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Jeder kann sagen, wie ein Thermometer funktioniert – man klemmt es unter den Arm oder hält es aus dem Fenster und voilà. Es ist schade, dass so viele von uns die Temperaturmessung mit so offensichtlichen Anwendungen in Verbindung bringen, denn Temperatursensoren finden viele interessante Anwendungen – auch im Haushalt.
Was ist ein Temperatursensor?
Der wahrscheinlich am häufigsten verwendete Typ aller Sensoren – und davon gibt es wirklich viele – es sind diejenigen, die Wärme erkennen. Nehmen wir der Einfachheit halber an, es gäbe keine Kälte sondern nur die Abwesenheit von Wärme. Der Temperatursensor liefert Informationen, wenn ein bestimmter Auslöser auftritt oder wenn ein bestimmter Wert überschritten wird. Ein auf diese Weise vorbereiteter Fühler, in der Regel als kleiner Teil eines anderen Geräts, ist für die Überwachung der Temperatur auch unter schwierigsten Bedingungen nützlich. Temperatursensoren reichen von einfachen EIN/AUS-Thermostaten, die Warmwasserheizungen steuern, bis hin zu hochempfindlichen Halbleitersensoren, die beispielsweise komplexe Ofenanlagen steuern können.
Wie funktionieren die Temperatursensoren?
Zurück zur Schule für eine Weile. Die Bewegung von Molekülen und Atomen erzeugt Wärme (kinetische Energie). Temperatursensoren messen die Menge an Wärmeenergie, die von einem Objekt oder System erzeugt wird, und ermöglichen es uns, jede physikalische Veränderung dieser Temperatur zu “spüren” oder zu erkennen. Hierfür wird ein analoger oder digitaler Ausgang verwendet. Es gibt viele verschiedene Arten von Temperatursensoren, die alle je nach Anwendung unterschiedliche Eigenschaften haben. Die vier gängigsten Arten von Temperatursensoren sind:
- Thermistoren mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC)
- Widerstands-Temperaturfühler (RTD)
- Thermoelemente
- Sensoren auf Halbleiterbasis
Thermistor mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC)
Ein Thermistor ist ein wärmeempfindlicher Widerstand, der eine kontinuierliche, kleine, inkrementelle Widerstandsänderung aufweist, die mit Temperaturänderungen korreliert.
NTC-Thermistoren (eng. negative temperature coefficient thermistor) bieten einen höheren Widerstand bei niedrigen Temperaturen. Mit steigender Temperatur nimmt der Widerstand schrittweise ab. Kleine Änderungen spiegeln große Änderungen des Widerstands pro °C genau wider.
Der Ausgang des NTC-Thermistors ist aufgrund seines exponentiellen Charakters nicht linear; er kann jedoch je nach Anwendung linearisiert werden. Der effektive Betriebsbereich beträgt -50 bis 250°C für glasgekapselte Thermistoren oder 150°C für Standardthermistoren.
Widerstands-Temperaturfühler (RTD)
Bei einem Widerstandstemperaturfühler RTD (resistance temperature detector) ändert sich der Widerstand des RTD-Elements mit der Temperatur. Diese Sensoren bestehen aus einer Folie oder, für höhere Genauigkeit, aus einem Draht, der um einen Keramik- oder Glaskern gewickelt ist. Platin liefert die genauesten RTDs – Platin-RTDs bieten eine hochgenaue lineare Ausgabe von -200 bis 600 °C, sind aber deutlich teurer als Kupfer- oder Nickelmodelle.
Ein Thermoelement besteht aus zwei Drähten aus verschiedenen Metallen, die an zwei Punkten elektrisch verbunden sind. Die unterschiedliche Spannung, die zwischen den beiden ungleichen Metallen entsteht, spiegelt proportionale Temperaturänderungen wider.
Thermoelemente sind nichtlinear und erfordern bei der Verwendung zur Temperaturregelung und -kompensation eine Umrechnung mit einer Tabelle. Die Genauigkeit ist gering, von 0,5 °C bis 5 °C, aber Thermoelemente arbeiten über den größten Temperaturbereich, von -200 °C bis 1750 °C.
Halbleiter-Temperatursensor
Der Halbleiter-Temperatursensor ist in der Regel in integrierte Schaltungen (ICs) eingebettet. Diese Sensoren verwenden zwei identische Dioden mit temperaturempfindlichen Spannungs- und Stromkennlinien, die zur Überwachung von Temperaturänderungen eingesetzt werden.
Sie bieten ein lineares Ansprechverhalten, haben aber die geringste Genauigkeit unter den grundlegenden Sensortypen. Sensoren auf Halbleiterbasis haben auch die langsamste Reaktion im engsten Temperaturbereich (-70 °C bis 150 °C).
Analoge und digitale Sensoren
Eine weitere wichtige Unterscheidung. Analoge und digitale Temperatursensoren unterscheiden sich in der Art und Weise, wie sie Temperaturinformationen verarbeiten und darstellen.
Ein Analoger Temperatursensor sendet ein analoges Signal, das je nach Temperatur variiert. Je nach Ausführung des Sensors kann dies ein Spannungs-, Strom- oder Widerstandssignal sein.
Analoge Sensoren werden verwendet, wenn die Temperatur kontinuierlich und dauerhaft gemessen werden muss, z. B. in einem industriellen Prozess, bei dem eine präzise Temperaturmessung erforderlich ist.
Im Gegensatz dazu wandeln digitale Temperatursensoren das Temperatursignal in ein digitales Signal um, das leicht von einem Mikrocontroller oder Computer verarbeitet werden kann.
Digitale Sensoren sind einfacher zu handhaben als analoge, da sie in der Regel über Funktionen wie Signal-zu-Wert-Umwandlung, Fehlerprüfung und Fehlererkennung verfügen.
Temperatursensoren für den täglichen Gebrauch
Temperatursensoren sind im täglichen Leben unverzichtbar. Sie messen die von einem Objekt oder System abgegebene Wärmemenge. Mit diesen Messungen können wir die Temperaturveränderung physikalisch erfassen. Eine der wichtigsten Funktionen von Temperatursensoren ist die Prävention. Da die Temperatursensoren erkennen, wann ein fester Höchststand erreicht ist, bleibt genug Zeit, um vorbeugende Maßnahmen zu ergreifen. Feuermelder sind das beste Beispiel. Der Temperatursensor ist daher einer der wichtigsten Sensoren für Industrien wie die Petrochemie, die Automobilindustrie, die Luftfahrt, die Navigation im weitesten Sinne und nicht zuletzt die Unterhaltungselektronik.
Bleiben wir jedoch bei den Anwendungen, die jedem nahe liegen. Temperatursensoren können im täglichen Gebrauch verwendet werden. Temperatursensoren kommen in vielen Geräten wie Küchenthermometern, Klimaanlagen oder Heizungsthermostaten zum Einsatz.
Man muss kein Elektronikexperte sein, um Temperatursensoren zu verwenden. Im Falle von vorgefertigten Geräten mit Temperatursensoren entfällt in der Regel auch eine komplizierte Konfiguration oder eine schwierige Installation, und unsere Arbeit besteht lediglich darin, das Messergebnis abzulesen. Nachstehend einige Beispiele.
- Kontrolle der Raumtemperatur: Temperatursensoren werden üblicherweise in Klima- und Heizungsanlagen (intelligente Gebäude) eingesetzt, um die richtige Raumtemperatur aufrechtzuerhalten.
- Temperaturkontrolle in Autos: Temperatursensoren werden in Autos zur Überwachung von Motor-, Öl- und Kühlmitteltemperaturen eingesetzt.
- Temperaturüberwachung in elektronischen Geräten: Temperatursensoren werden in elektronischen Geräten wie Computern, Fernsehern und Telefonen eingesetzt, um zu verhindern, dass sie überhitzen und beschädigt werden.
- Überwachung der Lebensmitteltemperatur: Temperatursensoren werden in Kühl- und Gefrierschränken eingesetzt, um die Temperatur von Lebensmitteln zu überwachen und deren Verderb zu verhindern.
- Temperaturkontrolle in der Industrie: Temperatursensoren werden in der chemischen, pharmazeutischen und Lebensmittelindustrie häufig zur Überwachung von Produktionsprozessen eingesetzt.
DIY-Projekte mit Temperatursensoren
Dieser Bereich verdient einen eigenen Absatz. Temperatursensoren werden gerne in Heimwerkerprojekten wie Thermometern, Aquariensteuerungen oder Steuerungen von Bewässerungssystemen verwendet.
Ein Thermometer auf Arduino-Basis? Alles, was Sie für das Projekt benötigen, ist ein DS18B20 Temperatursensor und natürlich die Arduino-Plattform.
Ein intelligentes Bewässerungssystem? Bei diesen Projekten werden Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren eingesetzt, um die Bodenbedingungen zu überwachen und die Bewässerung der Pflanzen automatisch zu regeln.
Etwas Besonderes für Liebhaber ist ein Aquarium-Controller – Hier dient der Temperatursensor dazu, die Temperatur des Aquarienwassers zu überwachen und den Heizer automatisch so einzustellen, dass er sie hält.
Im Internet findet man sogar so merkwürdige Ideen wie ein Thermometer in einem Bleistift mit einem Sensor und einem Bluetooth-Kommunikationsmodul, das die Messwerte an ein Smartphone sendet. Und wie man weiß, besitzt jeder anständige Tüftler einen Bleistift hinter dem Ohr und eine Sammlung von Messdaten.
Eine weitere Idee ist eine Wärmebildkamera, die ein Bild der Umgebungstemperatur liefert und es auf einem Computerbildschirm anzeigt. Der Rest ist der Fantasie des Konstrukteurs überlassen, aber auf Maker- und Hacker-Seiten finden sich zahlreiche Entwürfe, die übernommen und kreativ umgestaltet werden können.
