1 Überblick über die Sensorik

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3.1 Überblick über die Temperatursensoren 23
einem negativen (NTC) Temperaturkoeffzienten.
In Verbindung mit der Selbstaufheizung eines Verbrauchers nach (1) beträgt bei konstantem
TK die relative Parameteränderung
3 Temperatursensoren
3.1 Überblick
Die exakte Temperaturmessung gehört zu den wichtigsten und verbreitetsten Aufgaben
der Sensorik. Dabei steht nicht nur der Bedarf im Vordergrund, die Temperatur zu kennen
und darüber Regelvorgänge einzuleiten, sondern auch die Notwendigkeit, die sehr
häufig auftretende unerwünschte parasitäre Temperaturabhängigkeit vieler Effekte
zu korrigieren. Jedes System ist naturgemäß seiner Umgebungstemperatur ausgesetzt,
die sich bedingt durch das Wetter, eine Klimatisierung oder durch Anwesenheit benachbarter
temperaturerzeugender Systeme in weiten Grenzen ändern kann. Da praktisch alle
physikalischen Prozesse von der Temperatur abhängen (die Temperatur ist in der
freien Energie (2.1-1) explizit enthalten!), ist eine Temperaturabhängigkeit des elektrischen
Verhaltens von Systemen prinzipiell unvermeidbar, sie kann sich nur in der Größenordnung
stark unterscheiden.
Von grundsätzlicher Bedeutung ist auch die Selbstaufheizung eines stromdurchflossenen
Verbrauchers, bei dem die zugeführte Leistung P = U · I in die Erzeugung von
Joulescher Wärme (Band 1, Abschnitte 4.3.1 und 5.2; Band 2, Abschnitt 13.1; Band 11,
Abschnitt 1.1.6) pro Zeit (thermische Leistung) umgesetzt wird. Ein Teil dieser Wärmeerzeugung
wird durch Wärmeabführung nach außen (charakterisiert durch den Wärmewiderstand
R th , s. Band 1, Abschnitt 4.3.1) wieder abgegeben. Die Kontinuitätsgleichung
für die Wärmeenergie ergibt dann bei einer Umgebungstemperatur T u im
stationären (eingeschwungenen, d.h. zeitlich konstanten) Zustand die Temperatur:
d.h. sie ist bei nichtverschwindendem TK unvermeidbar vorhanden.
Für die Meßgenauigkeit praktisch aller Sensoren, die für andere Meßparameter als die
Temperatur ausgelegt sind, entsteht durch die parasitäre Temperaturabhängigkeit ein limitierender
Faktor. Dieses ist ein wichtiges Beispiel für eine Querempfindlichkeit
eines Sensors, d.h. eine parasitäre Empfindlichkeit gegenüber anderen Umweltparametern,
die nicht gemessen werden sollen, aber sich in unvermeidbarer Weise parasitär auswirken.
Die große Anzahl der temperaturabhängigen physikalischen Prozesse führt auch zu einer
großen Variationsbreite für die Verfahren und Bauelemente, die sich für eine Temperaturmessung
eignen. Sie können sich stark in dem einsetzbaren Temperaturbereich,
ihrer Meßgenauigkeit und Zuverlässigkeit sowie in den Sensorkosten unterscheiden.
Tab. 3.1-1 gibt einen Überblick über die wichtigsten heute eingesetzten Temperatursensoren
und andere Temperaturmeßverfahren.
Tab. 3.1-1: Sensoren und Verfahren zur Temperaturmessung (nach [3.22])
Um die unerwünschte Wirkung von Temperaturabhängigkeiten zu vermeiden, sind
in der Regel bei Meßsystemen Kompensationsmaßnahmen erforderlich, die in vielen
Fällen eine zusätzliche Temperaturmessung und eine dadurch gesteuerte Kompensationsregelung
erforderlich machen. Häufig lassen sich auch innerhalb des Sensors Parameter
einführen, die ein entgegengesetztes Temperaturverhalten aufweisen, so daß eine
gewisse Kompensationswirkung von vornherein gegeben ist. Charakteristisch für die
Temperaturabhängigkeit einer Größe x ist der Temperaturkoeffzient T x , abgekürzt
TK oder TC (von englisch: temperature coefficient), der definiert ist durch:
Die Einsatzgebiete der Temperatursensoren sind sehr vielgestaltig, wobei die Anforderungen
an den zulässigen Temperaturbereich und die Meßgenauigkeit in weiten Grenzen
variieren (Tab. 3.1-2).
Bei positivem Vorzeichen von T spricht man von einem positiven (PTC), sonst von