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Messung der Temperatur

Widerstandsthermometer

Widerstandsthermometer beruhen auf der Änderung des elektrischen Widerstandes von Metallen, Elektrolyten und Halbleitern mit der Temperatur in reproduzierbarer Weise. Der elektrische Widerstand eines metallischen Leiters der Länge l und dem Querschnitt A ist definiert als:

R = ρ l A

Hierbei ist ρ der spezifische Widerstand oder auch Resistivität ( ρ = R A l ).

In Abhängigkeit von dem Temperaturkoeffizienten unterscheidet man PTC-Temperatursensoren (Positiver Temperatur Coefficient), bei diesen nimmt der elektrische Widerstand mit steigender Temperatur zu (so genannte Kaltleiter). Mit der steigenden Temperatur nimmt die Schwingung der fest gebundenen Metallgitteratome zu, so dass die frei beweglichen Elektronen sich nur erschwert im Metallgitter bewegen können, es kommt zur Erhöhung des elektrischen Widerstandes. Zur Temperaturmessung eignen sich besonders Metalle wie Platin, Nickel, Molybdän, Iridium und Kupfer, wobei sich Platin durch seine hohe chemische Widerstandsfähigkeit, den hohen Schmelzpunkt, den hohen spezifischen Widerstand und seine leichte Bearbeitbarkeit besonders bewährt hat. Der Messbereich für Platin liegt im Bereich zwischen -200 °C und +850 °C (Pt100-Sensoren).

Weiterhin gibt es NTC-Temperatursensoren (Negativer Temperatur Coefficient), bei denen der elektrische Widerstand mit steigender Temperatur abnimmt (so genannte Heißleiter oder Thermistoren). Zum Einsatz kommen hierbei Halbleiter. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass ihre verbotene Zone (nicht besetzbares Energieband) zwischen den Leitungsbändern (Valenz- und Leitungsband) besonders schmal ist. Schon das Zufügen geringer thermischer Energie ermöglicht den Elektronen eine Überquerung der verbotenen Zone, somit nimmt die elektrische Leitfähigkeit stark zu. Durch Einlagerung von Fremdatomen (Dotierung) kann man diese Leitfähigkeit noch um ein Vielfaches erhöhen. Die bekanntesten Halbleitermaterialien sind Germanium und Silizium. Außerdem eignen sich Mischkristalle aus Eisenoxid, die mit Titandioxid dotiert werden.

Mit den Widerstandsthermometern kann man eine Messgenauigkeit von bis zu ± 0,001 K erreichen, jedoch dürfen sich die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Thermometermaterials im Temperaturmessbereich nicht verändern. Spezielle Ausführungen von Widerstandsthermometern werden in Bolometern auch in der Strahlungsthermometrie eingesetzt.

Die baulichen Ausführungen der Widerstandsthermometer sind sehr vielfältig und werden den jeweiligen Aufgabenstellungen angepasst.

Abb.1
Widerstandsthermometer 1
Abb.2
Widerstandsthermometer 2
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