Aufgabe: Öltemperatur, Kühlwasser, Abgas überwachen
Lösung:
- Öltemperatur: Pt100 mit 4-Leiter (±0,2°C Genauigkeit für Normerfüllung)
- Kühlwasser Ein/Aus: 2x Pt100 (Wirkungsgrad berechnen)
- Abgas: Robustes Thermoelement K bis 800°C
Temperaturmessung – Praxisleitfaden & Wissenscheck für Techniker & Ingenieure
Einleitung
Temperatur ist die meistgemessene physikalische Größe in Industrie und Forschung. Dieser Leitfaden erklärt die wichtigsten Messverfahren, zeigt wann Sie welchen Sensor einsetzen, wie die Datenerfassung richtig funktioniert und was in der Praxis häufig schiefgeht – mit konkreten Anwendungsbeispielen aus Entwicklung und Produktion.
1. Warum Temperatur messen? Die wichtigsten Anwendungsfälle
Ob in der Entwicklung, Qualitätssicherung oder Produktion: Temperaturmessung erfüllt in industriellen Anwendungen eine Vielzahl entscheidender Funktionen. Hier die wichtigsten Einsatzbereiche im Überblick:
Sicherheit & Qualität
- Überhitzungsschutz: Verhindert Schäden an teuren Prototypen oder Produktionsanlagen
- Prozessüberwachung: Bei der Kunststoffspritzguss-Produktion entscheiden wenige Grad über Qualität und Ausschuss – zu kalt führt zu unvollständiger Formfüllung, zu heiß zu Materialabbau
- Materialprüfung: Wärmebehandlung von Stahl erfordert präzise Temperaturführung für die richtige Härte
Performance & Effizienz
- Thermisches Management: Überwachen der Wärmentwicklung von Leistungselektronik, E‑Motoren und HV‑Batterien zur Minimierung von Verlustleistung und Erhöhung der Lebensdauer.
- Motorenentwicklung: Bei Verbrennern führen zu hohe Öltemperaturen zu Verschleiß, zu niedrige zu schlechter Effizienz; bei E-Motoren reduzieren heiße Wicklungen die Leistung und können Magnete dauerhaft schädigen
- Batterietests: Li-Ion-Zellen altern bei Temperaturen über 40°C deutlich schneller, bei Schnellladung mit hoher Leistung (350 kW+) kann Überhitzung sogar zu thermischem Durchgehen führen
Produktentwicklung & Tests
- HALT/HASS-Tests: Beschleunigte Belastungstests mit extremen Temperaturen (-40°C bis +120°C) decken Schwachstellen in der Elektronik auf, bevor das Produkt in die Produktion / zum Kunden kommt
- Dauerläufe: Lager, Getriebe oder Motoren werden über Monate bei verschiedenen Temperaturen getestet
- Condition Monitoring: Ungewöhnliche Temperaturanstiege warnen vor drohendem Ausfall
Praxistipp: Temperatur ist oft der erste Indikator für Probleme. Ein Motor, der plötzlich 20°C heißer läuft als sonst, hat meist ein mechanisches Problem – lange bevor andere Messgrößen auffällig werden.
2. Kontakt‑ vs. berührungslose Messung - die Grundentscheidung
Temperaturen lassen sich entweder über direkten thermischen Kontakt im Bauteil oder berührungslos per Infrarot erfassen; die Auswahl richtet sich nach Prozess, Genauigkeit, Dynamik und Zugänglichkeit.
Die erste wichtige Entscheidung: Soll der Sensor das Bauteil berühren oder nicht?
Kontaktmessung
Vorteile: Hohe Genauigkeit, misst die tatsächliche Bauteiltemperatur
Nachteile: Sensor muss montiert werden, kann das System beeinflussen
Beispiele: Thermoelement im Motorblock, Pt100 im Kühlkreislauf, NTC-Sensor auf der Leiterplatte
Berührungslose Messung (Infrarot)
Vorteile: Kein Eingriff ins System, sehr schnell, für bewegte oder gefährliche Teile geeignet
Nachteile: Misst nur Oberflächentemperatur, Messwert hängt stark ab von der Oberflächenbeschaffenheit (blankes Metall "strahlt" anders als schwarze Farbe)
Beispiele: Pyrometer für rotierende Bremsscheiben, Wärmebildkamera für Schaltschränke
Auf einen Blick:
Kontaktmessung = hohe Genauigkeit am gewünschten Messpunkt, IR-Messung = schnell, kontaktlos, flexibel, aber Emissionsgrad beachten
3. Die wichtigsten Sensoren im Detail
Die folgenden Sensortypen decken den Großteil industrieller Anwendungen ab und unterscheiden sich in Messprinzip, Genauigkeit, Dynamik, Robustheit und Integrationsaufwand.
Thermoelement (TE) – der Klassiker
Thermoelemente sind weit verbreitet und der “Klassiker” für raue Umgebungen, weite Temperaturbereiche und schnelle Reaktionszeiten. Durch ihren einfachen Signalanalschluss (2-Leiter) und Standardsteckverbinder (Thermostecker) sind sie leicht austauschbar und einfach zu beschaffen. Zudem sind sie relativ preiswert.
Funktionsweise des Thermoelements:
Thermoelemente bestehen aus zwei Leitern, die aus unterschiedlichen Metallen bestehen und an der Spitze des Sensors zusammengefügt werden. Das ist die Messstelle. Dort entsteht aufgrund des Seebeck‑Effekts eine kleine Spannung, die von der Temperatur an genau dieser Verbindungstelle abhängt.
Es gibt nur einen Haken: Sie messen immer nur den Temperaturunterschied (also die Differenztemperatur) zwischen der Messstelle und der Anschlussstelle (Anschlussklemmen). Um eine absolute Temperatur ermitteln zu können, muss die Temperatur der Anschlussstelle bekannt sein. Früher wurde das mittels eines Eisbads gelöst, da es eine bekannte Temperatur von 0 °C hat, woher auch der Name „Kaltstellenkompensation“ stammt. In modernen DAQ-Systemen übernimmt diese Aufgabe heutzutage ein kleiner Temperatursensor (meist ein RTD oder Thermistor) der direkt an der Anschlussstelle sitzt. Die Software rechnet dann automatisch: Gemessene Thermospannung + Klemmstellentemperatur = echte Temperatur am Messpunkt. Bei hochwertigen Systemen liegt die CJC-Genauigkeit bei ±0,5°C.
Die wichtigsten Thermoelement-Typen:
Bei Thermoelementen gibt es eine Vielzahl verschiedener Typen, die sich durch verschiedene Metallpaarungen unterscheiden. Jede Metallpaarung (Typ) hat spezifische Eigenschaften in der Temperaturmessung. Die gängigsten Typen sind die folgenden:
- Typ K (Nickel-Chrom): Der Allrounder bis ca. 1260 °C. Perfekt für Öfen, Abgastemperaturmessung, Motoren- und Turbinentest und dem Maschinenbau
- Typ J (Eisen-Konstantan): Bis ca. 760 °C, günstig aber rostet leicht. Häufig in älteren Anlagen, Lagergehäusen und Ölbädern zu finden
- Typ T (Kupfer-Konstantan): Bis ca. 370 °C, sehr präzise bei niedrigeren Temperaturen. Ideal für Klimakammern, Kyrostat, Lebensmittel‑ und Laboreinsätze.
- Typ E (NiCr‑CuNi): hohes Signal bei niedrigen Temperaturen; Kälte‑, Kalibrier‑ und Prüfstandsaufgaben mit kleinem ΔT.
- Typ N (NiCrSi‑NiSi): Besonders stabil bei hohen Temperaturen; Perfekt für Langzeittest oder in der Prozessindustrie.
Vorteile:
- Sehr großer Temperaturbereich (etwa −200 bis über 1000 °C)
- Sehr robust, viele Bauformen, günstig
- Schnelle Reaktionszeiten (besonders mit dünnen Drähten)
Nachteile:
- Signal nur im mV‑Bereich (störungsanfällig - z.B. durch EMV-Einflüsse von E-Motoren, HV, etc.)
- Genauigkeit begrenzt (typisch ±1-2°C)
- Driftet bei hohen Temperaturen
Widerstandsthermometer Pt100/Pt1000 (RTD)
Widerstandsthermometer dienen als Standard für präzise und stabile Messungen in Labor, Kalibrierung und industriellen Prozessen mit hohen Qualitätsanforderungen.
Funktionsweise des Widerstandsthermoemeters:
Bei Widerstandsthermometern – auch RTD (Resistance Temperature Detector) genannt – wird die Eigenschaft von Metallen genutzt, dass sich ihr elektrischer Widerstand mit der Temperatur verändert. Platin zeigt dabei eine sehr reproduzierbare und nahezu lineare Kennlinie.
Ein Pt100 hat bei 0 °C exakt 100 Ω Widerstand, bei 100 °C sind es 138,5 Ω. Bei einem Pt1000 beträgt der Widerstand bei 0 °C entsprechend 1000 Ω. Oberhalb von 0 °C ist das Verhalten annähernd linear, wodurch die Umrechnung in Temperaturwerte vergleichsweise einfach und genau möglich ist.
Wichtiger Praxistipp:
Bei Pt100-Sensoren verfälscht der Leitungswiderstand das Messergebnis. Bei 10 Metern Kabel können das schnell 2-3 °C Fehler werden, weil der benötigte Messstrom durch die gleichen 2 Kabel fließt, über die auch gemessen wird. Der Leitungswiderstand addiert sich zum Sensorwiderstand.
Lösung und daher aus unserer Sicht Pflicht:
Verwenden Sie 3- oder 4-Leiter-Technik. Diese trennen die Strompfade, so dass nur der echte Sensorwiderstand gemessen wird.
Anwendungsbeispiele:
- Klimakammer-Kalibrierung: ±0,1°C Genauigkeit erforderlich
- Motoröl-Temperatur: Langzeitstabilität wichtig
- Prozessüberwachung: Wenn Versicherung oder Norm hohe Genauigkeit fordern
Vorteile:
- Sehr hohe Genauigkeit (±0,1°C möglich) und Wiederholbarkeit
- Ausgezeichnete Langzeitstabilität
- Linear und gut vorhersagbar
Nachteile:
- Selbsterwärmung bei zu hohem Messstrom
- Begrenzter Temperaturbereich (-200°C bis ~600°C)
- Aufwendigerer Anschluss (3‑/4‑Leiter‑Technik) als TE
- Teurer als Thermoelemente
Thermistoren (NTC/PTC)
Thermistoren eignen sich für Anwendungen mit hoher Empfindlichkeit, kleinen Bauformen und kurzen Ansprechzeiten, typischerweise im Elektronik‑ und Geräteumfeld.
Funktionsweise von Thermistoren
Ein Thermistor basiert auf einem Halbleiter-Widerstand, dessen Wert sich stark und reproduzierbar mit der Temperatur ändert (beschreibbar z. B. durch die Steinhart-Hart-Gleichung). Bei NTC-Thermistoren sinkt der Widerstand mit steigender Temperatur, bei PTC-Thermistoren steigt er. Diese charakteristische Eigenschaft wird gezielt genutzt, um Temperaturen zu erfassen.
Anwendungsbeispiele:
- Smartphone-Akku: Überwachung der Ladetemperatur
- CPU-Kühlung: Sehr schnelle Reaktion auf Lastsprünge
- Raumtemperatur-Regelung: Hohe Auflösung im Komfortbereich
Vorteile:
- Extrem empfindlich (erkennt kleine Temperaturänderungen)
- Sehr klein baubar
- Günstig und schnell
Nachteile:
- Stark nichtlinear (komplizierte Umrechnung)
- Weniger genau im Vergleich zu RTDs und Thermoelementen
- Kleiner Temperaturbereich (meist -40°C bis +150°C)
- Können altern oder durch Überlastung kaputtgehen
- Können im Laufe der Zeit driften
Infrarot‑Pyrometer & Thermografie – kontaktlos
IR‑Verfahren ermöglichen schnelle Messungen ohne Eingriff in den Prozess oder wenn der Sensor nicht an die Messstelle dran kann. Sie erfassen jedoch nur die Oberflächentemperatur und sind stark vom Emissionsgrad der Oberfläche abhängig.
Funktionsweise der IR-Messung
Alle Körper mit Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunkts senden Wärmestrahlung im Infrarotbereich aus. Ein IR-Pyrometer oder eine Wärmebildkamera detektiert diese Strahlung, filtert ein bestimmtes Wellenlängenband heraus und errechnet daraus die Oberflächentemperatur. Grundlage ist das Stefan-Boltzmann-Gesetz sowie der Emissionsgrad der Oberfläche.
Anwendungsbeispiele:
- Bremsscheiben-Test: Messung während der Fahrt
- Kunststoff-Extrusion: Temperatur der heißen Schmelze
- Elektronik-Entwicklung: Hot-Spots auf Leiterplatten finden
Praxishinweise: Das größte Problem bei IR-Messung: Verschiedene Oberflächen strahlen unterschiedlich stark. Ein Pyrometer "sieht" poliertes Aluminium bei 100°C deutlich kühler als mattes, schwarzes Blech derselben Temperatur. Ein Praxis-Kniff ist es, einen „Emissionsgrad-Patch“ anzubringen mit einem bekannten Emissionsgrad (oft nahe 1,0) oder eine kleine Stelle mit mattem, schwarzem Lack markieren (Emissionsgrad ≈ 0,95).
Vorteile:
- Sehr schnell (Millisekunden)
- Kein Kontakt nötig
- Messungen an bewegten oder gefährlichen Teilen möglich
Nachteile:
- Nur Oberflächentemperatur
- Emissionsgrad muss bekannt sein
- Störungen durch Rauch, Staub, Dampf oder Reflexionen möglich
Faseroptische Temperatursensoren – EMV‑fest und intrinsisch sicher
Faseroptische Sensoren sind im Vergleich zu den zuvor vorgestellten Sensoren und Messverfahren noch relativ neu, aber für bestimmte Anwendungen in EMV‑kritischen, Hochspannungs‑ und explosionsgefährdeten Umgebungen unersetzlich. Sie arbeiten ohne elektrische Verbindung am Messpunkt und sind dadurch intrinsisch sicher und EMV-fest. Aktuell kommen zwei Verfahren zur Temperaturmessung mit optischen Fasern zum Einsatz:
a) Spektrometerverfahren (Bragg-Gitter)
In die Glasfaser wird ein Fiber Bragg Grating (FBG) eingeschrieben - ein winziges Gitter, das Licht einer Bestimmten Wellenlänge reflektiert. Diese Bragg-Wellenlänge ändert sich mit der Temperatur, weil Brechungsindex und Gitterperiode temperaturabhängig sind. Ein Interrogator (optisches Spektrometer) misst diese Verschiebung und errechnet die Temperatur. Der Temperaturbereich ist abhängig von Faser/Coating und liegt typischerweise zweichen −40…~300 °C; bei Spezialversionen auch höher.
Anwendungsbeispiele:
- E-Auto-Batterie: Temperaturüberwachung in jeder Zelle ohne Kurzschlussgefahr
- Chemieanlage: Explosionsschutz, wo normale Elektronik verboten ist
- MRT-Gerät: Starke Magnetfelder würden Thermoelemente stören
- Windkraftanlage: Temperaturprofil im Rotorblatt über 50 Meter Länge
- Hochspannung: 400kV-Transformatoren, Hochvolt-Batterien
Vorteile:
- Absolut EMV-fest und explosionssicher
- Multiplexing: Viele Messpunkte pro Faser möglich (10 – 40 Punkte)
- Sie sind sehr klein und leicht, was den Einsatz unter beengten Platzverhältnissen
- Schnelle Ansprechzeit
- Korrosionsfest
Nachteile:
- Teure Auswerteelektronik (Interrogator)
- Reagiert auch auf mechanische Dehnung (Dehnungskompensation erforderlich)
- Nicht so robust und unempfindlich gegenüber über mechanischer Beanspruchung wie z.B. Thermoelemente
- Empfindlicher was enge Biegeradien angeht
- Noch nicht so weit verbreitet wie klassische Sensoren
b) Intensitätsbasiertes Verfahren
Hier ändert sich die Lichtintensität, die durch oder von der Faser zurück reflektiert wird, in Abhängigkeit von äußeren Einflüssen (z. B. Temperatur, Absorption, Biegung). Die Lichtabsorption oder der Verlust im Sensor wird gemessen – und daraus auf die Temperatur geschlossen.
Dabei wird die Temperatur am Ende der Faser erfasst – ähnlich wie bei Thermoelementen oder RTDs. Damit eignet sich das Verfahren besonders für F&E und Testing, wenn Messungen in Bohrungen oder an exakt definierten Punkten erforderlich sind. Da sich die Fasern extrem dünn auslegen lassen, können sie auch in enge Zwischenräume integriert werden, etwa direkt in die Wicklungen von Elektromotoren. Dort stoßen klassische Sensoren oft an ihre Grenzen, allein schon wegen Baugröße und notwendiger Isolierung.
Anwendungsbeispiele:
- Temperaturüberwachung einzelner Bauteile in Hochspannungs- oder Ex-Umgebungen (z. B. in Stromabnehmern von Zügen)
- Messen in Motorwicklungen, Transformatoren oder gebohrten Sensorlöchern
- Kostenbewusste Projekte mit wenigen Messstellen
Vorteile:
- Günstigere Interrogatoren – nur Lichtquelle + einfacher Detektor erforderlich
- Robuste Technik, praxisgerecht für einzelne, klar definierte Messpunkte
- Sehr dünne Fasern möglich → Einsatz in Bereichen, die für Thermoelemente zu eng sind (z. B. Motorwicklungen)
- Schnelle Ansprechzeit
- Korrosionsfest
Nachteile:
- Nur ein Messpunkt pro Faser möglich
- Reagiert auch auf mechanische Dehnung (Dehnungskompensation erforderlich)
- Nicht so robust und unempfindlich gegenüber über mechanischer Beanspruchung wie z.B. Thermoelemente
- Empfindlich was enge Biegeradien angeht
- Geringere Flexibilität gegenüber spektralen FBG-Systemen
Hinweis: Neben den beiden vorgestellten Verfahren existiert auch die verteilte faseroptische Temperaturmessung (DTS) über Raman/Brillouin-Streuung, um kontinuierlich die Temperatur entlang einer Faser zu messen – z.B. für lange Strecken (z. B. Pipeline‑Monitoring). Für Messaufbauten und Prüfstände sind FBG‑Sensoren oft die praxisnähere Lösung, da sie die Temperatur an einem definierten Punkt (dem Gitter) messen.
4. Auswahlhilfe: Welche Sensorart wofür?
Für dynamische Vorgänge sind Thermoelemente und Thermistoren oft im Vorteil. Sind weite Temperaturbereich gefragt, sind Thermoelemente eine gute Wahl. Für Präzision und Langzeit bieten RTDs die beste Basis. IR punktet, wenn Berühren unmöglich ist. Faseroptisch empfiehlt sich bei EMV/HV‑Umgebungen, Ex‑Schutz oder wenn viele Messpunkte entlang einer Strecke benötigt werden. Die folgende Tabelle bietet eine schnelle Orientierung entlang zentraler Auswahlkriterien und typischer Einsatzbereiche.
| Kriterium | Thermoelement | RTD (PT100/PT1000) | Thermistor (NTC) | IR‑Pyrometer | Faseroptisch (FBG) | Faseroptisch (intensitätsbasiert) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Temperaturbereich | sehr groß (−200…>1000 °C) | −200…~600 °C | typ. −40…150 °C | −50… >2000 °C (materialabh.) | typ. −40…~300 °C (Coatingabh.), Spezial höher | typ. −40…~300 °C (abhängig vom Sensordesign) |
| Genauigkeit | mittel | hoch | mittel‑hoch (enger Bereich) | mittel (ε‑abhängig) | hoch (bei Kalibrierung/Verpackung) | solide, aber empfindlich gegenüber externen Einflüssen |
| Reaktionszeit | schnell | mittel | sehr schnell | sehr schnell | sehr schnell (geringe Masse) | sehr schnell (Endpunktmessung) |
| Robustheit | hoch | hoch | mittel | hoch (optisch) | hoch (elektrisch) mittel (mechanisch) |
hoch (elektrisch) mittel (mechanisch) |
| Kosten | günstig | mittel | günstig | höher | hoch (Interrogator) | mittel - hoch (einfacherer Interrogator) |
| Typische Anwendungen | Abgas, Ofen, Motorbauteile | Labor, Kalibrierung, Prozess | Smartphone, Elektronik | Bewegte/gefährliche Teile wie Bremsscheibe | ATEX, HV‑Batterien, Trafos | Einzelmesspunkte in Bohrungen, Motorwicklungen, Ex-Umgebungen |
5. Messkette & Datenerfassung – das Gesamtsystem
Der beste Sensor nützt nichts, wenn Fehler in der Messkette sind. Erst die korrekte Messkette aus passender Signalkonditionierung, Digitalisierung, Synchronisation und Verarbeitung macht aus Sensorsignalen belastbare Temperaturdaten. Ein wichtiger Grundsatz ist z.B. differenzielles Messen – also zwischen + und – Leitung. Dadurch lassen sich Störungen, die auf beiden Leitungen gleichzeitig auftreten (z.B. 50/60 Hz-Netzbrummen), zuverlässig unterdrücken.
Thermoelement-Messung:
Um Thermoelemente zuverlässig einzusetzen, muss die gesamte Messkette vom Sensor über die Ausgleichsleitung bis zum Verstärker sauber geplant sein.
Was wird gebraucht?
- Thermoelement passend zum Temperaturbereich und zur Dynamik
- Ausgleichsleitung desselben Typs (nicht Kupfer!)
- Passender TE-Stecker aus Thermoelement-Legierung
- Kaltstellenkompensation (CJC) an der Referenzstelle
- Rauscharmer Messverstärker mit Anti-Aliasing-Filter (AAF)
- Differenzieller, galvanisch isolierter Eingang
Kaltstellenkompensation (CJC): Moderne DAQ-Systeme und Messgeräte haben die CJC bereits integriert – Sie müssen nur in der Software den richtigen Thermoelement-Typ auswählen und CJC aktivieren. Probleme entstehen meist nur bei einfachen Handmessgeräten, Eigenbau-Elektronik oder wenn die CJC-Funktion versehentlich deaktiviert wurde.
Praxistipps:
- Ausgleichsleitungen: Setzen Sie nur typgleiche Ausgleichs-/ Verlängerungsleitungen ein. K-Typen brauchen K-Leitungen (grün), J-Typen brauchen J-Leitungen (schwarz). Eine Kupferleitung erzeugt einen zusätzlichen Materialübergang und damit ein ungewolltes „Mini-Thermoelement“. Gleiches gilt für Stecker.
- Abschirmung & Verlegung: TE‑Leitungen verdrillt und geschirmt verlegen. Achten Sie auf ausreichend Abstand (min. 30 cm) zu Leistungsleitungen. Den Schirm nach definiertem Erdungskonzept anschließen (z. B. einseitig an der DAQ‑Seite).
- EMV-Schutz: Bei der Thermoelementmessung geht es um mV-Signale – das erfordert besonders rauscharme Verstärker mit differenziellen Eingängen zur Reduktion von Gleichtakt‑ und Erdschleifenfehler
- Bandbreite/Abtastrate: Passen Sie die Abtastrate an die Signaldynamik an; 50/60‑Hz‑Störungen werden so zusätzlich aktiv unterdrückt.
Typische Fehler und Lösungen:
- Problem: Temperatur konstant zu niedrig
Lösung: CJC in der Software nicht aktiviert oder falscher TE-Typ gewählt. - Problem: Werte schwanken stark → Kupferleitung oder falsche Ausgleichsleitung verwendet, was zusätzliche Thermospannungen erzeugt.
Abhilfe: immer Ausgleichsleitungen des passenden Typs verwenden. - Problem: 50 Hz-Brummen in den Daten →
Lösung: Geschirmte Kabel, differentielle Eingänge - Problem: Nichtlineare Abweichungen bei hohen Temperaturen
Lösung: Korrekte Thermoelement-Kennlinie in Software hinterlegen - Problem: Träge Temperaturänderung → Zu dicke Fühler im Einsatz oder Luftspalt
Abhilfe: Dünne Fühler, Fühler direkt auf die Messstelle (kein Luftspalt) - ggfls. Thermopaste verwenden.
Messen mit RTDs/PT100
Bei RTDs wie dem Pt100 entscheidet vor allem die richtige Verkabelung und Linearisierung über die Präzision der Messkette.
Was wird gebraucht?
- RTD in passender Genauigkeitsklasse (A, B, oder 1/3 DIN)
- 3- oder 4-Leiter-Anschluss zur Leitungskompensation
- Geeigneter Messstrom (meist 1 mA)
- Gute thermische Ankopplung
- Korrekte Linearisierung in der Mess-Software.
3- vs. 4-Leiter-Technik verstehen:
- 2-Leiter: Nur bei kurzen Kabeln (<1m) akzeptabel
- 3-Leiter: Standard für die meisten Anwendungen, kompensiert Leitungswiderstand
- 4-Leiter: Höchste Genauigkeit, separate Speise- und Messleitungen
Linearisierung nicht unterschätzen:
RTDs sind nicht linear! Die Callendar-Van-Dusen-Gleichung beschreibt das echte Verhalten. Viele Systeme verwenden vereinfachte lineare Approximationen – das führt bei größeren Temperaturbereichen zu Fehlern von mehreren Grad.
Wann reicht einfache Linearisierung:
- Kleiner Temperaturbereich (< 100 K)
- Geringere Genauigkeitsanforderungen (> ±1°C)
Wann brauchen Sie die korrekte CVD-Gleichung:
- Großer Temperaturbereich (-50°C bis +400°C)
- Hohe Genauigkeit erforderlich (< ±0,5°C)
- Kalibrierte Sensoren mit Zertifikat
Praxistipps:
- Messstrom begrenzen: 1 mA ist meist optimal. Bei 10 mA erwärmt sich ein Pt100 schon merkbar selbst.
- Ankopplung optimieren: Wärmeleitpaste verwenden, definierte Anpressdrücke, Einbautiefe dokumentieren.
- Mechanik beachten: Dehnung des Sensorelements vermeiden – verfälscht die Messung.
Häufige Fehler und Abhilfe:
- Problem: Werte 2-3°C zu niedrig
Lösung: Leitungswiderstand durch 3/4-Leiter kompensieren - Problem: Sensor zeigt zu hohe Temperaturen
Lösung: Messstrom reduzieren (Selbsterwärmung) - Problem: Systematische Abweichung bei großen Temperaturbereichen
Lösung: CVD-Linearisierung statt einfacher Geradenapproximation verwenden - Problem: Instabile Werte
Lösung: Thermische Ankopplung verbessern, Wärmeleitpaste
Berührungslos Messen mit IR-Pyrometer & Thermografie
Bei berührungslosen Verfahren ist die optische Kette vom Messfleck bis zur Auswertung entscheidend für korrekte Ergebnisse. Sie eignen sich besonders für bewegte, heiße oder gefährliche Bauteile.
Was wird benötigt?
- Passendes Wellenlängenband für Material und Temperatur
- Korrekter Emissionsgrad (ε) für die Oberfläche
- Geeignete Optik (Spot-zu-Distanz-Verhältnis)
- Bei Thermografie: definierte Bildrate und Region of Interest (ROI)
Beispiel:
Bei einer rotierenden Welle wird die Temperatur über ein IR-Pyrometer mit kurzer Wellenlänge erfasst. Eine matte Markierung verhindert Reflexionsfehler.
Praxistipps:
- Spot-Größe beachten: Ein 10:1-Pyrometer misst auf 1m Entfernung einen 10cm-Kreis, nicht nur einen Punkt
- Messwinkel: Möglichst senkrecht zur Oberfläche messen, Spiegelungen vermeiden
- Atmosphäre: Staub, Dampf oder Rauch zwischen Sensor und Objekt verfälschen die Messung
Häufige Fehler und Abhilfe:
- Problem: Systematisch zu niedrige Werte
Lösung: Emissionsgrad zu niedrig eingestellt - Problem: Werte springen wild
Lösung: Spot zu groß, "sieht" Umgebung mit - Problem: Glänzende Oberflächen
Lösung: Matte Referenzmarke aufbringen
Faseroptische Temperaturmessung
FBG‑Sensoren arbeiten ohne elektrische Verbindung und eignen sich für Hochspannung, starke EMV und Ex‑Bereiche. Auch faseroptische Sensoren benötigen eine abgestimmte Messkette, vom Sensorgitter über die Faser bis zum Interrogator.
Was wird benötigt?
- FBG-Sensor (je nach Verfahren mehrere Sensoren pro Faser möglich)
- Geeignete Sensor-Verpackung und Ankopplung
- Optischer Interrogator (Auswerteeinheit)
- Mechanisch geschützte Faserführung
Besonderheiten:
FBG-Sensoren reagieren sowohl auf Temperatur als auch auf mechanische Dehnung. Für reine Temperaturmessung brauchen Sie dehnungskompensierte FBGs oder mechanisch entkoppelte Montage.
Praxistipps:
- Biegeradius beachten: Mindestens 10x Faserdurchmesser, sonst Signalverluste und Bruch möglich
- Multiplexing nutzen: Bis zu 40 Sensoren an einer Faser spart Verkabelung
- Coating wählen: Je nach Chemie und Temperatur (Acrylat, Polyimid, Metall)
Häufige Fehler und Abhilfe:
- Problem: Temperatur "springt" bei mechanischer Belastung
Lösung: Dehnungskompensierte Bauform verwenden - Problem: Signalverluste
Lösung: Biegeradius vergrößern, Spleiße prüfen - Problem: Sensor reagiert nicht
Lösung: Wellenlängenbereich des Interrogators prüfen
Anwendungsbeispiel: In einem HV‑Batteriemodul werden mehrere FBGs auf einer Faser entlang der Zellreihen geführt. Der Interrogator erfasst alle Messpunkte synchron und galvanisch getrennt vom Hochvolt-System.
Datenerfassung & Logging von Temperatursensoren
Unabhängig vom Sensortyp gilt: Die Erfassung muss die Bandbreite, Isolation und Zeitbasis liefern, die die Anwendung verlangt.
Hilfreiche Leitlinien:
- Die Abtastrate ist mindestens 2,5x mal höher als die höchste Signalfrequenz
- Ein Anti Aliasing Filter pro Kanal verhindert Verfälschungen (Faltungsfehler)
- Galvanisch isolierte Signaleingänge vermeiden Masseschleifen zwischen Sensoren - das ist besonders wichtig bei nichtisolierten Thermoelementen, die direkt auf dem Messobjekt angebracht sind
- Messgeräte werden synchronisiert, so das sein gemeinsamer Takt für alle Kanäle und Geräte gilt und zeitkorrekte Daten produziert werden.
- Trigger (Pre/Post) nutzen für ereignisbasierte Aufzeichnung
Wichtiger Hinweis: 24-Bit-Auflösung im Datenblatt bedeutet nicht automatisch hohe Messqualität. Erst das analoge Fundament (Sensor, Verstärker, Verkabelung) optimieren, dann die digitalen Möglichkeiten ausschöpfen.
Typische Fehlerquellen & wie sie sich vermeiden lassen
Es gibt wiederkehrende Fehlerquellen, die mit wenigen Grundsätzen zuverlässig beherrscht werden können.
Problem: Sensor zeigt schwankende Werte
Ursachen:
- Wackelkontakt in der Verbindung
- EMV-Störungen (besonders bei Thermoelementen)
- Sensor schlecht am Messobjekt angekoppelt
Lösung:
- Alle Steckverbinder prüfen
- Geschirmte Kabel verwenden, separate Kabeltrassen für Mess- und Leistungskreise
- Wärmeleitpaste zwischen Sensor und Bauteil
Problem: Messwerte sind konstant zu hoch/zu niedrig
Ursachen:
- Fehlende oder falsche Kaltstellenkompensation (Thermoelement)
- Selbsterwärmung (RTD mit zu hohem Messstrom)
- Falscher Emissionsgrad (IR)
Lösung:
- CJC-Funktion im Messgerät aktivieren und kalibrieren
- Messstrom reduzieren (< 1 mA bei Pt100)
- Emissionsgrad mit Referenzmessung bestimmen
Problem: Sensor reagiert sehr langsam
Ursachen:
- Zu große thermische Masse (dicker Schutzmantel)
- Schlechte Wärmeankopplung
- Filter in der Messkette zu träge eingestellt
Lösung:
- Dünneren Sensor verwenden
- Direktkontakt ohne Schutzrohr (wenn möglich)
- Zeitkonstanten der Filter überprüfen
Schnelle Überschlagsrechnungen für den Alltag
Kurze Überschlagsrechnungen unterstützen die Auslegung und dienen der Plausibilisierung im Testbetrieb.
Für Thermoelement (Typ K)
Faustformel: Der Sensor liefert ca. 40 µV (0,00004 V) pro Kelvin.
Beispiel: Bei 100 °C Temperaturdifferenz entspricht das einem 4 mV (0,004 V) Signal.
Praxistipp: Der Verstärker sollte mindestens 10-fach verstärken, dann haben Sie 40 mV/K – das ist schon gut messbar.
Für Pt100
Faustformel: 0,4 Ω pro Kelvin (näherungsweise)
Beispiel: Bei 100 °C hat ein Pt100 etwa 138 Ω statt 100 Ω bei 0 °C
Praxistipp: 1 mA Messstrom → 0,4 mV/K Signaländerung
Sensor-Ansprechzeiten abschätzen
Thermoelement (0,2 mm) in Luft: τ ≈ 0,1-0,5 s
Pt100 mit Schutzrohr in Flüssigkeit: τ ≈ 1-10 s
Infrarot-Pyrometer: τ < 0,1 s
τ (Tau) = Zeit bis 63% einer sprunghaften Temperaturänderung erfasst werden.
Checkliste für die Sensorwahl
Die Checkliste hilft, Anforderungen strukturiert zu erfassen und Optionen systematisch einzugrenzen.
- Temperaturbereich (Min/Max/Dynamik)
- Genauigkeitsanforderung
- Einbauumgebung (Vibration, Feuchte, Chemikalien, Hochspannung)
- Kabellängen und EMV-Anforderungen
- Budget und Zeitplan
- Wartung und Kalibrierung
Bei der Umsetzung beachten:
- Richtige Ausgleichsleitungen/Kabel bestellt
- CJC bei Thermoelementen vorgesehen
- 3- oder 4-Leiter-Technik bei RTD geplant
- Emissionsgrad bei IR-Messung bestimmt
- EMV-Konzept erstellt (geschirmte Kabel, getrennte Trassen)
- Kalibrierung/Verifikation eingeplant
Praktische Anwendungsbeispiele
Motorprüfstand
Elektronik-Entwicklung
Aufgabe: Hot-Spots auf Leiterplatten finden
Lösung:
- Erste Analyse: Wärmebildkamera (Überblick über die ganze Platine)
- Detailmessung: Miniatur-Thermoelemente oder IR-Pyrometer mit kleinem Spot
- Dauermessung: NTC-Thermistoren an kritischen ICs
Chemieanlage (Ex-Schutz)
Aufgabe: Reaktortemperatur in explosionsgefährdeter Umgebung
Lösung:
- FBG faseroptische Sensoren (intrinsisch sicher)
- Alternative: ATEX-zertifizierte Thermoelemente mit Trennbarrieren
- Mehrfach-Redundanz für sicherheitsrelevante Abschaltungen
HV-Batterien (Traktionsbatterien)
Aufgabe:
Zelltemperatur, Kühlkreislauf und thermisches Runaway-Management überwachen
Lösung:
- Zelltemperatur: Isolierte HV-Thermoelemente Typ T (Cu-CuNi) mit Keramikisolation bis 1000V, thermisch gekoppelt über isolierende Wärmeleitpads an Zellgehäuse
- Alternative Zellmessung: FBG-Sensoren - potentialfrei, mehrere Messpunkte pro Faser möglich, EMV-immun
- Kühlkreislauf: 2x Pt1000 in Kühlmittel-Vor- und Rücklauf (galvanisch getrennt vom HV-System)
Typische Kosten und Lieferzeiten
Grobe Orientierung (Stand 2025):
- Thermoelemente: 20-100 € (Standard), 200-500 € (Sonderausführungen)
- Pt100: 50-200 € (Standard), 300-800 € (Präzision/Hygiene)
- IR-Pyrometer: 200 - 2.000 € (Spot-Messgerät), 5.000 - 50.000 € (Wärmebildkamera)
- FBG faseroptisch: 200-500 € pro Sensor, 3.000 - 20.000 € für Interrogator
Lieferzeiten:
- Standard-Sensoren: 1-4 Wochen
- Sonderanfertigungen: 6-12 Wochen
- Faseroptische Systeme: 8-16 Wochen
Fazit: Die richtige Temperaturmessung für Ihr Projekt
Es gibt nicht "den besten" Temperatursensor – nur den besten für Ihre spezielle Anwendung:
- Für raue Umgebungen und hohe Temperaturen: Thermoelemente (besonders Typ K)
- Für höchste Genauigkeit und Stabilität: Pt100/1000 mit 4-Leiter-Technik
- Für kleine, empfindliche Elektronik: NTC-Thermistoren
- Für bewegte oder unzugängliche Teile: IR-Pyrometer
- Für EMV-kritische oder Ex-Umgebungen: Faseroptische FBG-Sensoren
Der wichtigste Tipp:
Die Messkette ist entscheidend! Der teuerste Sensor nützt nichts, wenn Kaltstellenkompensation, Verstärkung oder Kalibrierung nicht stimmen.
Für Einsteiger: Beginnen Sie mit Standard-Thermoelementen oder Pt100 – damit können Sie 90% aller Aufgaben lösen. Spezielle Sensoren wie FBG sind für ganz bestimmte Problemstellungen da.
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Wir freuen uns darauf, Ihre Prüf- und Messaufgaben kennenzulernen und gemeinsam Lösungen zu entwickeln, die Ihre Projekte auf das nächste Level bringen.