Temperatursensoren – Produktdesignauswahl

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Produktdesign-auswahl

Erfahren Sie mehr über den richtigen Zeitpunkt für die Auswahl des Temperatursensors während der Produktdesignphase, über die Eigenschaften von Temperatursensoren sowie über Designaspekte bei der Verwendung von Temperatursensoren.

Einführung

Im Idealfall verläuft das Produktdesign vom ursprünglichen Konzept bis hin zur Fertigungsfreigabe sehr effizient, ohne Verschwendung von technischen Kapazitäten und Einkaufszeit sowie ohne nachträgliche Konstruktionsanpassungen aufgrund von Designänderungen. Die Realität sieht jedoch anders aus: Der Weg zur Produktfreigabe ist sehr komplex und verläuft nicht immer ohne Probleme.

Bei TE Connectivity (TE) sind wir der festen Überzeugung, dass die Produktkonzeptphase der beste Zeitpunkt für das Design von Temperatursensoren ist. Hier können unsere Konstrukteure von Temperatursensoren eine aktive Rolle beim Produktdesign übernehmen und unsere langjährige Erfahrung im thermischen Design einbringen. Unsere Erfahrungen haben uns zu der Überzeugung geführt, dass dies der ideale Zeitpunkt ist. Vor einigen Jahren, als wir noch mit einem großen Computerhersteller zusammenarbeiteten, wurden unsere Tastköpfe in die Konstruktion des Herstellers eingebaut. Das Tastkopfdesign wurde vom Hersteller bereitgestellt. Die Anwendung erforderte zwei Thermistoren, die am Ende einer Kunststoffröhre freilagen. Wir stellten die Thermistoren nach den Herstellerspezifikationen bereit. Leider zeigten sich jedoch während des Produktfreigabeprozesses Konstruktionsprobleme an den Tastköpfen. Die freiliegenden Thermistoren waren beschädigt. Dieses Thermistorkonstruktionsproblem verzögerte die Einführung des Produkts und gefährdete Summen im Bereich mehrerer Milliarden US-Dollar. Unsere Konstruktionsingenieure besuchten den Kunden, um das Problem zu besprechen. Während eines langen Gesprächs mit den für die Produktfreigabe zuständigen Mitarbeitern wurden wir von dem renommierten leitenden Konstruktionsingenieur gefragt, warum wir die Tastköpfe nicht in einer Hülse bereitgestellt hätten. Unsere Antwort war: „Wenn Sie uns diese Anweisung gegeben hätten, hätten wir das so gemacht. Wir haben uns an Ihre Designspezifikationen gehalten.“ Nachdem sich unser Team schließlich über die Produktdesign- und Anwendungseinschränkungen im Klaren war, konnten wir einen passenden Temperatursensor für das Produkt entwerfen.

Nach mehr als 60 Jahren Erfahrung in der Konstruktion und Fertigung von thermischen Sensoren und ähnlichen Anwendungsfällen wie dem oben erwähnten, sind wir davon überzeugt, dass die Auswahl des Temperatursensors während der Produktkonzeptphase getroffen werden sollte.

 Typischer Verlauf bis zur Produktfreigabe

ABBILDUNG 1. Typischer Verlauf bis zur Produktfreigabe

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Ein interessantes Merkmal des Temperatursensordesigns ist, dass verschiedene technische Disziplinen daran beteiligt sind. Elektroingenieure haben in der Regel die Aufgabe, die elektrischen Eigenschaften des Sensors und den Anschluss an das elektrische System zu spezifizieren. Die Maschinenbauingenieure sind normalerweise für die thermische Modellierung und die physische Integration des Sensors in die Anlagenkonstruktion zuständig. Die Beteiligung von Maschinenbauingenieuren bzw. Elektroingenieuren variiert je nach Unternehmen. Eher selten sind Ingenieure aus beiden Fachbereichen involviert. Dies ist nur bei relativ großen Unternehmen der Fall. Unsere Designingenieurteams umfassen beide Disziplinen. Somit bieten wir unseren Kunden umfassende Unterstützung über sämtliche Systemdesignphasen hinweg.

Beziehung zwischen Elektrotechnik und Maschinenbau

ABBILDUNG 2. Beziehung zwischen Elektrotechnik und Maschinenbau

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Eigenschaften von Temperatursensoren
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Linearität

Die Linearität legt fest, wie gut sich das Ausgangssignal eines Sensors über einen bestimmten Temperaturbereich hinweg anpasst. NTC-Thermistoren sind exponentiell nicht linear und damit sehr viel empfindlicher bei niedrigen Temperaturen als bei hohen. Die Linearität eines Sensors ist heute kein großes Problem mehr, da in den Sensorsignal-Konditionierungsschaltkreisen immer häufiger Mikroprozessoren eingesetzt werden. Hinsichtlich der Stromversorgung muss die Verlustleistung im Sensorelement sowohl bei Thermistoren als auch bei Platin-RTDs unbedingt beachtet werden, um eine Eigenerwärmung zu vermeiden. Der Messstrom für Platin-RTD-Sensoren ist in den gültigen Normen (ASTM, DIN) spezifiziert. Für NTC-Thermistoren gibt es jedoch keine solchen Normen. Daher muss das Konstruktionsteam selbst einen geeigneten Stromwert festlegen, um zu garantieren, dass keine signifikante Eigenerwärmung auftritt und gleichzeitig das korrekte Signal-Rausch-Verhältnis bereitgestellt wird. Diese Stromwerte liegen normalerweise im Mikroampere-Bereich.

Reaktionszeit

Die Reaktionszeit, d. h., wie schnell ein Sensor die Temperatur anzeigt, hängt von der Größe und der Masse des Sensorelements ab (vorausgesetzt, es wird kein prädiktives Verfahren eingesetzt). Halbleiter haben die längste Reaktionszeit. Danach kommen mit Platindraht umwickelte Elemente. Platinfolien, Thermistoren und Thermoelemente sind in kleinen Gehäusen erhältlich und bieten daher Hochgeschwindigkeitsoptionen. Mikroperlen aus Glas sind die Thermistorkonfigurationsoption mit der kürzesten Reaktionszeit. Die Reaktionszeit selbst ist eine eher ungenau definierte Eigenschaft. Eine genauere Messung der thermischen Reaktion bietet die Zeitkonstante (TC, Time Constant). Dabei handelt es sich um die Zeit, die der Sensor benötigt, um bei der Übermittlung zwischen zwei verschiedenen Temperaturen eine Temperaturveränderung von 63,2 % zu registrieren. Die Zeitkonstante ist ein konstanter Wert für ein vorgegebenes Medium, unabhängig von den Anfangs- und Endtemperaturen, der auf der grundlegenden Physik der Wärmeübertragung basiert. Für die verschiedenen gemessenen Medien gibt es unterschiedliche Zeitkonstanten. So ist beispielsweise die Zeitkonstante eines Temperaturtastkopfs, die bei Windstille gemessen wird, ca. zehnmal größer als die desselben Tastkopfs, wenn in gerührtem Öl gemessen wird.

Elektrische Störungen

Elektrische Störungen, die zu Fehlern bei der Temperaturanzeige führen, treten meist bei Thermoelementen auf, da diese nur schwache Millivoltsignale ausgeben. Solche Störungen können auch bei manchen NTC-Thermistoren mit sehr hohem Widerstand, die wie eine Antenne agieren, ein Problem darstellen. 

Leitungswiderstand

Leitungswiderstand kann bei resistiven Geräten wie Thermistoren oder RTDs zu einem Fehlerausgleich führen. Dieser Effekt tritt bei Geräten mit geringem Widerstand stärker auf, z. B. bei 100-Ω-Platinelementen oder Thermistoren mit geringem Widerstand. Der relativ niedrige Temperaturkoeffizient von Platin-RTD-Sensoren erschwert das Problem. Daher werden Leitungskonfigurationen mit 3 oder 4 Drähten verwendet, um den Leitungswiderstand aus der Messung zu eliminieren. Bei Thermistoren kann dieser Effekt in der Regel eliminiert werden, indem man einen höheren Widerstand wählt. Bei Thermoelementen müssen die Erweiterungsleitungen und Anschlüsse aus demselben Material bestehen wie die Leitungen selbst. Anderenfalls können Fehler auftreten.

Kosten

Die Kosten des Sensorelements sollten nicht der wichtigste Faktor bei der Auswahl einer Sensortechnologie sein. Jede hat ihre Vor- und Nachteile: NTC, RTD, Thermoelement oder Halbleiter. Außerdem können je nach den erforderlichen Sensoreigenschaften wie Genauigkeit, Stabilität, Temperaturbereich und Umweltbeständigkeit die Kosten stark variieren. Bei der Auswahl der effektivsten Lösung für eine Anwendung müssen die Gesamtkosten der Implementierung berücksichtigt werden.

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Was kommt als Nächstes?

Sie arbeiten an einem neuen Konzept, das eine thermische Sensorik erfordert? Wir würden uns freuen, Sie mit unserem Fachwissen in den Bereichen Design und Produktauswahl bei Ihrem nächsten Temperaturmessprojekt unterstützen zu können.