Temperatursensoren: PT100, NTC, Thermoelement

Temperatur selbst lässt sich nicht direkt elektrisch erfassen. Man braucht einen effekt, der sich mit der Temperatur ändert und sich als Strom oder Spannung auslesen lässt. Drei Effekte haben sich durchgesetzt:

Widerstandsänderung beim Metall. Der elektrische Widerstand von Metallen steigt mit der Temperatur. Bei Platin ist dieser Zusammenhang besonders stabil und gut reproduzierbar — das ist die Grundlage des PT100.

Widerstandsänderung beim Halbleiter. Auch Halbleiter ändern ihren Widerstand mit der Temperatur, allerdings viel stärker und in die andere Richtung: Beim NTC sinkt der Widerstand bei Erwärmung. Das macht ihn empfindlich, aber stark nichtlinear.

Thermospannung am Metallübergang. Verbindet man zwei unterschiedliche Metalle und erwärmt die Verbindungsstelle, entsteht eine kleine Spannung. Dieser Seebeck-Effekt ist das Funktionsprinzip des Thermoelements.

Schon eine grobe Vorschau zeigt, dass die drei Bauarten unterschiedliche Stärken haben:

Die Details — und warum man genau diese Werte erwartet — kommen in den folgenden Kapitel.

Der PT100 ist der Standard-Temperatursensor in der Industrie, wenn es auf Genauigkeit und einen weiten Messbereich ankommt. Der Name sagt fast alles: „Pt“ steht für Platin, „100″ für den Widerstand von genau 100 Ω bei 0 °C.

Platin hat einen positiven Temperaturkoeffizienten — der Widerstand steigt also mit steigender Temperatur. Über einen großen Bereich ist dieser Anstieg fast geradlinig. Diese Linearität ist der eigentliche Vorteil: Die Auswertung ist einfach und die Messung sehr gut vorhersagbar.

Für den Zusammenhang zwischen Temperatur und Widerstand gilt im einfachsten Fall die lineare Näherung:

Der genormte Temperaturkoeffizient für Platin-Messwiderstände (ÖNORM EN 60751) beträgt:

Das bedeutet praktisch: Pro 1 °C steigt der Widerstand um etwa 0,385 Ω. Bei 100 °C liegt der PT100 also rund 38,5 Ω über seinem Grundwert, also bei etwa 138,5 Ω. Über einen großen Bereich reicht diese lineare Näherung für die Praxis aus; nur bei sehr hoher Genauigkeit oder weit weg von 0 °C wird ein quadratischer Korrekturterm verwendet.

Eine gängige Variante ist der PT1000: gleicher Werkstoff, gleiches Prinzip, aber 1000 Ω bei 0 °C. Der höhere Grundwert macht den Einfluss des Leitungswiderstands kleiner — dazu gleich mehr.

Empfindlich gegenüber Leitungswiderstand: Weil der PT100 nur 100 Ω Grundwert hat, fallen schon wenige Ohm Leitungswiderstand im Anschlusskabel als Messfehler ins Gewicht. Deshalb gibt es ihn in 2-, 3- und 4-Leiter-Ausführung, wobei die 3- und 4-Leiter-Schaltung den Leitungswiderstand rechnerisch herausnehmen. Wie diese Anschlussarten im Detail funktionieren, ist allgemein bei den Sensor-Anschlussarten beschrieben — für den PT100 zählt vor allem: je niedriger der Grundwiderstand, desto wichtiger die Kompensation. Beim PT1000 mit zehnfachem Grundwert ist der relative Fehler entsprechend kleiner.

Halbleiter-Temperatursensoren arbeiten ebenfalls über den Widerstand, reagieren aber viel stärker auf Temperatur als Metalle — dafür deutlich nichtlinearer. Es gibt zwei Familien:

Der NTC (Negative Temperature Coefficient), auch Heißleiter genannt, verliert mit steigender Temperatur an Widerstand. „Heißleiter“ heißt also: leitet besser, wenn es heiß ist. Die Widerstandsänderung ist groß, was den NTC empfindlich macht — aber der Verlauf ist eine ausgeprägte Kurve, kein gerader Strich wie beim PT100.

Der PTC (Positive Temperature Coefficient), der Kaltleiter, verhält sich umgekehrt: höherer Widerstand bei höherer Temperatur. Hier ist aber Vorsicht geboten, weil der Begriff „PTC“ zwei sehr unterschiedliche Dinge meinen kann (siehe Stolpersteine).

Für den NTC lässt sich der Widerstand über die B-Wert-Gleichung abschätzen. Der B-Wert ist eine Materialkonstante des jeweiligen NTC und beschreibt, wie steil die Kennlinie verläuft:

Wichtig: In dieser Formel werden die Temperaturen in Kelvin eingesetzt, nicht in °C. Ein typischer Mess-NTC hat zum Beispiel R_N = 10 kΩ bei 25 °C und einen B-Wert um 3950 K.

Das Thermoelement funktioniert grundlegend anders als die beiden Widerstandssensoren: Es liefert selbst eine Spannung, ohne von außen versorgt zu werden. Verbindet man zwei unterschiedliche Metalle an einem Punkt und erwärmt diese Verbindungsstelle, entsteht zwischen den freien Enden eine kleine elektrische Spannung. Das ist der Seebeck-Effekt.

Entscheidend ist: Diese Thermospannung hängt nicht von der absoluten Temperatur ab, sondern vom Temperaturunterschied zwischen der heißen Verbindungsstelle (der Messstelle) und den kühleren freien Enden (der Vergleichsstelle, auch Kaltstelle genannt). Vereinfacht gilt:

Der Wert k ist typenabhängig und liegt grob im Bereich einiger Dutzend Mikrovolt pro Grad — die Signale sind also klein, im Millivoltbereich. Das ist auch der Grund, warum Thermoelemente eine empfindliche Auswerteelektronik brauchen.

Weil nur die Differenz zählt, muss die Vergleichsstellentemperatur bekannt sein. Würde man sie ignorieren, läge die Messung um den Betrag der Umgebungstemperatur daneben. In der Praxis übernimmt die Kaltstellenkompensation im Messumformer diese Aufgabe: Sie misst die Temperatur an der Klemmenstelle separat (oft mit einem kleinen NTC oder PT-Sensor) und rechnet sie heraus.

Thermoelemente gibt es in mehreren genormten Typen, die sich in der Metallpaarung und damit im Messbereich unterscheiden. Gängig sind:

Der große Vorteil des Thermoelements ist der weite Messbereich bis zu sehr hohen Temperaturen — dort, wo PT100 und NTC längst aufgeben. Der Preis dafür sind die kleinen Signale, die Notwendigkeit der Kaltstellenkompensation und eine etwas geringere Genauigkeit als beim PT100.

Die Wahl des Temperatursensors ist immer ein Abwägen mehrerer Kriterien. Selten ist ein Typ in allem überlegen — entscheidend ist der konkrete Einsatzfall.

Messbereich. Das härteste Ausschlusskriterium. Geht es über ein paar Hundert Grad hinaus, bleibt praktisch nur das Thermoelement. Im moderaten Bereich um Raum- und Prozesstemperatur sind PT100 und NTC zu Hause.

Genauigkeit. Wenn es auf einen exakten, reproduzierbaren Wert ankommt, ist der PT100 erste Wahl. Das Thermoelement ist gröber, der NTC ist genau, aber nur nach Kennlinienkorrektur und über einen begrenzten Bereich.

Ansprechzeit. Kleine NTCs reagieren sehr schnell auf Temperaturänderungen, was sie für Geräte mit schnellem Regelverhalten attraktiv macht. Massive PT100-Fühler im Schutzrohr sind träger.

Kosten und Robustheit. Der NTC ist günstig und für Massenanwendungen prädestiniert. Der PT100 ist teurer, aber stabil und langzeitgenau. Thermoelemente sind robust gegen hohe Temperaturen, brauchen aber die Kaltstellenkompensation und passende Ausgleichsleitungen.

Im Überblick:

Typische Zuordnung aus der Praxis: PT100 für die genaue Prozess- und Anlagenüberwachung, NTC für günstige Messpunkte und schnelle Regelungen in Geräten, Thermoelement für alles, was richtig heiß wird — Öfen, Abgas, Schmelzen.