Temperatursonden

Wie wählen Sie den richtigen Temperatursensortyp aus?

Die Auswahl eines Temperatursensors für Ihre Anwendung kann eine überaus komplexe Aufgabe sein. Das aktuelle Sortiment an Sensoren auf dem Markt ist breiter als je zuvor. Da ist es leicht, den Überblick zu verlieren, wenn Sie nicht mit Kalibrierungen vertraut sind.

In diesem Artikel werden die Unterschiede zwischen den drei wichtigsten Arten von Temperatursensoren erläutert: Thermoelemente, RTDs und Thermistoren. Nach der Lektüre werden Sie die Vor- und Nachteile jedes Sensors verstehen und wissen, wie Sie diesen erkennen. Mit diesem neuen Wissen können Sie dann den für Ihre Anwendung am besten geeigneten Temperatursensor auswählen.

Drei Arten von Temperatursensoren

Wie alle Technologien haben sich auch Temperatursensoren im Laufe der Jahre erheblich weiterentwickelt. Heute werden in der gesamten Branche drei Haupttypen verwendet.

Thermoelemente

Ein Thermoelement besteht aus zwei Metalldrähten, die eine Spannung proportional zur an der Messstelle vorhandenen Temperatur erzeugen. Es gibt viele spezielle Thermoelemente aus unterschiedlichen Kombinationen von Metallen, die verschiedene Eigenschaften und Temperaturbereiche messen und spezielle Kalibrierungen ermöglichen. Widerstandstemperaturfühler (Resistance Temperature Detectors, RTDs) Ein RTD-Sensor misst die Temperatur basierend auf den Veränderungen des Widerstands in einem Metallwiderstand im Inneren. Die beliebtesten RTDs sind PT100-Sensoren, in denen ein Platin-Widerstand mit 100 Ohm bei 0 °C zum Einsatz kommt.

Thermistoren

Ein Thermistor ähnelt einem RTD, enthält jedoch einen Keramik- oder Polymerwiderstand anstelle von Metall.

Sensortyp	Thermistor	RTD
Temperaturbereich (typisch)	-100 bis 325 °C	-200 bis 650 °C
Genauigkeit (typisch)	0,05 bis 1,5 °C	0,1 bis 1 °C
Langfristige Stabilität bei 100 °C	0,2 °C/Jahr	0,05 °C/Jahr
Linearität	exponentiell	relativ linear
Stromversorgung erforderlich	Konstantspannung oder -strom	Konstantspannung oder -strom
Ansprechzeit	schnell 0,12 bis 10 s	insgesamt langsam 1 bis 50 s
Anfälligkeit für elektrisches Rauschen	selten anfällig nur hoher Widerstand	selten anfällig
Kosten	gering bis moderat	hoch

Vergleich von Thermoelementen, RTDs und Thermistoren

Die Eignung der einzelnen Sensortypen hängt von Ihrer Anwendung ab. Es ist daher unmöglich zu sagen, welche Art insgesamt am besten ist. Die wichtigsten Vor- und Nachteile der einzelnen Sensoren sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst.

Sensortyp	Thermistor	RTD
Temperaturbereich (typisch)	-100 bis 325 °C	-200 bis 650 °C
Genauigkeit (typisch)	0,05 bis 1,5 °C	0,1 bis 1 °C
Langfristige Stabilität bei 100 °C	0,2 °C/Jahr	0,05 °C/Jahr
Linearität	exponentiell	relativ linear
Stromversorgung erforderlich	Konstantspannung oder -strom	Konstantspannung oder -strom
Ansprechzeit	schnell 0,12 bis 10 s	insgesamt langsam 1 bis 50 s
Anfälligkeit für elektrisches Rauschen	selten anfällig nur hoher Widerstand	selten anfällig
Kosten	gering bis moderat	hoch

RTDs im Vergleich zu Thermoelementen

Wie bereits erwähnt, ist es nicht sinnvoll, RTDs und Thermoelemente allgemein zu vergleichen. Beim Vergleich ihrer Leistung hinsichtlich spezifischer Kriterien wird jedoch ersichtlich, welche Sonde für bestimmte Anwendungen am besten geeignet ist.

Temperaturbereich: Thermoelemente eignen sich am besten für den Betrieb bei hohen Temperaturen. Neuartige Fertigungstechniken haben den Messbereich von RTDs verbessert, aber über 90 % der RTDs sind für Temperaturen unter 400 °C ausgelegt. Im Gegensatz dazu können einige Thermoelemente bei bis zu 2.500 °C eingesetzt werden.
Kosten: Thermoelemente sind im Allgemeinen günstiger als RTDs. Ein RTD kostet oft zwei- oder dreimal mehr als ein Thermoelement mit demselben Temperaturbereich und Design.

Bei der RTD-Installation können Einsparungen erzielt werden, da diese aufgrund der Verwendung von kostengünstigeren Kupferdrähten preiswerter ist. Diese Einsparungen gleichen jedoch nicht den höheren Gerätepreis aus.

Empfindlichkeit: Auch wenn beide Sensortypen schnell auf Temperaturänderungen reagieren, sind Thermoelemente schneller. Ein geerdetes Thermoelement reagiert fast dreimal schneller als ein PT100-RTD. Der schnellstmögliche Temperatursensor ist ein Thermoelement mit offenliegender Spitze. Durch Verbesserungen in der Fertigung wurden jedoch auch die Ansprechzeiten von Dünnschicht-PT100-Sonden deutlich verbessert.

Genauigkeit: RTDs sind im Allgemeinen genauer als Thermoelemente. RTDs haben in der Regel eine Genauigkeit von 0,1 °C im Vergleich zu 1 °C bei den meisten anderen Sonden. Einige Thermoelementmodelle können jedoch der RTD-Genauigkeit entsprechen. Zu den vielen Faktoren, die sich auf die Sensorgenauigkeit auswirken können, gehören Linearität, Wiederholbarkeit oder Stabilität.

Linearität: Das Verhältnis zwischen Temperatur und Widerstand beim RTD ist im Sensorbereich nahezu linear, während ein Thermoelement eine „S“-förmige Darstellung aufweist.

Stabilität: RTD-Sondenmesswerte bleiben stabil und wiederholbar über einen längeren Zeitraum. Thermoelementmesswerte neigen aufgrund chemischer Veränderungen im Sensor (z. B. Oxidation) zu einer Drift. Aufgrund ihrer Linearität und fehlenden Drift sind RTDs langfristig stabiler.

Fazit:

Thermoelemente sind aufgrund ihres kostengünstigeren Herstellungsprozesses wirtschaftlicher als RTDs. Je nach Anzahl der für Ihre Anwendung benötigten Sonden kann dies ein wichtiger Faktor sein. RTDs hingegen bieten eine zuverlässigere Ausgabe. Nachdem Sie den Bereich und die erforderliche Leistung sorgfältig bestimmt haben, können Sie jetzt den für Ihre Anwendung am besten geeigneten Sensortyp auswählen.

RTD im Vergleich zum Thermistor

In den letzten Jahren sind Thermistoren aufgrund von Verbesserungen bei Messgeräten und Steuerungen immer beliebter geworden. Die heutigen Messgeräte sind so flexibel, dass Benutzer eine große Auswahl an Thermistoren einrichten und die Sonden einfach austauschen können.

Im Gegensatz zu RTDs, die etablierte Standards bieten, unterscheiden sich die Thermistorkurven jedoch je nach Hersteller. Die Systemelektronik eines Thermistors muss der Sensorkurve entsprechen. Der Hauptunterschied zwischen RTDs und Thermistoren ist das Material, aus dem sie bestehen. Während RTD-Widerstände aus reinem Metall sind, bestehen Thermistoren aus Polymer- oder Keramikmaterialien.

Wie im vorherigen Abschnitt werden auch hier anstelle einer allgemeinen Gegenüberstellung bestimmte Kriterien verglichen.

Bereich: Im Gegensatz zu RTDs können Thermistoren nur einen kleineren Temperaturbereich überwachen. Während einige RTDs 600 °C erreichen können, messen Thermistoren nur bis zu 130 °C. Wenn Ihre Anwendung Temperaturen über 130 °C umfasst, ist die RTD-Sonde die einzige Option.
Kosten: Thermistoren sind im Vergleich zu RTDs recht kostengünstig. Wenn Ihre Anwendungstemperatur dem verfügbaren Bereich entspricht, sind Thermistoren wahrscheinlich die beste Option. Thermistoren mit erweitertem Temperaturbereich und/oder Austauschbarkeit sind jedoch oft teurer als RTDs.
Empfindlichkeit: Sowohl Thermistoren als auch RTDs reagieren auf Temperaturänderungen mit vorhersagbaren Widerstandsänderungen. Thermistoren ändern den Widerstand jedoch um Zehntelohm je Grad im Vergleich zu einer geringeren Anzahl von Ohm bei RTD-Sensoren. Mit dem entsprechenden Messgerät kann der Benutzer daher genauere Messwerte erhalten. Hinsichtlich der Ansprechzeiten sind Thermistoren RTDs ebenfalls überlegen, da sie Temperaturänderungen viel schneller erfassen. Der Erfassungsbereich eines Thermistors kann so klein sein wie ein Stecknadelkopf, was eine schnellere Rückkopplung ermöglicht.
Genauigkeit: Obwohl die besten RTDs ähnliche Genauigkeiten wie Thermistoren aufweisen, erhöhen RTDs den Widerstand des Systems. Die Verwendung langer Kabel kann zu veränderten Messwerten außerhalb der zulässigen Fehlerwerte des Sensors führen. Wenn Sie mit großen Entfernungen arbeiten und keine Option zum Hinzufügen eines Senders besteht, ist ein Thermistor die bessere Lösung.

Fazit:

Der Hauptunterschied zwischen Thermistoren und RTDs besteht im Temperaturbereich. Wenn Ihre Anwendung Temperaturen über 130 °C umfasst, ist der RTD die einzige Option.

Unterhalb dieser Temperatur werden Thermistoren häufig bevorzugt, wenn Genauigkeit wichtig ist. RTDs hingegen werden gewählt, wenn Toleranz (d. H. Widerstand) wichtig ist. Kurz gesagt: Thermistoren eignen sich besser für Präzisionsmessungen und RTDs für die Temperaturkompensation.

Woran lassen sich ein Thermoelement, RTD oder Thermistor erkennen?

Wenn Sie mehr über Temperatursensoren wissen möchten, erfahren Sie hier, wie Sie jeden Typ auf den ersten Blick erkennen.

Erkennen von Thermoelementen:

Thermoelemente sind der am einfachsten zu erkennende Temperatursensor. Eine Thermoelementsonde hat zwei farbkodierte Drähte.

Bei der Identifizierung eines Thermoelements ist es wichtig, die Kalibrierung zu bestimmen. Die beliebteste Kalibrierung ist Typ K, während Typ T hauptsächlich in den USA verwendet wird.

Manchmal werden Sie eine Thermoelementsonde mit vier Drähten sehen. Dabei handelt es sich um eine Doppelsonde. Bei Doppelsonden finden Sie in der Konstruktion zwei identische Thermoelemente.

Erkennen von Thermistoren und RTDs:

Thermistoren und RTDs verfügen entweder über zwei, drei oder vier Drähte, die rot und weiß oder rot und schwarz sind. Der rote Draht ist die Erregung, während der schwarze oder weiße Draht die Erdung darstellt.

Um festzustellen, ob es sich bei dem Sensor um einen Thermistor oder ein RTD handelt, müssen Sie den Widerstand zwischen den beiden verschiedenfarbigen Drähten messen:

Ein RTD-PT100 hat bei 0 °C einen Widerstand von 100 Ohm.
Ein RTD-PT1000 hat bei 0 °C einen Widerstand von 1.000 Ohm.

Typische Anwendungsfälle für jeden Sensortyp

Thermoelemente

Vibrationsfest: Zunächst sind Thermoelemente der robusteste Sensortyp. Thermoelemente sind einfach konstruiert und dadurch vibrationsfest. Lesen Sie unser White Paper zu diesem Problem.
Kostengünstig: Da Thermoelemente kostengünstig sind, stellen sie zudem die beste Option dar, wenn mehrere Sensoren in derselben Anwendung benötigt werden. Es gibt bestimmte Anwendungen, die Hunderte oder sogar Tausende Sensoren gleichzeitig verwenden. Ein Beispiel ist die thermische Profilierung in der Automobilindustrie.
Höchste Temperaturen: Thermoelemente sind die einzigen Kontaktsensoren, die hohe Temperaturen messen können. Für alle Temperaturen über 650 °C muss eine Thermoelementsonde für die Messung eingesetzt werden.
Schnelle Reaktion: Wenn ein schnelles Ansprechen erforderlich ist, liefert ein Thermoelement mit offenliegender Messstelle die schnellste Rückmeldung zu Temperaturänderungen.

RTDs

Hohe Temperaturen: RTDs sind geeignet, wenn bei hohen Temperaturen Genauigkeit erforderlich ist, da sie bis zu 650 °C messen können. Dieser Bereich ist viel größer als bei Thermistoren.
Störfestigkeit gegenüber elektrischem Rauschen: RTDs bieten nicht nur eine hohe Genauigkeit, sondern auch eine hohe Störfestigkeit gegenüber elektrischem Rauschen. PT100 ist die beste Option für Anwendungen in industriellen Automationsumgebungen, in denen Motoren, Generatoren und andere Hochspannungsanlagen im Einsatz sind.
Weniger Umweltbelastung: Wenn die Anwendung in einer rauen Umgebung erfolgt, bietet das Schutzgehäuse eines RTD-Elements einen guten Schutz vor den meisten problematischen Umwelteinflüssen, insbesondere im Vergleich zu Thermoelementen.

Thermistoren

Beste Empfindlichkeit: Zunächst bieten Thermistoren die beste Leistung in diesem Bereich, sogar noch besser als RTDs, was vor allem an der optimalen Empfindlichkeit liegt.
Niedrige Kosten: Außerdem kosten Thermistoren ungefähr ein Drittel bis zur Hälfte des Preises von RTDs. Dies ist der Hauptgrund für die Verwendung von Thermistoren in gängigen Haushaltsgeräten, AC-Einheiten oder Warmwassergeräten.