Science Corner: Der Temperatursensor

Science Corner: Der Temperatursensor

This entry is part 2 of 2 in the series Science Corner

Heute geht es um den Bereich Temperaturmessung. Jeder kennt dies von zu Hause, z. B. das Thermometer draußen im Garten, die digitale Wetterstation im Wohnzimmer oder das Bratenthermometer in der gut ausgestatten Küche. Auch in vielen Geräten, die wir im Alltag benutzen, sind Sensoren zur Temperaturmessung verbaut: Im Backofen, in der Spül- oder Waschmaschine, im eigenen Auto. Die Temperatur wird dabei durch unterschiedliche Typen von Temperatursensoren oder -fühlern gemessen, die je nach Einsatzzweck – hauptsächlich den Temperaturbereichen – unterschiedliche Bau- und Funktionsweisen inne haben.Die gängigsten Temperaturfühler sind Thermoelemente und Sensoren, die Temperaturen auf Basis von elektrischem Widerstand messen. Letztere unterscheiden sich nochmals in Thermistoren und Widerstandsthermometer (auch abgekürzt als RTD).

 

Eigenschaften der verschiedenen Sensoren

Thermoelemente werden hauptsächlich bei Temperaturen zwischen -200 und +1250 °C eingesetzt und führen eine vergleichende Messung aus. Dazu verfügt das Thermoelement über eine Messstelle und eine Vergleichstelle, mithilfe derer eine Thermospannung ermittelt wird. Diese Thermospannung stellt die Differenz zwischen dein beiden Messpunkten dar. Nun muss nur vom Wert der Messtelle mithilfe des Differenzwertes die absolute, gemessene Temperatur berechnet werden – also Summe aus Wert der Messstelle und dem Differenzwert.

RTDs oder Widerstandsthermoter und Thermistoren sind sich zwar sehr ähnlich in der Funktionsweise, unterscheiden sich aber dennoch in ihren Eigenschaften. RTDs bestehen zum Beispiel aus reinen Metallen (häufig Platin), sind daher teurer und werden dadurch auch eher in industriellen Bereichen eingesetzt. Gerade für den industriellen Einsatz ist es von Vorteil, dass RTDs in höheren Temperaturbereichen (bis zu 600 °C) arbeiten können und auch von der Bauart her stabiler sind.

Thermistoren, hingegen bestehen aus Metalloxidmischungen oder Halbleitern und haben mitunter eine höhere Genauigkeit als RTDs. Da sie auch mit längeren Anschlusskabeln umgehen und nur niederigere Temperaturbereiche bis 250 °C (die Temperatur, die manche Backöfen gerade noch so schaffen) abdecken können, werden sie eher im alltäglichen Gebrauch verwendet. Häufig finden Thermistoren Anwendung in Laboren, wo Sensoren in Kühl- oder Gefrierschränke über ein entsprechend langes Kabel eingeführt werden.

Funktionsweise von RTDs und Thermistoren

Die Sensoren, die wir im Shop zur Temperaturmessung anbieten, lassen sich hauptsächlich in diese beiden Kategorien aufteilen. Wenn man hier in die elektrotechnische Betrachtung geht, dann sieht es so aus:

RTDs sind sogenannte Kaltleiter (PTC) und erhöhen Ihren elektrischen Widerstand bei Temperaturerhöhung. Werden Platinmesswiderstände wie pt100 oder pt1000 eingesetzt, dann ist der Widerstandsverlauf nahezu linear zur Temperatur. Pt100-Sensoren bieten wir z. B. für die Produkte von TinkerForge an: TinkerForge Temperaturfühler pt100 2-Leiter.
Thermistoren hingegen werden Heißleiter (NTC) genannt und verringern ihren elektrischen Widerstand bei Temperaturerhöhung. Da bei Heißleitern die Linearität ein Problem darstellt, können diese nur in eingeschränkteren Temperaturbereichen genutzt werden. Zu diesen Heißleitern, die auf Halbleitermaterial-Basis arbeiten, gehört z. B. folgender Sensor aus dem Hause HW group: HW group Sensor HTemp-1Wire 3m.

Um nun das Sensorsignal weiterleiten und auswerten zu können, wird ein Messumformer genutzt, der ein standardisiertes Signal erzeugt. Dies wären im Falle von HW group z. B. das STE oder das STE2. Auch mathematisch lässt sich die Änderung des Widerstands in Abhängigkeit zur Temperatur darstellen: ΔR = k * ΔT

Bei Fragen rund um die Hardware aus unserem Shop helfen wir gerne persönlich weiter – wir sind erreichbar per Mail oder telefonisch unter der 0911 92885-44. Wer uns gerne bei der Arbeit ein bisschen über die Schulter schauen oder den Shop und die angebotenen Produkte verfolgen möchte, kann uns seit kurzem auch auf Twitter folgen – über @NetwaysShop twittert das NETWAYS Shop Team!

Nicole Frosch
Nicole Frosch
Sales Engineer

Ihr Interesse für die IT kam bei Nicole in ihrer Zeit als Übersetzerin mit dem Fachgebiet Technik. Seit 2010 sammelt sie bereits Erfahrungen im Support und der Administration von Storagesystemen beim ZDF in Mainz. Ab September 2016 startete Sie Ihre Ausbildung zur Fachinformatikerin für Systemintegration bei NETWAYS, wo sie vor allem das Arbeiten mit Linux und freier Software reizt. In ihrer Freizeit überschüttet Sie Ihren Hund mit Liebe, kocht viel Gesundes, werkelt im Garten, liest...

Science Corner: Kick-Off

This entry is part 1 of 2 in the series Science Corner

Das Team vom Shop möchte Euch hier zu einer neuen Blog-Serie herzlich einladen: Die Science Corner!

 

Um was soll es gehen?

Gerne möchten wir hier mal ein bisschen schauen, was denn eigentlich in den Geräten und Sensoren steckt, die wir in Rechenzentren, Laboren und vielen anderen Bereichen einsetzen und welche elektrotechnischen und physikalischen Geheimnisse sich dahinter verbergen. Quasi ein “Wie geht das?” für die Produkte, die wir im Shop anbieten und mit denen nicht nur wir, sondern eine Vielzahl von Kunden jeden Tag arbeiten.

 

Welche Themen stehen auf dem Plan?

In den ersten Beiträgen möchten wir gerne mal bei Temperatur- und Luftfeuchtigkeitssensoren hinschauen. Des Weiteren finden wir auch die Funktionsweise von Rauch- oder Bewegungsmeldern sehr interessant. Vielleicht habt Ihr Euch ja auch schon immer mal gefragt, was in einem Modem passiert und wie da auf einmal SMS rauskommen. Fragen über Fragen, die wir versuchen werden zu beantworten!

 

Einführung

Da wir hier jedoch nicht nur eine Ankündigung machen wollen, sondern uns auch gleich im ersten Teil ein bisschen in der Thematik umsehen möchten, werfen wir doch einfach mal einen Blick auf ein paar Basics. Hier kann man schonmal vorausnehmen, dass Temperatursensoren mit Widerständen und Spannungsunterschieden bzw. Luftfeuchtigkeitssensoren z. B. auf Basis von Kapazitäten hygroskopischer Materialien arbeiten. Doch wer erinnert sich noch wirklich an den Physikunterricht in der Schule und kann sicher sagen, wie sich solche Werte definieren und berechnen lassen? Daher steigen wir doch einfach mal an diesem Punkt ein.

Jede Größe wie Spannung oder Kapazität werden grundsätzlich zusammen mit einer der sieben SI-Einheiten (dem internationalen Einheitensystem) oder mit einer Einheit, die sich aus diesen Basiseinheiten ableiten lässt, angegeben und haben zusätzlich auch ein Formelzeichen:

  • Stromstärke: Formelzeichen I, SI-Einheit Ampere (I = 11 A)
  • Spannung: Formelzeichen U, Einheit Volt (U = 24 V)
  • Ladung: Formelzeichen Q, Einheit Coulomb (Q = 2 C)
  • Kapazität: Formelzeichen C, Einheit Farad (C = 1 F)
  • Widerstand: Formelzeichen R, Einheit Ohm (R = 3 Ω)
  • Leistung: Formelzeichen P, Einheit Watt (P = 250 W)

SI-Einheiten

Bildquelle: Von International Bureau for Weights and Measures – https://www.bipm.org/utils/common/pdf/si-brochure/SI-Brochure-9.pdf, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=83239668

 

Um mit diesen Größen arbeiten und rechnen zu können – so wie es z. B. die obengenannten Sensoren machen – muss man diese allerdings auch in Zusammenhang zueinander bringen. Hier kommen wieder unsere aus der Schule bekannten Formeln ins Spiel:

  • Spannung: U = I * R
  • Ladung: Q = I * t (für einen zeitlich konstanten Strom)
  • Kapazität: C = Q / U
  • Widerstand: R = U / I
  • Stromstärke: I = U / R
  • Leistung: P = U / I

 

Hiermit haben wir bereits einiges an Werkzeug in der Hand, mit dem wir uns bereits recht gut mit dem Innenleben verschiedener Sensoren befassen können. Gerne kann hier auch auf die gute, alte und analoge Physik-Formelsammlung zurückgegriffen werden. Ansonten empfiehlt sich auch das Online-Nachschlagewerk Elektronik Kompendium. Wer bei den Rechenregeln bzgl. der Umstellung von Gleichungen nicht mehr so fit ist, kann hier Unterstützung finden: physikunterricht-online.de

Bei Fragen rund um die Hardware aus unserem Shop helfen wir gerne persönlich weiter – wir sind erreichbar per Mail oder telefonisch unter der 0911 92885-44. Wer uns gerne bei der Arbeit ein bisschen über die Schulter schauen oder den Shop und die angebotenen Produkte verfolgen möchte, kann uns seit kurzem auch auf Twitter folgen – über @NetwaysShop twittert das NETWAYS Shop Team!

Nicole Frosch
Nicole Frosch
Sales Engineer

Ihr Interesse für die IT kam bei Nicole in ihrer Zeit als Übersetzerin mit dem Fachgebiet Technik. Seit 2010 sammelt sie bereits Erfahrungen im Support und der Administration von Storagesystemen beim ZDF in Mainz. Ab September 2016 startete Sie Ihre Ausbildung zur Fachinformatikerin für Systemintegration bei NETWAYS, wo sie vor allem das Arbeiten mit Linux und freier Software reizt. In ihrer Freizeit überschüttet Sie Ihren Hund mit Liebe, kocht viel Gesundes, werkelt im Garten, liest...