Temperaturmessung

Temperatur überwachen: Mit Thermistor, Thermolelemente oder IR-Technik?

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Thermoelement erfasst einen breiten Temperaturbereich

Ein Thermoelement erfasst einen breiten Temperaturbereich von -200 bis 2.500 °C. Damit lassen sie sich von der Avionik bis zur Kryotechnik einsetzen. Sie sind außerdem robust und werden weder durch Stöße noch durch Vibrationen beeinträchtigt. Als passive Geräte sind sie eigensicher und eignen sich für gefährlichen Umgebungen. Beispielsweise dort, wo explosive Gase vorhanden sind. Thermoelemente haben eine geringe thermische Masse und reagieren daher rasch auf sich schnell ändernde Temperaturen, oft in weniger als einer Sekunde.

Sie sind jedoch nicht für alle Anwendungen geeignet. Ein Problem ist der von ihnen nur sehr niedrige Signalpegel. Deshalb ist eine aufwendige Signalaufbereitung eventuell erforderlich sein, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Da es sich bei Thermoelementen um lange Drähte handelt, reagieren sie auf Einstreuungen. Das lässt sich durch Verdrillung der Drähte oder Verlegung in einer abgeschirmten Leitung reduziert.

Thermolelemente sind anfällig für Korrosion und bei der Temperaturermittlung mit typischerweise etwa ±1 °C nicht sehr genau. Das ist problematisch bei niedrigen Temperaturen, aber ausreichend wenn es sich beispielsweise um ein Düsentriebwerk oder eine Flamme handelt. Außerdem ist der Ausgang eines Thermoelements nicht linear, obwohl die Typen J und K signifikante (fast) lineare Bereiche aufweisen.

Möchte ein Entwickler die Flexibilität von Thermoelementen nutzen ohne dabei zu viel in die Signalverarbeitung investieren, bietet sich der MCP9600/L00 von Microchip an. Das Bauelement lässt sich direkt an ein Thermoelement der Typen K, J, T, N, S, E, B oder R anschließen lassen. Außerdem bieten die Elemente alle erforderlichen Signalaufbereitungs- und Nichtlinearitätskorrekturen für die Thermoelementspannung. Für den Temperaturwert gibt es einen Zweidraht-I²C-Bus mit 100 kHz. Das Bauelement eignet sich für batteriebetriebene Anwendungen mit einem Betriebsstrom von nur 300 µA und einer Stromaufnahme von nur 2 µA im Abschaltmodus. Jedes Gerät verfügt über vier Register, mit denen individuelle Temperaturwarnungen eingestellt werden können.

IR-Temperaturmessung erfassen Wärmestrahlung

Sowohl Thermistoren als auch Thermoelemente sind Kontaktmessinstrumente. Sie müssen direkt mit dem Messobjekt in Kontakt stehen. Das kann unpraktisch sein oder sogar das Messergebnis beeinträchtigen. Denn der Messfühler ist der Kühlkörper. Hier eignet sich die IR-Temperaturmessung. Eingesetzt wird sie in medizinischen und industriellen Anwendungen. Sie arbeiten genau und zuverlässig. Außerdem sind sie robust. Sie funktionieren nach dem physikalisches Prinzip, dass jeder Gegenstand Wärmestrahlung aussendet. Sie machen sich das Stefan-Boltzmann-Gesetz zunutze. Hier ist pro Flächeneinheit eines schwarzen Körpers die abgestrahlte Energie proportional zur vierten Potenz seiner Temperatur.

Ein Thermosäulen-Sensor verwendet eine dünne, thermisch isolierte Membran, die mit mehreren Mikro-Miniatur-Thermoelementen in Reihe geschaltet ist. Da die Membran eine geringe thermische Masse hat, erwärmt sie sich schnell und erlaubt die Messung. Ein Referenzthermistor bestimmt die Temperatur der Vergleichsstelle, sodass eine absolute Temperatur ermittelt werden kann. Für den Einbau der Sensoren in tragbare Geräte werden häufig MEMS-Strukturen verwendet.

Der berührungslose Miniatur-IR-Sensor MLX90632 von Melexis ist werkseitig für Umgebungstemperaturen zwischen -20 und 85 °C und Objekttemperaturen zwischen -20 und 200 °C kalibriert. Die gemessene Temperatur ist ein Durchschnittswert für alles, was sich innerhalb des 50°-Erfassungsbereichs (FoV) des Sensors befindet. Der Sensor enthält Kompensationsalgorithmen. Damit lässt sich stets ein genaues Ergebnis ermitteln. Der Sensor verfügt über eine Thermosäule, welche die vom Objekt abgestrahlte Energie erfasst. Ein Sensorelement erfasst das Temperaturniveau des Sensors selbst. Beide Messwerte werden verstärkt, digitalisiert und digital gefiltert, bevor sie im RAM gespeichert und über die I²C-Kommunikationsschnittstelle für das übergeordnete System bereitgestellt werden.

* Mark Patrick ist Supplier Marketing Manager bei Mouser Electronics in Mansfield (USA).

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