Die meisten Temperatursensoren arbeiten thermoresistiv, d.h. sie ändern ihren ohmschen Widerstand in Abhängigkeit der Temperatur. Den typischen Kennlinienverlauf der drei gebräuchlichsten Sensorarten hierbei zeigt Bild 125.

Die links aufgeführte Kennlinie gehört zu sog. Metallwiderstandsthermometern. Sie basieren auf dem mit steigender Temperatur größer werdenden Widerstand aller Metalle. Dies hängt mit der steigenden Anzahl an Elektronenzusammenstößen ab, die aus den bei höherer Temperatur ausgeprägteren Schwingungen der Elektronen resultieren. Deren mittlere Beweglichkeit nimmt hierbei ab. Aufgrund der starken Verbreitung derartiger Sensoren wurden vor längerer Zeit bereits die relevanten Typen international standardisiert. Der am häufigsten eingesetzte Typ ist der sog. Pt-100. „Pt“ steht für Platin als Baumaterial; „100“ besagt, dass er bei 0 °C exakt 100 Ω besitzt. Mit steigender Temperatur nimmt der Widerstand in sehr guter Näherung linear zu. Andere verbreitete Typen sind Pt-1000 und Ni-100. In den entsprechenden internationalen Normen finden sich die exakten, nichtlinearen Kennlinien, die man typischerweise für Auswertungen in nachgeordneter Messelektronik bzw. Software heranzieht. Für Platin-basierte Temperatursensoren ist dies die IEC 60751 (bzw. EN 60751 als europäisches Pendant). Die Domäne des Pt-100 ist der Einsatz als installationsfertiger Sensor im Maschinenbau sowie in verfahrenstechnischen Anlagen.

Bild 125: Kennlinien resistiver Temperatursensoren

Die mittlere Kennlinie im Bild entstammt einem sog. Heißleiter. Er ist auch unter der Abkürzung NTC (Negative Temperature Coefficient) bekannt, was bereits den abfallenden Kennlinienverlauf andeutet. NTCs bestehen aus gesinterten und dotierten Metalloxiden. Wie bei allen Halbleitern vergrößert sich mit steigender Temperatur die Anzahl der freien Ladungsträger, was sich in einem fallenden Widerstand ausdrückt. Der Zusammenhang ist exponentiell. NTCs werden sehr häufig als elektronisches Bauelement direkt auf der Elektronikplatine verbaut und finden sich dabei z.B. in Stückzahlanwendungen im Consumer- und Automotive-Bereich. Der genaue Kennlinienverlauf ist typspezifisch. Es werden übrigens auch PTCs (Positive Temperature Coefficient, Kaltleiter) angeboten. Diese basieren auf einem ganz anderen Effekt mit bei Überschreitung einer bestimmten Grenztemperatur abrupt und sehr steil ansteigendem Widerstand. Damit lässt sich keine Temperaturmessung sinnvoll realisieren, PTCs werden praktisch ausschließlich als Temperaturgrenzwertdetektoren eingesetzt.

Rechts in Bild 125 schließlich ist eine typische Kennlinie eines Silizium-Tem-peratursensors dargestellt. Die englische Bezeichnung „Spreading Resistance“ weist auf die typische Bauart der mit n-dotiertem Silizium ausgeführten Sensorelemente hin. Von einem kleinen Kontaktbereich auf einer Seite des Elements weitet sich eine Raumladungswolke zur gegenüberliegenden Metallisierungsfläche aus. Ausgenutzt wird die Verminderung der Beweglichkeit der freien Ladungsträger bei ansteigender Temperatur, was einen leicht quadratischen Anstieg des Widerstands zur Folge hat. Auch hier realisiert jeder Hersteller unterschiedliche Kennlinien. Bezogen auf die typischen Anwendungen konkurriert der Silizium-Temperatursensor oftmals mit NTCs.

Speziell für die Messung hoher Temperaturen von mehreren hundert °C eignen sich thermoresistive Sensoren nicht mehr. Ihre Messbereiche enden je nach Typ und Bauform meist darunter. In diesen Temperaturregionen haben sich seit langem sog. Thermoelemente als sehr robuste Sensoren durchgesetzt. Wie im Bild 126 gezeigt, besteht ein Thermoelement lediglich aus zwei Drähten unterschiedlicher Metalle A und B, die an einem Punkt miteinander verbunden sind. Die Verbindung kann z.B. durch Verdrillen oder Schweißen erfolgen.

Bild 126: Messaufbau mit Thermoelement

Fertige Thermoelemente bestehen in der Tat nur aus einer solchen Anordnung zweier Drähte, ggf. noch ergänzt um z.B. ein Schutzrohr und/oder einen Stecker (dessen Kontakte aus denselben Materialien A und B bestehen). Ein Anwender kann jedoch auch Drahtrollen mit diesen Materialien kaufen, um selbst ein Thermoelement zu gestalten. Wie wir gleich noch sehen werden, erzeugen Thermoelemente eine relativ kleine Messspannung in Abhängigkeit der Temperatur an der Kontaktstelle, die über einen Spannungsmesseingang erfasst wird. Kann das Thermoelement nicht direkt angeschlossen werden, so sind Drähte aus identischen Materialien A und B für die Verdrahtung zu verwenden bzw. auch sog. Ausgleichsleitungen. Letztere bestehen aus kostengünstigeren Materialien, die jedoch annähernd die gleichen thermoelektrischen Eigenschaften wie A und B selbst aufweisen.

Womit wir bereits beim zugrunde liegenden thermoelektrischen Messeffekt (auch Seebeck-Effekt) wären: Dieser besagt, dass an der Kontaktstelle zweier unterschiedlicher leitfähiger Materialien eine linear von der Absoluttemperatur T (in K) abhängige Thermospannung erzeugt wird. Der Proportionalitätsbeiwert (auch Empfindlichkeit) hierbei hängt ausschließlich von der Materialkombination ab. An der Kontaktstelle in Bild 126 entsteht also eine Spannung UAB gemäß

(Formel 219)

Bedingt durch den zwangsweisen Übergang auf andere Leitermaterialien am Spannungsmesseingang – i.d.R. ist dies Kupfer (Cu) – können wir jedoch UAB nicht direkt messen, sondern nur zusammen mit den an den beiden Messeingangskontakten ebenfalls entstehenden Thermospannungen:

(Formel 220)

TV heißt auch Vergleichsstellentemperatur, da sie in das Messergebnis ebenfalls einfließt.

Man kann zeigen, dass sich ein beliebiges kXY auch als Differenz zweier einzelner Koeffizienten schreiben lässt, die sich jeweils auf ein drittes Metall – wofür in der Physik üblicherweise Platin (Pt) verwendet wird – beziehen:

(Formel 221)

Hiermit lässt sich (220) entwickeln zu:

(Formel 222)

Mit der naheliegenden Annahme

(Formel 223)

kann man dies abschließend umformen zu:

(Formel 224)

Die Messspannung U hängt also nur noch ab von der Materialkombination A-B (und nicht mehr vom Leitermaterial Cu) sowie der Differenz aus Kontaktstellentemperatur ϑ und Vergleichsstellentemperatur ϑV. ϑV muss deshalb zwangsweise an der Kontaktstelle beim Messeingang typischerweise mit einem thermoresistiven Sensor mit gemessen werden, um über (224) die eigentlich interessierende Temperatur ϑ ermitteln zu können. Alternativ sind auch z.B. brückenbasierte Korrekturschaltungen denkbar. Aus diesem Grund werden für Thermoelemente meist darauf spezialisierte Messeingänge verwendet, die über diese sog. Vergleichsstellenkompensation bereits verfügen.

Ähnlich der Metallwiderstandsthermometer sind Thermoelemente international standardisiert (IEC 60584 bzw. EN 60584). Die üblicherweise verwendeten Materialkombinationen sind darin mit einem Buchstaben als Typkennzeichner abgekürzt. Am häufigsten verwendet werden NiCr-Ni (Typ K), Fe-CuNi (Typ J) und PtRh-Pt (Typen R und S). Zum Typ K zeigt Bild 127 die Kennlinie bei einer Vergleichsstellentemperatur von 0 °C.

Bild 127: Kennlinie eines Thermoelements

Im Bild vermerkt ist auch die für Thermoelemente typischerweise recht kleine Empfindlichkeit, hier speziell zur Materialkombination NiCr-Ni (Typ K). Aus diesem Grund sollten Thermoelemente nicht bei niedrigeren Temperaturen, z.B. zur Messung der normalen Raumlufttemperatur, herangezogen werden.

Speziell bei der Realisierung von Thermoelementen in MEMS-Technologie wird häufig eine Serienschaltung vieler Thermoelemente gemäß Bild 128 verwendet. Man spricht dann von einer Thermosäule bzw. einem Thermopile. Die erzeugten Thermospannungen addieren sich dann zu einer größeren, was die Empfindlichkeit der Anordnung entsprechend erhöht. Hochintegrierte Strukturen mit teilweise tausenden in Serie geschalteten Thermoelementen werden in einem ganz anderen technischen Bereich, dem sog. Energy Harvesting, übrigens auch zur Gewinnung zumindest kleiner Mengen elektrischer Energie aus z.B. der Umgebungswärme oder auch der Abgaswärme eines Verbrennungsmotors eingesetzt.

Bild 128: Thermopile

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