Die gebräuchlichsten Temperatursensoren, die auf Änderungen des elektrischen Widerstands basieren, sind:
Allen diesen Sensoren ist gemeinsam, dass sich der an den beiden Anschlüssen messbare Widerstand mit der Temperatur ändert. Ein erster wesentlicher Unterschied besteht darin, dass der Bimetall-Sensor auf der thermischen Aktivierung elektrischer Kontakte im Sensorgehäuse basiert, was eine makroskopische mechanische Bewegung bedeutet. Alle anderen Sensoren basieren auf Änderungen auf atomarer Ebene ohne mechanische Bewegung.
Nachfolgend werden die Vor- und Nachteile verschiedener Sensoren erläutert, wobei die verschiedenen Effekten und Eigenschaften der Betrachtung unterliegen.
Wenn die EMV wichtig ist
EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit) bezeichnet die Fähigkeit einer elektronischen Schaltung, in einer Umgebung, die durch hochfrequente elektrische Störungen, galvanisch gekoppelt oder durch kapazitive / induktive Kopplung verzerrt ist, ordnungsgemäß zu arbeiten. Die Litzen eines Sensors können als Antenne wirken, insbesondere wenn sie in der Wicklung eines Elektromotors montiert sind. Sensor und Drähte sind somit in stark modulierten Magnetfeldern angeordnet. Der PTC hat in diesen Umgebungen einen signifikanten Vorteil, da die Änderung des Sensorwiderstands bei der Auslösetemperatur 
sehr hoch ist.
Dies verbessert das EMV-Verhalten im Vergleich zu einem NTC oder linearen Sensoren wie einem Pt 100 oder Pt 1000.
Was fordern Zulassungen und Standards?
Der PTC wird von den meisten Zulassungsstellen akzeptiert, wenn es darum geht, die Anforderungen von z.B. explosionsgeschützten Anwendungen oder funktionaler Sicherheit zu erfüllen. Da die Reaktionstemperatur im PTC-Sensor selbst definiert und unveränderlich ist (anders als zum Beispiel bei einem NTC, Pt 100 oder Pt 1000) und weil ein Kabelbruch zu einer Auslösung des Schutzgeräts führt (anders als bei einem NTC), eignet sich der PTC insbesondere für sicherheitskrititische Anwendungen.
Nicht alle sind gut in Steuerungen integrierbar
Wenn der Sensorausgang als Steuersignal verwendet werden soll, ist ein Pt 100 oder Pt 1000 aufgrund der Linearität des Sensorsignals möglicherweise die bessere Lösung. Auch ein NTC hat ein sich kontinuierlich mit der Temperatur änderndes Ausgangssignal, er muss jedoch linearisiert werden. Es gibt verschiedene Arten von NTCs auf dem Markt, die nicht miteinander kompatibel sind. Pt 100 und Pt 1000 sind in IEC 751 definiert, was es in den meisten Fällen ermöglicht, sie auch ohne Kalibrierung durch einen anderen Lieferanten zu ersetzen.
Der PTC und das Bimetall können normalerweise nicht zur Steuerung verwendet werden, da sie mehr oder weniger nur zwei verschiedene Ausgangswerte haben: niedriger und hoher Widerstand. Wenn aus Sicherheitsgründen ein PTC auch zur Steuerung eingesetzt werden soll, kann der Sensor AMS von Kriwan eine Alternative darstellen. Er basiert auf PTC-Sensoren, indem zwei unterschiedliche PTCs mit entsprechenden NAT (Nennanspruchtemperaturen) kombiniert werden. Dadurch wird neben der sicherheitsrelevanten PTC-Funktion auch ein sich kontinuierlich änderndes Ausgangssignal möglich, das von einem Mikroprozessor einfach linearisiert werden kann.
Welchen Einfluss hat die Umwelt?
In vielen Anwendungen spielen Umwelteinflüsse wie Vibration, Feuchtigkeit oder Chemikalien eine wichtige Rolle. In diesen Umgebungen verwendete Sensoren müssen diesen Effekten standhalten. Bimetalle sind die einzigen Sensoren, die auf einer mechanischen Kontaktbewegung basieren. Alle anderen Sensoren basieren auf Änderungen auf atomarer Ebene innerhalb der Messzelle. Dies macht den Einsatz eines Bimetall-Sensors kritisch, wenn Vibration oder Feuchtigkeit eine bedeutende Rolle spielen.
Pt 100 und Pt 1000 basieren auf Platin, einem Edelmetall. Bei PTC und NTC dient Keramik als Grundmaterial. Der chemische Einfluss auf beide Sensoren muss für einzelne Chemikalien überprüft und getestet werden und kann durch geeignete Beschichtung und Gehäuse des Sensors erheblich reduziert werden.
Bild: Kriwan
Wie dynamisch geht es zu?
Sensoren sind typischerweise an eine elektronische Schaltung angeschlossen. Ein ADC (Analog Digital Converter) digitalisiert den Analogausgang des Sensors. Um den Einfluss von Rauschen im Sensorsignal zu reduzieren, werden Hardware- und Softwarefilter verwendet. Das Filtern umfasst normalerweise die Reduzierung des dynamischen Verhaltens eines Signals durch Mittelwertbildung. Ein wesentlicher Vorteil des PTC ist die charakteristische Sprungfunktion bei der Reaktionstemperatur. Filter können für diesen Sensortyp mit einer höheren Dynamik als NTC, Pt 100 oder Pt 1000 ausgelegt werden.
Ein weiterer Parameter, der das dynamische Verhalten eines Wärmesensors beeinflusst, ist seine Größe: Je kleiner ein Sensor gebaut werden kann, desto schneller kann er sich an die Temperatur des gemessenen Körpers anpassen, weil seine Wärmekapazität geringer ist. Auch hier befinden sich PTCs am unteren Ende aller verfügbaren Sensoren und können so mit hohem dynamischem Verhalten hergestellt werden
In Anwendungen mit hohen Anforderungen an die thermische Reaktionszeit eines Sensors kann der PTC eine sehr gute Lösung sein.
RoHS-Richtlinie beachten!
Alle heute bekannten PTCs sind von Ausnahme 7 (c) -I und Ausnahme 7 (c) -V (Blei in Glas oder Keramik) der RoHS-EU-Richtlinie betroffen. Diese Ausnahme muss alle 3 - 5 Jahre erneuert werden. Ein Vorteil von Pt 100 und Pt 1000 ist die vollständige Kompatibilität mit dem RoHS, die nicht auf einer Ausnahme beruht.
Bild: Kriwan
Sensoren in Baugruppen: Leitungslängen berücksichtigen!
Die Sensoren sind typischerweise mit Litzen verbunden, die das Sensorsignal in eine elektronische Schaltung zu Auswertung leiten. Aufgrund der nichtlinearen Charakteristik des PTC-Ausgangs sind die Drahtlängen bis zu typischerweise 30 m und mehr nicht relevant. Ein Pt 100-, Pt 1000- und NTC-Signal wird durch den Widerstand der Litze beeinflusst und abhängig von deren Länge muss ein Kompensationsfaktor im Elektronikmodul eingestellt werden.
Der PTC ist auch der einzige Temperatursensor, der in Reihe geschaltet werden kann (serielle Verbindung von bis zu 9 PTCs). Alle PTCs sind miteinander verbunden sodass nur zwei Drähte zum elektronischen Gerät führen. Dies ist ein wesentlicher Vorteil, da die Verkabelung mehrerer Sensoren über große Entfernungen teuer sein kann, insbesondere wenn spezielle Geräte wie eine Glas-Metall-Durchführung erforderlich sind, um die Drähte zu einem Verdichter zu führen.
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Sind Manipulationen möglich?
Beim Motorschutz benötigen Pt 100, Pt 1000 und NTC einen Grenzwert, der in der Elektronik eingestellt werden muss. In vielen Fällen erfolgt dies über Potentiometer oder Schalter. Im Feld können diese Geräte leicht manipuliert werden, indem einfach die Potis gedreht werden. Der PTC hat eine Auslösetemperatur, die auf dem Keramikmaterial des Sensors basiert, und ein Bimetall hat eine Auslösetemperatur, die im Sensordesign definiert ist. Aus diesem Grund sind sie nicht einstellbar und können nicht manipuliert werden.
Frequenzumrichter und Sensoren
Frequenzumrichter haben in ihrem Ausgangssignal (Spannung und Strom) Hochfrequenzenergie (HF). Diese Harmonischen können mit Filtern reduziert werden, spielen jedoch in vielen Installationen eine wichtige Rolle. Ein Bimetallschalter wird durch den 50 / 60 Hz-Anteil des Ausgangssignals und zusätzlich durch den HF-Teil erwärmt. Dies kann zu instabilen und unvorhersehbaren Auslösepunkten führen (abhängig von der Frequenz).
Auf die Sensor-Auswertung achten!
Eine flexible Möglichkeit, verschiedene Sensoren auszuwerten und zu digitalisieren, schafft beispielsweise der Spannungswächter INT 69 UY Diagnose von Kriwan.
Er ist auf verschiedene der oben beschriebenen Sensortypen einstellbar. Außerdem kann die Temperatur über die Digitalschnittstelle (Diagnose-Port) am Smartphone oder Laptop auch im zeitlichen Verlauf analysiert werden. Neben der Temperaturüberwachung lässt sich mit diesem Gerät auch die Netzspannung auf Über- oder Unterspannung, Asymmetrie etc. überwachen. Beides, Temperatur- und Phasenüberwachung, machen den Spannungswächter zum Schutz für Schaltschränke, Verbundanlagen, Kaltwassersätze etc.
Bild: Kriwan / Ellwein