Temperaturmessung & thermischer Schutz
Temperatursensoren#
RTD / Pt100 / Pt1000#
RTDs (Resistance Temperature Detectors, dt. Widerstandsthermometer) gehören zu den genauesten Sensoren für industrielle Temperaturmessung. Sie beruhen auf dem Prinzip, dass sich der elektrische Widerstand eines Metalls — typischerweise Platin — linear mit der Temperatur ändert. PT100 und PT1000 sind die am häufigsten verwendeten standardisierten RTD-Elemente und decken einen Messbereich von etwa −200 °C bis +850 °C ab.
Zu den wichtigsten Vorteilen zählen ausgezeichnete Langzeitstabilität, hohe Wiederholgenauigkeit und ausgeprägte Linearität. Diese Eigenschaften machen RTDs zur bevorzugten Wahl, wenn hohe Genauigkeit und rückführbare Kalibrierung gefordert sind. PT100-Fühler bleiben die am häufigsten spezifizierten RTD-Baugruppen in industriellen OEM-Anwendungen.
Thermoelemente#
Thermoelemente nutzen den Seebeck-Effekt: Zwei unterschiedliche Metalldrähte werden an einem Ende verbunden und erzeugen eine Spannung im Millivolt-Bereich, die proportional zur Temperaturdifferenz zwischen Messstelle und Vergleichsstelle ist. Der Aufbau ist einfach, die Ansprechzeit kurz und der messbare Temperaturbereich außergewöhnlich groß. Edelmetall-Thermoelemente wie Typ B, R und S können Temperaturen bis nahe 1700 °C messen. Gängige Kalibrierungstypen umfassen K (Nickel-Chrom / Nickel-Aluminium, auch bekannt als Chromel-Alumel), J, T und E, jeweils optimiert für einen unterschiedlichen Temperaturbereich und eine andere Genauigkeitsklasse.
| Typ | Leiter | Bereich | Hinweise |
|---|---|---|---|
| K | NiCr / NiAl | −200 bis +1260 °C | am häufigsten verwendet, universell einsetzbar |
| J | Fe / CuNi | 0 bis +760 °C | reduzierende Atmosphären, kostengünstiger |
| T | Cu / CuNi | −200 bis +370 °C | kryogen und hochgenau im Niedertemperaturbereich |
| E | NiCr / CuNi | −200 bis +900 °C | höchste Empfindlichkeit |
| N | NiCrSi / NiSiMg | −200 bis +1260 °C | bessere Langzeitstabilität als K |
| S | Pt-10%Rh / Pt | 0 bis +1480 °C | Hochtemperatur, Laborreferenz |
| R | Pt-13%Rh / Pt | 0 bis +1480 °C | ähnlich S, etwas höhere Ausgangsspannung |
| B | Pt-30%Rh / Pt-6%Rh | +250 bis +1700 °C | sehr hohe Temperaturen |
Die relativen Nachteile sind die erforderliche Vergleichsstellenkompensation und eine etwas geringere absolute Genauigkeit im Vergleich zu RTDs.
NTC-Thermistoren#
NTC-Thermistoren (Negative Temperature Coefficient, dt. negativer Temperaturkoeffizient) werden aus halbleitenden Keramikmaterialien gefertigt, deren Widerstand bei steigender Temperatur stark abnimmt, was zu sehr hoher Empfindlichkeit führt. Ihre Hauptvorteile sind geringe Größe, niedrige Kosten und schnelle Ansprechzeit. Die meisten handelsüblichen NTCs werden unterhalb von 150 °C eingesetzt, glasverkapselte Ausführungen können jedoch bei deutlich höheren Temperaturen arbeiten.
Die meisten Ausfälle bei NTC-Thermistoren treten in den Gehäusematerialien auf, nicht im keramischen Messelement selbst. Eine Glasverkapselung bietet eine hervorragende hermetische Versiegelung, elektrische Isolation und chemische Stabilität bei hohen Temperaturen — bestimmte Thermistoren können damit bis zu 250 °C arbeiten.
Komponenten für den thermischen Schutz#
Diese Bauteilfamilie hat gemeinsam, dass sie keine Temperaturdaten ausgibt. Stattdessen greifen die Bauteile aktiv in den Stromkreis ein, sobald ein Temperaturschwellenwert erreicht ist — sie schützen die Anlage oder begrenzen den Strom, ohne externe Steuerlogik zu benötigen.
Thermosicherung / Thermische Abschaltung (TCO)#
Eine Thermosicherung ist eine einmalig auslösende Übertemperatur-Schutzkomponente. Ihr internes Element — eine niedrigschmelzende Legierung oder ein organisches Pellet — unterbricht den Stromkreis dauerhaft, wenn die Umgebungstemperatur die Nenntemperatur (Tf) überschreitet. Die wichtigsten Vorteile sind extreme Einfachheit, sehr niedrige Kosten und eine inhärent zuverlässige Funktion. Die wesentliche Einschränkung: Das Bauteil ist nicht rücksetzbar — nach einmaliger Auslösung muss die gesamte Komponente ersetzt werden. Die Nenntemperaturen liegen typischerweise im Bereich von 60 °C bis 240 °C.
Thermoschalter / Temperaturschalter#
Die meisten Thermoschalter verwenden ein Bimetallelement. Bei steigender Temperatur führt die unterschiedliche Wärmeausdehnung der verbundenen Metalle dazu, dass das Element schnappartig umspringt und einen Satz elektrischer Kontakte öffnet oder schließt. Thermoschalter sind in selbstrückstellender oder manuell rücksetzbarer Ausführung erhältlich.
Die Gehäusebauform eines Thermoschalters richtet sich nach der Einbauumgebung und den technischen Anforderungen der Anwendung. Weit verbreitete Standardserien sind:
KSD301: Scheibenform, Oberflächenmontage, max. Strom 10–16 A, zur Temperaturbegrenzung in Leistungskreisen.
TB02 & 17AM: miniaturisierte Einbauschutzschalter für Motoren, Transformatoren und Steuerkreise.
PPTC rücksetzbare Sicherung#
PTC-Bauelemente gehören zur breiteren Thermistor-Familie, deren Widerstand sich mit der Temperatur ändert. Je nach Materialsystem unterteilt man PTC-Thermistoren in keramische (CPTC) und leitfähig-polymere (PPTC) Ausführungen. PPTC wird in elektronischen Schaltungen häufig als rücksetzbare Thermosicherung für Überstrom- und Übertemperaturschutz eingesetzt, da sein Kaltzustandswiderstand sehr niedrig ist (wenige mΩ).
Die Polymermatrix durchläuft bei einer charakteristischen Schalttemperatur einen Phasenübergang, wodurch der Widerstand sprunghaft ansteigt. Bei handelsüblichen PPTC-Bauteilen liegt diese Schwelle typischerweise im Bereich von 85 °C bis 140 °C. Diese physikalische Eigenschaft schränkt die Eignung für Anwendungen bei erhöhten Temperaturen ein.