1 Ãberblick über die Sensorik
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Seite 12<br />
3.1 Überblick über <strong>die</strong> Temperatursensoren 23<br />
einem negativen (NTC) Temperaturkoeffzienten.<br />
In Verbindung mit der Selbstaufheizung eines Verbrauchers nach (1) beträgt bei konstantem<br />
TK <strong>die</strong> relative Parameteränderung<br />
3 Temperatursensoren<br />
3.1 Überblick<br />
Die exakte Temperaturmessung gehört zu den wichtigsten und verbreitetsten Aufgaben<br />
der <strong>Sensorik</strong>. Dabei steht nicht nur der Bedarf im Vordergrund, <strong>die</strong> Temperatur zu kennen<br />
und darüber Regelvorgänge einzuleiten, sondern auch <strong>die</strong> Notwendigkeit, <strong>die</strong> sehr<br />
häufig auftretende unerwünschte parasitäre Temperaturabhängigkeit vieler Effekte<br />
zu korrigieren. Jedes System ist naturgemäß seiner Umgebungstemperatur ausgesetzt,<br />
<strong>die</strong> sich bedingt durch das Wetter, eine Klimatisierung oder durch Anwesenheit benachbarter<br />
temperaturerzeugender Systeme in weiten Grenzen ändern kann. Da praktisch alle<br />
physikalischen Prozesse von der Temperatur abhängen (<strong>die</strong> Temperatur ist in der<br />
freien Energie (2.1-1) explizit enthalten!), ist eine Temperaturabhängigkeit des elektrischen<br />
Verhaltens von Systemen prinzipiell unvermeidbar, sie kann sich nur in der Größenordnung<br />
stark unterscheiden.<br />
Von grundsätzlicher Bedeutung ist auch <strong>die</strong> Selbstaufheizung eines stromdurchflossenen<br />
Verbrauchers, bei dem <strong>die</strong> zugeführte Leistung P = U · I in <strong>die</strong> Erzeugung von<br />
Joulescher Wärme (Band 1, Abschnitte 4.3.1 und 5.2; Band 2, Abschnitt 13.1; Band 11,<br />
Abschnitt 1.1.6) pro Zeit (thermische Leistung) umgesetzt wird. Ein Teil <strong>die</strong>ser Wärmeerzeugung<br />
wird durch Wärmeabführung nach außen (charakterisiert durch den Wärmewiderstand<br />
R th , s. Band 1, Abschnitt 4.3.1) wieder abgegeben. Die Kontinuitätsgleichung<br />
für <strong>die</strong> Wärmeenergie ergibt dann bei einer Umgebungstemperatur T u im<br />
stationären (eingeschwungenen, d.h. zeitlich konstanten) Zustand <strong>die</strong> Temperatur:<br />
d.h. sie ist bei nichtverschwindendem TK unvermeidbar vorhanden.<br />
Für <strong>die</strong> Meßgenauigkeit praktisch aller Sensoren, <strong>die</strong> für andere Meßparameter als <strong>die</strong><br />
Temperatur ausgelegt sind, entsteht durch <strong>die</strong> parasitäre Temperaturabhängigkeit ein limitierender<br />
Faktor. Dieses ist ein wichtiges Beispiel für eine Querempfindlichkeit<br />
eines Sensors, d.h. eine parasitäre Empfindlichkeit gegenüber anderen Umweltparametern,<br />
<strong>die</strong> nicht gemessen werden sollen, aber sich in unvermeidbarer Weise parasitär auswirken.<br />
Die große Anzahl der temperaturabhängigen physikalischen Prozesse führt auch zu einer<br />
großen Variationsbreite für <strong>die</strong> Verfahren und Bauelemente, <strong>die</strong> sich für eine Temperaturmessung<br />
eignen. Sie können sich stark in dem einsetzbaren Temperaturbereich,<br />
ihrer Meßgenauigkeit und Zuverlässigkeit sowie in den Sensorkosten unterscheiden.<br />
Tab. 3.1-1 gibt einen Überblick über <strong>die</strong> wichtigsten heute eingesetzten Temperatursensoren<br />
und andere Temperaturmeßverfahren.<br />
Tab. 3.1-1: Sensoren und Verfahren zur Temperaturmessung (nach [3.22])<br />
Um <strong>die</strong> unerwünschte Wirkung von Temperaturabhängigkeiten zu vermeiden, sind<br />
in der Regel bei Meßsystemen Kompensationsmaßnahmen erforderlich, <strong>die</strong> in vielen<br />
Fällen eine zusätzliche Temperaturmessung und eine dadurch gesteuerte Kompensationsregelung<br />
erforderlich machen. Häufig lassen sich auch innerhalb des Sensors Parameter<br />
einführen, <strong>die</strong> ein entgegengesetztes Temperaturverhalten aufweisen, so daß eine<br />
gewisse Kompensationswirkung von vornherein gegeben ist. Charakteristisch für <strong>die</strong><br />
Temperaturabhängigkeit einer Größe x ist der Temperaturkoeffzient T x , abgekürzt<br />
TK oder TC (von englisch: temperature coefficient), der definiert ist durch:<br />
Die Einsatzgebiete der Temperatursensoren sind sehr vielgestaltig, wobei <strong>die</strong> Anforderungen<br />
an den zulässigen Temperaturbereich und <strong>die</strong> Meßgenauigkeit in weiten Grenzen<br />
variieren (Tab. 3.1-2).<br />
Bei positivem Vorzeichen von T spricht man von einem positiven (PTC), sonst von