zu vermeiden, werden die Stellen daher teilweise als „Messstelle“ und „Referenzstelle“ bezeichnet.
Thermoelemente werden durch die verwendeten Drähte, genauer gesagt durch die Materialien, aus denen diese Drähte bestehen, charakterisiert. Jedem Thermoelement ist eine Buchstabenbezeichnung zugeordnet, wobei J, K und T die gebräuchlichsten sind. Typ K besteht aus zwei Nickellegierungen – Chromel und Alumel – die Chrom, Aluminium, Mangan und Silizium enthalten. Der Zusammenhang zwischen der Temperaturdifferenz und der Spannung an der kalten Stelle wird durch den Seebeck-Koeffizienten definiert, der in V/K gemessen wird. Die Seebeck-Koeffizienten der Typen R und S sind niedrig (<10), während die der gebräuchlichsten Typen (J, K, T und E) höher sind (>40).
Der größte Vorteil von Thermoelementen liegt in ihrem extrem breiten Temperaturbereich (oft -200 bis +2500 °C), wodurch sie sich für Anwendungen von der Avionik bis zur Kryotechnik eignen. Sie sind zudem sehr robust und unempfindlich gegenüber Stößen und Vibrationen. Als passive Bauteile sind sie eigensicher und können daher in explosionsgefährdeten Bereichen mit potenziell explosiven Gasen eingesetzt werden. Thermoelemente besitzen eine geringe thermische Masse, was bedeutet, dass sie auf plötzliche Temperaturänderungen reagieren, oft in weniger als einer Sekunde. Allerdings sind sie nicht für jede Anwendung optimal: Einer ihrer größten Nachteile ist ihre sehr geringe Signalstärke. Um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern, kann eine aufwendige Signalaufbereitung erforderlich sein. Da es sich um lange Drähte handelt, können Thermoelemente anfällig für Störsignale sein. Dies lässt sich jedoch durch Verdrillen der Drähte oder durch die Verwendung von störungsabweisenden Schläuchen reduzieren. Sie können außerdem korrosionsanfällig sein. Ein weiterer wesentlicher Nachteil ist ihre geringe Präzision (typischerweise im Bereich von ±1 °C). Dies stellt ein Problem bei der Messung relativ niedriger Temperaturen dar, ist aber sehr praktisch bei der Messung von beispielsweise einem Strahltriebwerk oder einer Flamme. Darüber hinaus ist der Messwert eines Thermoelements nicht linear, obwohl die Typen J und K über signifikante (praktisch) lineare Bereiche verfügen, was einer der Gründe für ihre Beliebtheit ist.
Entwicklungsingenieure, die die Flexibilität von Thermoelementen nutzen möchten, ohne sich mit aufwendiger Signalverarbeitung auseinandersetzen zu müssen, können den MCP9600/L00 von Microchip verwenden. Dieses Gerät wird direkt an ein Thermoelement (Typ K, J, T, N, S, E, B oder R) angeschlossen und stellt die Thermoelementspannung inklusive der notwendigen Signalaufbereitung und Nichtlinearitätskorrektur bereit. Der Temperaturwert wird über einen 100-kHz-I²C-Bus (Zweidraht) übertragen. Das Gerät eignet sich ideal für batteriebetriebene IoT-Anwendungen mit einem Betriebsstrom von nur 300 A und einem Standby-Stromverbrauch von lediglich 2 A. Jede Einheit verfügt über vier integrierte Register zur Einstellung individueller Temperaturalarme.
IR-Temperaturmessung
Sowohl Thermistoren als auch Thermoelemente messen kontaktbasiert, d. h. sie müssen in Kontakt mit dem Messobjekt stehen. Dies kann unter bestimmten Umständen ein Nachteil sein und in anderen Fällen die Messwerte beeinflussen, da die Messsonde als Kühlkörper wirken kann. Die Infrarot-Temperaturmessung (IR) gewinnt in Anwendungsbereichen wie dem Gesundheitswesen und der Industrie zunehmend an Bedeutung, da sie präzise, zuverlässig und robust ist. Ihre Funktionsweise basiert auf der Tatsache, dass alle Körper Wärmestrahlung abgeben, und auf dem Stefan-Boltzmann-Gesetz (das besagt, dass die von einem schwarzen Körper pro Flächeneinheit abgegebene Energie proportional zur vierten Potenz seiner Temperatur ist).
Ein Thermosäulensensor nutzt eine dünne, wärmeisolierte Membran, die in Reihe mit mehreren Miniatur-Mikrothermoelementen geschaltet ist. Aufgrund der geringen Wärmekapazität der Membran erwärmt sie sich schnell und ermöglicht so kontinuierliche Messungen. Ein Referenzthermistor ermittelt die Temperatur der kalten Stelle und liefert daraus einen absoluten Temperaturmesswert. SMEM-Strukturen werden häufig verwendet, um die Sensoren zu miniaturisieren und in tragbare Geräte (wie z. B. Mobiltelefone) zu integrieren.
Eines der Geräte, das kürzlich auf dieser Technologie basiert, ist der miniaturisierte, berührungslose Infrarotsensor Melexis MLX90632. Er ist werkseitig für Umgebungstemperaturen zwischen -20 und 85 °C und Objekttemperaturen zwischen -20 und 200 °C kalibriert. Die gemessene Temperatur ist der Mittelwert aller Werte innerhalb des 50°-Sichtfelds des Sensors. Dieses Melexis-Gerät verfügt über ausgefeilte Kompensationsalgorithmen, um die Genauigkeit der Ergebnisse zu gewährleisten. Der ultrakleine Sensor enthält eine Thermosäule zur Messung der Objektenergie sowie ein Sensorelement, das die eigene Temperatur des Sensors erfasst. Beide Messwerte werden verstärkt, digitalisiert und digital gefiltert, bevor sie im Arbeitsspeicher (RAM) gespeichert und anschließend über die I²C-Schnittstelle.
Zusammenfassung
Obwohl die Temperatur auf den ersten Blick einfach erscheint, ist sie einer der wichtigsten Messparameter. Sie spielt eine entscheidende Rolle bei der Überwachung unserer Umgebung, der Bewertung der Maschinenleistung und auch im Gesundheitswesen. Dieser kurze Überblick über die verschiedenen Methoden und Geräte zur Temperaturregelung (mit ihren jeweiligen Vor- und Nachteilen) hilft Ingenieuren, die optimale Methode für ihre spezifische Anwendung auszuwählen.
