Thermosäule

Temperatursensoren

Trend

Trendpapier zu digitalen Thermosäulen

DIGITALE SENSOREN: OEM-Anforderungen erfüllen, Markanforderungen umsetzen

Übersicht

Die Hauptfunktion eines Thermosäulensensors besteht darin, die von Objekten ausgehende Wärmestrahlung in ein Ausgangssignal zu übertragen. Diese Sensortechnologie wird in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, darunter Elektro- und Haushaltsgeräte (Mikrowellen, Wäschetrockner, Küchenmaschinen), medizinische Geräte (Ohr- und Stirnthermometer), Automobil (Fahrzeugklimatisierung, Sitzbelegungserkennung, Toter-Winkel-Warnung und Glatteiswarnung), Konsumgüter (Drucker, Kopierer, Mobiltelefone) und viele industrielle Anwendungen wie Papierbahnen, Kunststoffteile usw.

Infrarot-Temperaturmessung

Jedes Objekt gibt Infrarotstrahlung ab. Die Strahlungsleistung erhöht sich mit steigenden Oberflächentemperaturen. Basierend auf diesem Zusammenhang messen Thermosäulen die abgegebene Strahlungsleistung und bestimmen die Temperatur des Objekts genau.

Thermosäulen-Infrarotsensoren basieren auf zwei physikalischen Effekten:

• Strahlung schwarzer Körper: Gemäß dem Planckschen Strahlungsgesetz gibt jedes Objekt mit einer Temperatur über 0 K elektromagnetische Strahlung ab. Das Integral über der Planckschen Kurve wird Stefan-Boltzmann-Gesetz genannt und gibt die gesamte abgegebene Strahlungsleistung an:

P = A x e x s x T4
P = abgegebene Leistung, A = Oberfläche, e = Emissionsgrad der Oberfläche,
s= Stefan-Boltzmann-Konstante = 5,67-10-8 W/(m2 K4), T = absolute Temperatur (in K)

• Für Oberflächentemperaturen <700°C this infrared radiation only. If the surface temperature exceeds 700°C an increasing part of the emitted radiation is visible light, e.g. glowing steel, incandescent lamp etc.
• Seebeck-Effekt: Eine Temperaturdifferenz zwischen den Kontakten zweier unterschiedlicher Leiter erzeugt eine Spannungsdifferenz.

Funktionsweise des Thermosäulen-Infrarotsensors

Der Thermosäulen-Infrarotsensor besteht aus einem Dämpfer, der thermisch von einem Rahmen und von in Reihe angeschlossenen Thermoelementen isoliert ist. Wenn der Dämpfer auf ein Objekt zeigt, dessen Temperatur von der des Dämpfers abweicht, dann unterscheidet sich auch die von Objekt und Dämpfer abgegebene Strahlungsleistung. Es besteht ein Netto-Strahlungswärmestrom vom/zum Dämpfer, durch den der Dämpfer erwärmt/abgekühlt wird. Dieser resultierende Temperaturunterschied zwischen Dämpfer und Rahmen wird durch die Thermosäule (gem. Definition 1) in eine Spannung umgewandelt. Wenn auch die Temperatur des Rahmens gemessen wird, z. B. mit einem NTC-Thermistor, kann die Temperatur der Objekte anhand des Stefan-Boltzmann-Gesetzes berechnet werden.

Aufbau des Thermosäulen-Chips
Aufbau des Thermosäulen-Chips
Querschnitt durch einen Thermosäulensensor
Querschnitt durch einen Thermosäulensensor

Transport-empfehlungen

• Berühren des Siliziumfensters vermeiden
• Verunreinigung des Siliziumfensters vermeiden
• Beschädigungen des Siliziumfensters vermeiden (Kratzer, etc.)
• Verformung des Stifts vermeiden
• Zusammenpressen des Komponentengehäuses vermeiden

Reinigungs-empfehlungen

• Isopropanol (andere Namen: Isopropylalkohol (IPA), 2-Propanol),
medizinische Qualität, analysenreine Qualität oder reinere Qualität verwenden
• kratz- und fusselfreies Reinigungstuch (z. B. Bemcot M-3II)

Verwendung des nassen Tuchs:
Reinigen Sie von der Mitte des Fensters oder der Linse nach außen.
Achten Sie darauf, dass Sie auch den winzigen Abschnitt zwischen Optik und Metallgehäuse der Thermosäule richtig reinigen.

• Nach der Reinigung mit dem nassen Tuch auf Flecken prüfen, ggf. die Nassreinigung wiederholen
• Nach der Reinigung mit dem nassen Tuch auf Fussel prüfen, ggf. Fussel mit einem trockenen Tuch abwischen
• Hinweis:
Bei manchen Wattestäbchen ist die Baumwolle mit Klebstoff am Stäbchen befestigt. In einigen Fällen löst sich dieser Klebstoff durch das Isopropanol und hinterlässt eine Ablagerung auf der Optik. Durch die Infrarotabsorption dieser Ablagerung kann die Kalibrierung beeinträchtigt werden.

Lötempfehlungen

Vorgang

Temperatur

Max.  Dauer/s

Kommentar

Wellenlöten 1

260 °C ±5 °C

10

AOI-Empfehlung

Handlöten 1

375 °C ±10 °C

4

Wir empfehlen, die Oberfläche der Leiterplattengruppe auf Flussmittelrückstände und andere Verunreinigungen zu kontrollieren.

Reflow-Löten

Nicht empfohlen

 

Direktes Sonnenlicht

Sonnenlichtstrahlung, die durch ein Glasfenster fällt, kann die Messgenauigkeit beeinflussen. Um dies zu vermeiden, ist der Thermosäulensensor mit einem Langwellenfilter ausgestattet. Aufgrund der Filtereigenschaften wird der Strahlung des Objekts ein kleiner Anteil an Strahlung zugesetzt. Bei direkter Sonneneinstrahlung kann dieser Fehler bis zu +0,2 °C betragen.

Berühren der Sensorkappe

Der Benutzer sollte vermeiden, die Sensorkappe zu berühren. Auch nach einem schnellen Wechsel der Sensortemperatur verbleibt eine Messabweichung.

Einrichten von Verbindungen

Im Folgenden finden Sie ein Beispiel für das Einrichten von Verbindungen

Einrichten einer Verbindung

Sichtfeld

Das Sichtfeld der Thermosäule muss auf die Oberfläche des betreffenden Objekts gerichtet sein. Der Abstand zur Oberfläche bzw. der Oberflächendurchmesser muss so angepasst werden, dass das gesamte Sichtfeld der Sensoren vom Objekt abgedeckt wird, siehe Beispiel links in der unten stehenden Abbildung.

Sichtfeld

Emissionsgrad

Jedes Objekt überträgt Infrarotenergie in Abhängigkeit von seiner Temperatur. Der Emissionsgrad ist das Verhältnis der Strahlungsleistung eines Objekts zur Strahlung eines idealen schwarzen Körpers. Gewöhnliche Materialien wie Flüssigkeiten, Kleidung, menschliche Haut und Lebensmittel haben einen Emissionsfaktor von >0,90 und können daher ohne Anpassung der Sensorspezifikationen sehr genau gemessen werden.

Um die Messung für ein Objekt mit signifikant niedrigem Emissionsgrad zu kompensieren, muss der ADCobj angepasst werden.

Name

Beschreibung

Format

Bereich

Min

Max

ADCobj

ADC-Objekttemperatur um 223 verschoben (0 wird durch 8,388,608 dargestellt)

INT24

0

16,777,216