Ansprechzeiten von Sensoren

Inhalt

1. Was bestimmt die Ansprechzeit?
2. Ansprechzeiten: Thermoelemente vs. RTDs (Widerstandsthermometer)
3. Zusammenfassung

Alle Temperatursensoren haben eine endliche Ansprechzeit, d. h. die Zeit, die zwischen einer Temperaturänderung und der entsprechenden Ausgabe des Sensors vergeht. In dynamischen Umgebungen, in denen schnelle und präzise Reaktionen erforderlich sind, wird diese Verzögerung kritisch. Beispiele hierfür sind u.a.:

• Regelsysteme
• Alarme und Sicherheitsabschaltungen
• Schaltvorgänge

Hinken die Sensoren der tatsächlichen Temperaturänderung hinterher, kann dies die Systemleistung beeinträchtigen.

Was bestimmt die Ansprechzeit?

Die inhärente Ansprechzeit eines Sensors wird maßgeblich durch seine physische Bauweise und seine thermischen Eigenschaften bestimmt. Eine gängige Prüfmethode besteht darin, den Sensor von Umgebungsbedingungen in schnell fließendes Wasser bei einer anderen Temperatur zu bringen, wodurch ein Vergleich zwischen verschiedenen Sensordesigns ermöglicht wird.

Wichtige thermische Eigenschaft: Temperaturleitfähigkeit

Die Temperaturleitfähigkeit eines Sensors bestimmt, wie schnell sich Temperaturänderungen durch seinen Körper ausbreiten. Sie wird durch die folgende Formel angegeben:

Temperaturleitfähigkeit = k/(c x ρ)

Dabei gilt:

• k = Wärmeleitfähigkeit
• c = spezifische Wärmekapazität
• ρ = Dichte

Schnellere Reaktionszeiten werden erreicht durch:

• Hohe Wärmeleitfähigkeit
• Geringe spezifische Wärmekapazität
• Geringe Dichte

So verbessern Sie die Ansprechzeit von Sensoren

Obwohl Materialeinschränkungen und Umgebungsanforderungen den Gestaltungsspielraum oft begrenzen, können die folgenden praktischen Maßnahmen helfen, die Ansprechzeiten zu verbessern:

• Den thermischen Widerstand an der Grenzfläche zwischen Sensor und Medium minimieren
• Den thermischen Weg verkürzen (Masse und Abstand zum Sensorelement verringern)
• Den kleinstmöglichen Sensor verwenden der dennoch die Anforderungen an Haltbarkeit und Genauigkeit erfüllt

Ansprechzeiten: Thermoelemente vs. RTDs

Thermoelemente

Bei Thermoelementen ist die Ausführung der Messstelle entscheidend:

• Geerdete Messstellen (direkt an die Mantelspitze angeschweißt) ermöglichen eine schnellere Reaktion.
• Ungeerdete/isolierte Messstellen sind langsamer, aber elektrisch isoliert.

Typische Ansprechzeiten von Thermoelementen

In einem Test von 20 °C auf 100 °C in bewegtem Wasser:

• 0,25 mm AD mineralisoliertes Mantelthermoelement (ungeerdet)  : ≈ 0,015 Sekunden bis zum Erreichen von 63,2 % des Temperatursprungs
• 10,8 mm AD Thermoelement (ungeerdet) : ≈ 9 Sekunden
• Geerdete Messstellen reagieren etwa doppelt so schnell wie ungeerdete Messstellen

i Größere Thermoelemente reagieren aufgrund der höheren thermischen Masse langsamer.

Widerstandsthermometer (RTDs)

Die Ansprechzeit von RTDs hängt ab von:

• Thermische Masse des Sensors (geringer = schneller)
• Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis (größer = besser)
• Kontaktqualität mit dem Medium , oft durch Schutzgehäuse begrenzt

Im Gegensatz zu Thermoelementen wird die RTD-Ansprechzeit durch den gesamten Sensorschaft beeinflusst, insbesondere wenn eine Isolierung oder eine Umgebungsabdichtung erforderlich ist.

Typische RTD-Ansprechzeiten

• Abgedichtete RTDs : 0,2 bis 0,5 Sekunden
• Dünnschicht-RTDs : bieten eine etwas schnellere Ansprechzeit
• Große, industrielle RTDs in Tauchhülsen: können mehrere Minuten Ansprechzeit benötigen

Zusammenfassung

Die Ansprechzeit des Sensors ist in schnell wechselnden, dynamischen Umgebungen entscheidend. Sie hängt von den thermischen Eigenschaften sowie der Konstruktion des Sensors ab.

• Thermoelemente reagieren am schnellsten, wenn sie geerdet und im Durchmesser klein sind.
• RTDs profitieren von geringer thermischer Masse, großer Oberfläche und gutem Kontakt — werden jedoch häufig durch ihre Schutzgehäuse verlangsamt.

Konstruktionsentscheidungen, wie Sensorgröße, Montagemethode oder Verbindungsart, können sich erheblich auf die Leistung auswirken. Wenn Millisekunden zählen, berücksichtigen Sie neben Genauigkeit und Langlebigkeit stets auch die Ansprechzeit.

Weiterführende Informationen

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