Temperatursensoren: Pt100/Pt1000, NTC, PTC, Halbleitersensoren, Thermoelemente und ihre Auswerteschaltungen

Temperatursensoren: Pt100/Pt1000, NTC, PTC, Halbleitersensoren, Thermoelemente und ihre Auswerteschaltungen

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Temperatursensor, Pt100, Pt1000, KTY, NTC, PTC, Halbleitertemperatursensor, Thermoelement, Kompensationsverfahren, I2C, Messumformer, Sensorauswahl

tl/dr; (ca. 29 min Lesezeit): Ob im Heizungsregler, im Akkupack oder im Industrieofen – irgendwo misst immer ein Temperatursensor. Dieser Artikel zeigt Schritt für Schritt, wie Platin-Messwiderstände, Silizium-Sensoren, Heiß- und Kaltleiter, analoge und digitale Halbleitersensoren und Thermoelemente arbeiten, wie Du aus Formel, Tabelle oder Kennlinie Widerstände und Spannungen bestimmst, wie die Auswerteschaltungen bis zum Messumformer vor der SPS aussehen und wie Du einen Sensor auswählst, ersetzt und in Betrieb nimmst [AI-Assisted]. (Zuletzt geändert am 11.11.2026)

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Dieser Artikel baut auf der Kann-Liste der Artikel Veränderliche Widerstände und Brückenschaltungen und Messbrücken auf.

Als Elektrotechnik-Grundlagen kann ich nach Durcharbeiten des Artikels…

• … die Bedeutung der Bezeichnungen Pt100 und Pt1000 erklären und den Widerstand eines Platin-Messwiderstands bei einer gegebenen Temperatur berechnen.

• … Widerstand, Messstrom und Spannungsfall von Temperatursensoren (Pt100, Pt1000, KTY, NTC, PTC) aus Formel, Kennwerttabelle oder Kennlinie bestimmen, auch an einer Konstantstromquelle und im Spannungsteiler.

• … Sensorkennlinien den passenden Schaltzeichen und Sensorarten zuordnen.

• … die Temperatur aus der Ausgangsspannung eines linearen Halbleitersensors berechnen und die Einstellspannung für eine Solltemperatur bestimmen.

• … die Ausgangsspannung eines Differenzverstärkers an einer Pt100-Messbrücke berechnen.

• … Thermoelemente als aktive Sensoren beschreiben, eine Thermospannung berechnen und das Kompensationsverfahren zu ihrer Messung erklären.

• … digitale Temperatursensoren mit I²C-Schnittstelle anhand eines englischsprachigen Datenblatts adressieren, ihren Messwert umrechnen und ihre Ausgänge beschalten.

• … die Aufgabe eines Temperatur-Messumformers vor dem Analogeingang einer SPS erklären und sein Ausgangssignal bzw. den zugehörigen Sensorwiderstand berechnen.

• … Widerstandstabellen aus Datenblättern erstellen und eine Temperaturmessung mit simulierten Sensorwerten in Betrieb nehmen und abgleichen.

• … Temperatursensoren nach Eigenschaften, Vor- und Nachteilen vergleichen, für eine Messaufgabe auswählen und den Ersatz eines Sensortyps beurteilen.

Temperatur ist die physikalische Größe, die in der Technik am häufigsten gemessen wird: Der Heizungsregler braucht die Vorlauftemperatur, das Ladegerät die Temperatur der Akkuzellen, die Lüftersteuerung die des Kühlkörpers und der Härteofen die seiner Brennkammer. Für jede dieser Aufgaben gibt es einen passenden Sensor – und die Wahl entscheidet, wie aufwendig die Auswerteschaltung wird und wie genau das Ergebnis ist.

Das Bild zeigt die Kennlinien der wichtigsten Sensorarten im Vergleich: links die Widerstandssensoren mit logarithmischer Widerstandsachse, in der Mitte einen analogen Halbleitersensor mit Spannungsausgang und rechts die Thermospannung eines Thermoelements.

Zum Üben gibt es einen eigenen Artikel mit Aufgaben und einblendbaren Beispiellösungen: Übungsaufgaben zu Temperatursensoren.

Schritt 1: Sensorarten und Messprinzipien im Überblick

Ein Sensor wandelt die Temperatur in ein elektrisches Signal. Nach der Art, wie das geschieht, unterscheidet man zwei Gruppen:

• Passive Sensoren ändern eine elektrische Eigenschaft – meist ihren Widerstand – mit der Temperatur. Um daraus ein Signal zu gewinnen, brauchen sie eine Hilfsenergie: einen Messstrom oder eine Versorgungsspannung. Dazu gehören Platin-Messwiderstände (Pt100, Pt1000), Silizium-Sensoren (KTY), Heißleiter (NTC) und keramische Kaltleiter (PTC), außerdem die Halbleitersensoren mit integrierter Elektronik.

• Aktive Sensoren erzeugen das Signal ohne Hilfsenergie selbst. Bei der Temperaturmessung ist das das Thermoelement: Es liefert eine kleine Spannung, die von der Temperaturdifferenz zwischen zwei Stellen abhängt.

Achtung: In manchen Büchern werden die Begriffe genau umgekehrt verwendet (aktiv = „braucht eine eigene Versorgung“). Achte darauf, welche Bedeutung ein Text meint; im Zweifel beschreibst Du einfach, ob der Sensor Hilfsenergie braucht oder nicht.

In Schaltplänen erkennst Du die Widerstandssensoren am Widerstandssymbol mit schrägem Strich (nichtlinearer Widerstand) und dem Zeichen \vartheta für die Temperatur. Zwei Pfeile zeigen die Wirkrichtung: gleichsinnig für Kaltleiter (Temperatur steigt, Widerstand steigt), gegensinnig für Heißleiter. So ordnest Du Kennlinie und Schaltzeichen einander zu:

Wie die Schaltzeichen genau aussehen und wie Heiß- und Kaltleiter im Einzelnen funktionieren, zeigt der Artikel Veränderliche Widerstände.

Schritt 2: Platin-Messwiderstände Pt100 und Pt1000

Was bedeutet die Zahl?

„Pt“ ist das chemische Zeichen für Platin, die Zahl nennt den Nennwiderstand R_0 bei 0\ °\mathrm{C}: Ein Pt100 hat bei 0\ °\mathrm{C} genau 100\ \Omega, ein Pt1000 genau 1000\ \Omega. Beide haben dieselbe Kennlinienform, der Pt1000 hat bei jeder Temperatur den zehnfachen Widerstand. Kennlinie und Toleranzen sind in DIN EN IEC 60751 genormt; deshalb kannst Du einen Platinsensor gegen einen gleichartigen eines anderen Herstellers tauschen, ohne die Auswertung neu abzugleichen.

Den Widerstand bei einer Temperatur berechnen

Für Temperaturen von 0 bis etwa 100\ °\mathrm{C} genügt meist die lineare Näherung mit dem mittleren Temperaturkoeffizienten \alpha = 3{,}85 \cdot 10^{-3}\ \mathrm{1/K}:

R_\vartheta = R_0 \cdot (1 + \alpha \cdot \Delta\vartheta) \qquad \text{mit} \qquad \Delta\vartheta = \vartheta - 0\ °\mathrm{C}

Beispiel: Ein Pt100 bei 80\ °\mathrm{C} hat R_\vartheta = 100\ \Omega \cdot (1 + 0{,}00385\ \mathrm{1/K} \cdot 80\ \mathrm{K}) = 130{,}8\ \Omega. Die Widerstandsänderung beträgt also 0{,}385\ \Omega je Kelvin beim Pt100 und 3{,}85\ \Omega je Kelvin beim Pt1000.

Genauer rechnet die Norm mit einer quadratischen Gleichung:

R_\vartheta = R_0 \cdot (1 + A \cdot \vartheta + B \cdot \vartheta^2) \qquad A = 3{,}9083 \cdot 10^{-3}\ \mathrm{1/°C},\quad B = -5{,}775 \cdot 10^{-7}\ \mathrm{1/°C^2}

Für Temperaturen unter 0\ °\mathrm{C} kommt ein weiteres, sehr kleines Glied hinzu. Für den Pt100 bei 80\ °\mathrm{C} ergibt die Normgleichung 130{,}9\ \Omega – der Unterschied zur linearen Näherung ist hier kleiner als 0{,}1\ \Omega. Bei 200\ °\mathrm{C} sind es dagegen schon rund 1{,}1\ \Omega (lineare Näherung 177{,}0\ \Omega, Norm 175{,}9\ \Omega), das entspricht fast drei Kelvin.

Werte aus der Grundwerttabelle

In der Praxis liest Du die Werte meist aus der Grundwerttabelle des Datenblatts ab, die nach der Normgleichung berechnet ist. Ein Auszug:

Liegt die Temperatur zwischen zwei Tabellenwerten, interpolierst Du linear: Bei 70\ °\mathrm{C} liegt der Pt1000 mitten zwischen 1232{,}4\ \Omega und 1309{,}0\ \Omega, also bei etwa 1270{,}7\ \Omega.

Toleranzklassen

Kein Sensor trifft die Normkennlinie exakt. Die Norm legt deshalb Klassen mit einer zulässigen Temperaturabweichung fest, die mit dem Betrag der Temperatur wächst:

Ein Pt100 der Klasse B darf bei 100\ °\mathrm{C} also zwischen 99{,}2\ °\mathrm{C} und 100{,}8\ °\mathrm{C} „anzeigen“; in Widerstand umgerechnet sind das rund \pm 0{,}3\ \Omega.

KTY und NTC im Vergleich

KTY-Sensoren aus Silizium sind ebenfalls Kaltleiter. Sie haben einen größeren Temperaturkoeffizienten als Platin (etwa 0{,}8\ \%/\mathrm{K}), sind günstiger, aber nicht genormt: Nennwert (oft bei 25\ °\mathrm{C} angegeben, z. B. 1\ \mathrm{k\Omega} oder 2\ \mathrm{k\Omega}) und Kennlinie stehen im Datenblatt des Herstellers, meist als Tabelle mit Toleranzangabe.

NTC-Heißleiter sind sehr empfindlich, aber stark nichtlinear. Ihren Widerstand bestimmst Du aus der Kennwerttabelle oder mit dem B-Wert; die Formel und Beispiele stehen im Artikel Veränderliche Widerstände. Keramische PTC eignen sich nicht zum Messen, sondern zum Schalten bei einer festen Temperatur, etwa im Motorschutz.

Schritt 3: Auswerteschaltungen für Widerstandssensoren

Ein Widerstand allein ist noch kein Signal. Die Auswerteschaltung macht daraus eine Spannung, die ein Analogeingang, ein Komparator oder ein Verstärker verarbeiten kann. Die beiden einfachsten Varianten zeigt das Bild.

Sensor im Spannungsteiler

Liegt der Sensor im unteren Zweig eines Spannungsteilers, gilt die Spannungsteilerregel:

U_\vartheta = U_0 \cdot \frac{R_\vartheta}{R_1 + R_\vartheta}

Beispiel: U_0 = 3{,}3\ \mathrm{V}, R_1 = 4{,}7\ \mathrm{k\Omega}, Pt1000 bei 60\ °\mathrm{C} mit 1232{,}4\ \Omega (Tabelle oben):

U_\vartheta = 3{,}3\ \mathrm{V} \cdot \frac{1232{,}4\ \Omega}{4700\ \Omega + 1232{,}4\ \Omega} \approx 0{,}686\ \mathrm{V}

Durch den Sensor fließt I = \frac{3{,}3\ \mathrm{V}}{5932\ \Omega} \approx 0{,}556\ \mathrm{mA}, er setzt P = I^2 \cdot R_\vartheta \approx 0{,}38\ \mathrm{mW} in Wärme um. Steigt die Temperatur, steigt der Widerstand des Pt1000 und damit auch U_\vartheta. Bei einem NTC an derselben Stelle sinkt U_\vartheta mit steigender Temperatur.

Hast Du statt einer Formel eine Kennlinie U_\vartheta(\vartheta) der fertigen Schaltung, liest Du die Spannung direkt ab. Hast Du nur die Kennlinie R(\vartheta) des Sensors, liest Du zuerst den Widerstand ab und setzt ihn dann in die Spannungsteilerregel ein. Weil R_\vartheta auch im Nenner steht, ist U_\vartheta(\vartheta) selbst bei einem linearen Sensor leicht gekrümmt.

Speisung aus einer Konstantstromquelle

Eine Konstantstromquelle treibt einen festen Strom I_\mathrm{K} durch den Sensor, unabhängig von dessen Widerstand. Die Spannung am Sensor ist dann direkt proportional zum Widerstand:

U_\vartheta = I_\mathrm{K} \cdot R_\vartheta

Ein Pt100 bei 60\ °\mathrm{C} (123{,}24\ \Omega) liefert mit I_\mathrm{K} = 1\ \mathrm{mA} genau 123{,}24\ \mathrm{mV}. Je Kelvin ändert sich die Spannung um rund 0{,}39\ \mathrm{mV} – das Signal ist klein und muss verstärkt werden. Der Messstrom bleibt bei Platinsensoren typisch bei 0{,}1 \dots 1\ \mathrm{mA} (Pt100) bzw. 0{,}1 \dots 0{,}5\ \mathrm{mA} (Pt1000), damit die Eigenerwärmung durch P = I_\mathrm{K}^2 \cdot R_\vartheta das Ergebnis nicht verfälscht.

Messbrücke mit Differenzverstärker

Für kleine Temperaturänderungen um einen Bezugspunkt nimmt man eine Messbrücke: Bei der Abgleichtemperatur ist die Brückenspannung U_\mathrm{AB} null, darüber wächst sie mit der Temperatur. Ein Differenzverstärker verstärkt nur diese Differenz:

U_\mathrm{A} = \frac{R_\mathrm{f}}{R_\mathrm{e}} \cdot U_\mathrm{AB}

(R_\mathrm{f} Rückkopplungswiderstand, R_\mathrm{e} Eingangswiderstand, beide Widerstandspaare gleich). Beispiel: Liefert die Brücke bei 150\ °\mathrm{C} eine Spannung von 0{,}21\ \mathrm{V} und soll der Verstärkerausgang dann 3{,}0\ \mathrm{V} erreichen, brauchst Du v = \frac{3{,}0\ \mathrm{V}}{0{,}21\ \mathrm{V}} \approx 14{,}3, also z. B. R_\mathrm{e} = 10\ \mathrm{k\Omega} und R_\mathrm{f} \approx 143\ \mathrm{k\Omega}; aus der E12-Reihe nimmst Du den nächstkleineren Wert 120\ \mathrm{k\Omega}, damit der Ausgang den Eingangsbereich der Folgestufe nicht überschreitet. Wie Du Brückenspannungen berechnest, die Verstärkerwiderstände dimensionierst und Leitungswiderstände mit Drei- oder Vierleiterschaltung ausgleichst, zeigt der Artikel Brückenschaltungen und Messbrücken.

Schritt 4: Analoge Halbleitersensoren mit Spannungsausgang

Integrierte Halbleitersensoren nutzen die Temperaturabhängigkeit der Basis-Emitter-Spannung von Transistoren. Ihre Elektronik ist auf dem Chip schon so abgeglichen, dass die Ausgangsspannung linear mit der Temperatur steigt. Das Datenblatt nennt dazu zwei Werte:

• die Steilheit (Empfindlichkeit) S, z. B. 10\ \mathrm{mV/°C},

• einen Bezugspunkt: die Spannung bei einer bestimmten Temperatur oder den Offset U_\mathrm{off} bei 0\ °\mathrm{C}.

Daraus ergibt sich die Kennliniengleichung:

U_\mathrm{A} = U_\mathrm{off} + S \cdot \vartheta

Je nach Typ unterscheiden sich Offset und Steilheit:

Temperatur aus der Ausgangsspannung berechnen

Stellst Du die Gleichung nach \vartheta um, bekommst Du die Temperatur:

\vartheta = \frac{U_\mathrm{A} - U_\mathrm{off}}{S}

Beispiel: Ein Sensor mit U_\mathrm{off} = 500\ \mathrm{mV} und S = 10\ \mathrm{mV/°C} liefert 820\ \mathrm{mV}. Dann ist \vartheta = \frac{820\ \mathrm{mV} - 500\ \mathrm{mV}}{10\ \mathrm{mV/°C}} = 32\ °\mathrm{C}. Bei -15\ °\mathrm{C} gibt derselbe Sensor 500\ \mathrm{mV} - 150\ \mathrm{mV} = 350\ \mathrm{mV} aus.

Einstellspannung für eine Solltemperatur

Soll ein Komparator (Artikel Komparator und Schmitt-Trigger) bei einer Solltemperatur schalten, stellst Du seine Vergleichsspannung auf genau die Sensorspannung bei dieser Temperatur ein. Für eine Lüfterschaltung, die bei 45\ °\mathrm{C} einschalten soll, brauchst Du mit dem Sensor von oben U_\mathrm{soll} = 500\ \mathrm{mV} + 10\ \mathrm{mV/°C} \cdot 45\ °\mathrm{C} = 950\ \mathrm{mV}. Diese Spannung stellst Du z. B. mit einem Spannungsteiler oder Potenziometer aus einer stabilen Referenzspannung ein und misst sie beim Abgleich nach.

Genauso bestimmst Du Sollwerte für Messpunkte: Bevor Du eine Baugruppe prüfst, rechnest Du aus dem Datenblatt aus, welche Spannung an jedem Messpunkt bei der aktuellen Raumtemperatur zu erwarten ist. Weicht der Messwert ab, ist der Sensor falsch angeschlossen, defekt oder die Versorgung stimmt nicht.

Schritt 5: Thermoelemente als aktive Sensoren

Verbindest Du zwei Drähte aus verschiedenen Metallen an einem Ende und erwärmst diese Stelle, entsteht zwischen den freien Enden eine kleine Spannung, die Thermospannung (Seebeck-Effekt). Sie hängt nicht von der absoluten Temperatur ab, sondern von der Differenz zwischen der Messstelle (Verbindungsstelle, Temperatur \vartheta_\mathrm{M}) und der Vergleichsstelle (Übergang auf Kupferleitungen, Temperatur \vartheta_\mathrm{V}):

U_\mathrm{th} \approx k \cdot (\vartheta_\mathrm{M} - \vartheta_\mathrm{V})

Der Thermokoeffizient k hängt von der Metallpaarung ab. Die Typen sind in DIN EN IEC 60584 genormt:

Beispiel: Ein Thermoelement Typ K misst 400\ °\mathrm{C}, die Vergleichsstelle im Schaltschrank hat 22\ °\mathrm{C}. Mit der Näherung ist U_\mathrm{th} \approx 41\ \mathrm{µV/K} \cdot 378\ \mathrm{K} \approx 15{,}5\ \mathrm{mV}. Die Grundwerttabelle der Norm liefert 16{,}397\ \mathrm{mV} - 0{,}879\ \mathrm{mV} = 15{,}518\ \mathrm{mV} – die Näherung passt hier gut, bei sehr hohen oder tiefen Temperaturen nimmst Du die Tabelle.

Vergleichsstelle: Weil nur die Differenz gemessen wird, muss die Auswertung die Temperatur der Vergleichsstelle kennen. Früher hielt man sie mit einem Eisbad auf 0\ °\mathrm{C}; heute misst ein zweiter Sensor (z. B. ein Pt1000 oder Halbleitersensor) die Klemmentemperatur, und die Elektronik addiert den passenden Wert (Vergleichsstellenkompensation). Zwischen Thermoelement und Auswertung verlegst Du Ausgleichsleitungen aus denselben oder thermoelektrisch gleichwertigen Werkstoffen; sonst entstehen an jeder Klemme weitere ungewollte „Thermoelemente“.

Die Thermospannung im Kompensationsverfahren messen

Die Thermospannung ist klein, und das Thermoelement hat zusammen mit den Leitungen einen Innenwiderstand von einigen Ohm bis zu einigen hundert Ohm. Ein Messgerät, das Strom aufnimmt, misst deshalb zu wenig. Das Kompensationsverfahren umgeht das: Man legt der unbekannten Spannung eine bekannte, einstellbare Gegenspannung U_\mathrm{K} entgegen und stellt sie so ein, dass ein empfindlicher Nullindikator keinen Strom mehr anzeigt.

So gehst Du vor:

1. Die Hilfsquelle U_\mathrm{H} speist das Potenziometer R_\mathrm{P}; am Abgriff liegt die einstellbare Spannung U_\mathrm{K}.

2. Thermoelement und Abgriff sind gegeneinander geschaltet: Plus an Plus über den Nullindikator, Minus an Minus.

3. Du verstellst das Potenziometer, bis der Nullindikator null zeigt. Dann ist U_\mathrm{th} = U_\mathrm{K}.

4. Du liest U_\mathrm{K} am Spannungsmesser ab (oder am kalibrierten Potenziometer) und rechnest mit Thermokoeffizient bzw. Grundwerttabelle und Vergleichsstellentemperatur in die Messstellentemperatur um.

Im Abgleich fließt kein Strom durch das Thermoelement. Innen- und Leitungswiderstände verursachen also keinen Spannungsfall und verfälschen das Ergebnis nicht. Genau ist die Messung allerdings nur, wenn U_\mathrm{K} genau bekannt ist – deshalb nutzt man als Hilfsquelle eine stabile Referenzspannung. Elektronische Thermoelement-Messumformer arbeiten nach demselben Gedanken: Ihr Eingang ist so hochohmig, dass praktisch kein Strom fließt.

Schritt 6: Digitale Temperatursensoren mit I²C-Schnittstelle

Digitale Temperatursensoren enthalten Sensor, A/D-Umsetzer und Schnittstelle auf einem Chip. Sie liefern den Messwert als Zahl, die ein Mikrocontroller über einen Bus abfragt – oft über I²C mit den beiden Leitungen SDA (Daten) und SCL (Takt). Die Datenblätter sind fast immer englisch. Ein typischer Auszug sieht so aus:

Temperature sensor with I2C interface
- Supply voltage VDD: 1.6 V to 5.5 V
- Accuracy: ±0.5 °C (typ.) from -20 °C to +85 °C
- Resolution: 12 bit, 0.0625 °C per LSB
- I2C slave address: 1 0 0 1 A2 A1 A0 (7 bit), A2...A0 set by pins
- SDA, SCL: open-drain, external pull-up resistors required
- ALERT: open-drain output, active low, asserted when
  temperature exceeds T_HIGH
- Temperature register (0x00): two bytes, MSB first,
  12-bit two's complement, left-justified

Die wichtigsten Begriffe: supply voltage (Versorgungsspannung), accuracy (Genauigkeit), resolution (Auflösung), slave address (Teilnehmeradresse), open-drain (offener Drain-Ausgang, schaltet nur nach Masse), pull-up resistor (Widerstand nach Plus), active low (aktiv bei Low-Pegel), exceeds (überschreitet), two’s complement (Zweierkomplement), left-justified (linksbündig).

Adresse einstellen

Mehrere Sensoren dürfen am selben Bus hängen, wenn jeder eine eigene Adresse hat. Die oberen vier Bits sind fest (1001), die unteren drei stellst Du mit den Pins A2, A1 und A0 ein (an GND = 0, an VDD = 1). Im Bild liegen A2 und A1 an GND und A0 an VDD:

\text{Adresse} = 1001\,001_2 = 49_{16}

Mit drei Adresspins sind 2^3 = 8 Sensoren an einem Bus möglich (Adressen 48_{16} bis 4\mathrm{F}_{16}). Ein Adresspin darf nie offen bleiben, sonst ist die Adresse zufällig.

Messwert umrechnen

Das Temperaturregister liefert zwei Bytes. Die oberen 12 Bit sind der Messwert im Zweierkomplement, die unteren 4 Bit sind ungenutzt (left-justified). Du verschiebst die 16-Bit-Zahl daher um vier Stellen nach rechts und multiplizierst mit der Auflösung:

• Gelesen: 1\mathrm{A}_{16} und 30_{16}, zusammen 1\mathrm{A}30_{16}. Nach rechts geschoben: 1\mathrm{A}3_{16} = 419. Temperatur: 419 \cdot 0{,}0625\ °\mathrm{C} = 26{,}1875\ °\mathrm{C} \approx 26{,}2\ °\mathrm{C}.

• Gelesen: \mathrm{FE}_{16} und 80_{16}, also \mathrm{FE}8_{16} = 4072. Das höchste Bit ist 1, die Zahl ist negativ: 4072 - 4096 = -24, also -24 \cdot 0{,}0625\ °\mathrm{C} = -1{,}5\ °\mathrm{C}.

Ausgänge beschalten

SDA, SCL und ALERT sind Open-Drain-Ausgänge: Sie können die Leitung nur nach Masse ziehen. Den High-Pegel liefert ein Pull-up-Widerstand nach der Versorgungsspannung, typisch 2{,}2 \dots 10\ \mathrm{k\Omega} (kleinere Werte bei schnellen Bussen und langen Leitungen). Weil ALERT active low ist, liest der Mikrocontroller im Normalfall High; überschreitet die Temperatur den eingestellten Grenzwert, zieht der Sensor die Leitung auf Low. Mehrere ALERT-Ausgänge darfst Du an einer gemeinsamen Leitung zusammenschalten (verdrahtetes ODER mit einem Pull-up). Gegenüber analogen Sensoren sparst Du den A/D-Umsetzer und den Abgleich, brauchst aber einen Mikrocontroller und musst die Busleitungen kurz halten.

Aufbau auf dem Steckbrett

Für erste Versuche steckst Du den Sensor auf einer kleinen Breakout-Platine neben einen Mikrocontroller, hier ein ESP32-C6-Board. Auf vielen Breakout-Platinen sind die Pull-up-Widerstände für SDA, SCL und ALERT schon bestückt; dann entfallen -R1 bis -R3 aus dem Schaltplan. Die Adresspins sind wie im Schaltplan beschaltet (Adresse 49_{16}).

Im Programm startest Du den Bus mit Wire.begin(23, 22) (SDA, SCL), liest ab Adresse 0x49 zwei Bytes aus Register 0x00 und konfigurierst GPIO21 als Eingang (pinMode(21, INPUT)). Die Fritzing-Datei des Aufbaus liegt im Ordner fritzing/ des Quell-Repos.

Schritt 7: Messumformer vor dem Analogeingang der SPS

Eine SPS kann einen Pt100 nur dann direkt auswerten, wenn sie eine spezielle Widerstandsthermometer-Baugruppe hat. Normale Analogeingänge erwarten ein Einheitssignal, meist 0 \dots 10\ \mathrm{V} oder 4 \dots 20\ \mathrm{mA}. Dazwischen sitzt ein Messumformer (Transmitter), oft direkt im Anschlusskopf des Sensors. Er

• speist den Sensor (Messstrom bzw. Vergleichsstellenkompensation beim Thermoelement),

• linearisiert die Kennlinie und gleicht Leitungswiderstände aus (Drei- oder Vierleiterschaltung),

• bildet einen eingestellten Temperaturbereich auf das Einheitssignal ab,

• liefert ein störfestes Signal, das auch über lange Leitungen kommt; beim Stromsignal fallen Leitungswiderstände nicht ins Gewicht, und ein Strom unter 4\ \mathrm{mA} zeigt einen Drahtbruch an,

• trennt den Sensorkreis oft galvanisch von der SPS.

Für einen Messumformer mit dem Bereich \vartheta_\mathrm{min} \dots \vartheta_\mathrm{max} und 4 \dots 20\ \mathrm{mA} gilt:

I = 4\ \mathrm{mA} + 16\ \mathrm{mA} \cdot \frac{\vartheta - \vartheta_\mathrm{min}}{\vartheta_\mathrm{max} - \vartheta_\mathrm{min}}

Beispiel: Bereich 0 \dots 200\ °\mathrm{C}, Temperatur 75\ °\mathrm{C}: I = 4\ \mathrm{mA} + 16\ \mathrm{mA} \cdot \frac{75}{200} = 10\ \mathrm{mA}.

Umgekehrt kannst Du aus dem Signal auf den Sensorwiderstand schließen, etwa bei der Fehlersuche: Zeigt derselbe Messumformer 12{,}8\ \mathrm{mA}, ist \vartheta = \frac{12{,}8\ \mathrm{mA} - 4\ \mathrm{mA}}{16\ \mathrm{mA}} \cdot 200\ °\mathrm{C} = 110\ °\mathrm{C}; ein Pt100 hat dann (lineare Näherung) 100\ \Omega \cdot (1 + 0{,}00385\ \mathrm{1/K} \cdot 110\ \mathrm{K}) \approx 142{,}4\ \Omega. Misst Du am abgeklemmten Sensor einen deutlich anderen Wert, liegt der Fehler beim Sensor oder der Leitung, sonst beim Messumformer oder der SPS. Einheitssignale, Bürde und Skalierung in der SPS behandelt der Artikel Messumformer und Einheitssignale.

Schritt 8: Inbetriebnahme mit simulierten Sensorwerten

Eine Temperaturmessung nimmst Du nicht in Betrieb, indem Du auf die richtige Temperatur wartest. Stattdessen ersetzt Du den Sensor durch einen bekannten Widerstand, der einer bestimmten Temperatur entspricht, und prüfst, ob die Anzeige stimmt.

1. Widerstandstabelle aus dem Datenblatt erstellen: Für die Prüfpunkte (z. B. Anfang, Mitte und Ende des Messbereichs sowie die Schaltschwelle) schreibst Du die Sensorwerte aus der Grundwerttabelle heraus oder berechnest sie. Für einen Pt1000 im Bereich 0 \dots 100\ °\mathrm{C} sind das z. B. 1000{,}0\ \Omega, 1194{,}0\ \Omega und 1385{,}1\ \Omega bei 0, 50 und 100\ °\mathrm{C}.

2. Sensor simulieren: Statt des Sensors schließt Du eine Widerstandsdekade oder einen Sensorsimulator an dieselben Klemmen an (bei Drei- oder Vierleiterschaltung mit allen Adern) und stellst den ersten Tabellenwert ein.

3. Anzeige prüfen und abgleichen: Zeigt die Auswertung am unteren Punkt nicht den Sollwert, gleichst Du den Nullpunkt (Offset) ab, am oberen Punkt die Steigung (Verstärkung, Spanne). Weil beide Einstellungen sich gegenseitig beeinflussen können, wiederholst Du das, bis beide Punkte stimmen.

4. Mittelpunkt und Schaltschwellen kontrollieren: Der Mittelpunkt zeigt, ob die Linearisierung stimmt; an der Schaltschwelle prüfst Du, ob Relais, Meldung oder ALERT-Ausgang auslösen.

5. Ergebnis dokumentieren und den echten Sensor wieder anschließen; zum Schluss eine Plausibilitätsprüfung bei Raumtemperatur.

Bei analogen Halbleitersensoren simulierst Du entsprechend eine Spannung (einstellbare Spannungsquelle), bei Thermoelementen eine Thermospannung mit einem Kalibrator, der die Vergleichsstellentemperatur berücksichtigt.

Schritt 9: Den passenden Sensor auswählen und ersetzen

Die Auswahl richtet sich nach Messbereich, Genauigkeit, Ansprechzeit, Umgebung und dem Aufwand, den die Auswertung treiben darf:

Einen Sensortyp ersetzen: Fällt ein Sensor aus und ist der gleiche Typ nicht lieferbar, prüfst Du vor dem Tausch, ob der Ersatz zur Auswertung passt – nicht nur, ob er den Messbereich abdeckt:

• Pt100 gegen Pt100 eines anderen Herstellers: problemlos, wenn Toleranzklasse, Bauform und Anschlussart (Zwei-, Drei-, Vierleiter) stimmen.

• Pt100 gegen Pt1000: gleiche Kennlinienform, aber zehnfacher Widerstand. Ohne Umstellung zeigt ein Pt100-Messumformer bei 0\ °\mathrm{C} die Anzeige für 1000\ \Omega, also weit über dem Messbereich (bzw. „Überlauf“). Viele Messumformer und SPS-Baugruppen lassen sich umparametrieren; dann ist der Pt1000 bei langen Zweileiterleitungen sogar genauer.

• KTY oder NTC gegen Pt: Kennlinie und Widerstandsbereich sind völlig anders; die Auswertung muss neu berechnet bzw. umparametriert werden. Ein NTC an Stelle eines Kaltleiters kehrt sogar die Wirkrichtung um: Steigende Temperatur würde als fallende angezeigt.

• Thermoelement gegen Widerstandsthermometer: nur mit anderem Messumformer bzw. anderer Eingangsbaugruppe. Auch zwischen Thermoelementtypen (z. B. J gegen K) ist ein Tausch ohne Umstellung falsch, weil die Thermospannungen verschieden sind.

• Analoger gegen digitalen Halbleitersensor: ändert die Schnittstelle; Leiterplatte und Programm müssen angepasst werden.

Wie geht es weiter?

• Aufgaben zu allen Schritten dieses Artikels: Übungsaufgaben zu Temperatursensoren

• Einheitssignale, Bürde und Skalierung in der SPS: Messumformer und Einheitssignale

• NTC, PTC und Sensor-Spannungsteiler im Detail: Veränderliche Widerstände

• Messbrücke, Brückenverstärker und Leitungskompensation: Brückenschaltungen und Messbrücken

• Differenz- und Instrumentenverstärker: OPV-Rechen- und Messverstärker

Leitfragen

1. Was bedeutet die Zahl in den Bezeichnungen Pt100 und Pt1000, und wie berechnest Du den Widerstand bei einer Temperatur? Antwort

Die Zahl ist der Nennwiderstand in Ohm bei 0 °C. Den Widerstand berechnest Du näherungsweise mit R_\vartheta = R_0 \cdot (1 + \alpha \cdot \Delta\vartheta) und \alpha = 0{,}00385\ \mathrm{1/K} oder liest ihn genauer aus der Grundwerttabelle ab. siehe Abschnitt „Schritt 2: Platin-Messwiderstände Pt100 und Pt1000“

2. Wie unterscheiden sich aktive und passive Temperatursensoren, und wie erkennst Du Kaltleiter und Heißleiter im Schaltzeichen? Antwort

Passive Sensoren ändern ihren Widerstand und brauchen Hilfsenergie, aktive Sensoren wie das Thermoelement erzeugen die Spannung selbst. Im Schaltzeichen zeigen gleichsinnige Pfeile einen Kaltleiter (Widerstand steigt mit der Temperatur), gegensinnige einen Heißleiter. siehe Abschnitt „Schritt 1: Sensorarten und Messprinzipien im Überblick“

3. Wie bestimmst Du die Spannung an einem Temperatursensor im Spannungsteiler und an einer Konstantstromquelle? Antwort

Im Spannungsteiler gilt U_\vartheta = U_0 \cdot \frac{R_\vartheta}{R_1 + R_\vartheta}, an der Konstantstromquelle U_\vartheta = I_\mathrm{K} \cdot R_\vartheta; den Sensorwiderstand nimmst Du aus Formel, Tabelle oder Kennlinie. siehe Abschnitt „Schritt 3: Auswerteschaltungen für Widerstandssensoren“

4. Wie berechnest Du die Temperatur aus der Spannung eines linearen Halbleitersensors und die Einstellspannung für eine Solltemperatur? Antwort

Mit \vartheta = \frac{U_\mathrm{A} - U_\mathrm{off}}{S}; die Einstellspannung ist die Sensorspannung bei der Solltemperatur, U_\mathrm{soll} = U_\mathrm{off} + S \cdot \vartheta_\mathrm{soll}. siehe Abschnitt „Schritt 4: Analoge Halbleitersensoren mit Spannungsausgang“

5. Warum misst man die Thermospannung eines Thermoelements im Kompensationsverfahren, und wie gehst Du dabei vor? Antwort

Du legst der Thermospannung eine einstellbare, bekannte Gegenspannung entgegen und stellst sie ein, bis der Nullindikator null zeigt; dann sind beide Spannungen gleich. Weil im Abgleich kein Strom fließt, verfälschen Innen- und Leitungswiderstände das Ergebnis nicht. siehe Abschnitt „Die Thermospannung im Kompensationsverfahren messen“

6. Wie stellst Du die Adresse eines I²C-Temperatursensors ein, und warum brauchen SDA, SCL und ALERT Pull-up-Widerstände? Antwort

Die festen Adressbits stehen im Datenblatt, die variablen legst Du mit den Adresspins an GND (0) oder VDD (1) fest. Die Anschlüsse sind Open-Drain-Ausgänge, die nur nach Masse schalten; den High-Pegel liefert der Pull-up-Widerstand. siehe Abschnitt „Schritt 6: Digitale Temperatursensoren mit I²C-Schnittstelle“

7. Wozu dient ein Messumformer vor dem Analogeingang einer SPS, und wie berechnest Du sein Ausgangssignal? Antwort

Er speist und linearisiert den Sensor und wandelt einen Temperaturbereich in ein störfestes Einheitssignal wie 4 \dots 20\ \mathrm{mA} um. Das Signal ist I = 4\ \mathrm{mA} + 16\ \mathrm{mA} \cdot \frac{\vartheta - \vartheta_\mathrm{min}}{\vartheta_\mathrm{max} - \vartheta_\mathrm{min}}. siehe Abschnitt „Schritt 7: Messumformer vor dem Analogeingang der SPS“

8. Wie nimmst Du eine Temperaturmessung mit simulierten Sensorwerten in Betrieb, und worauf achtest Du beim Ersatz eines Sensortyps? Antwort

Du erstellst aus dem Datenblatt eine Widerstandstabelle, schließt statt des Sensors eine Widerstandsdekade an und gleichst Nullpunkt und Steigung ab. Beim Ersatz prüfst Du, ob Kennlinie, Widerstandsbereich, Anschlussart und Signal zur vorhandenen Auswertung passen. siehe Abschnitt „Schritt 8: Inbetriebnahme mit simulierten Sensorwerten“ und Abschnitt „Schritt 9: Den passenden Sensor auswählen und ersetzen“

Links und weitere Informationen

• als Nachschlagewerk: Wikipedia: Platin-Messwiderstand

• zum Vertiefen: Wikipedia: Thermoelement

• zum Nachschlagen: Wikipedia: I²C

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Dieser Artikel und seine Texte, Bilder, Grafiken, Code und sonstiger Inhalt sind - sofern nicht anders angegeben - lizenziert unter CC BY 4.0. Nennung gemäß TULLU-Regel bitte wie folgt: “Temperatursensoren: Pt100/Pt1000, NTC, PTC, Halbleitersensoren, Thermoelemente und ihre Auswerteschaltungen” von oer-informatik.de (H. Stein), Lizenz: CC BY 4.0. Der Artikel wurde unter https://oer-informatik.de/temperatursensoren veröffentlicht, die Quelltexte sind in weiterverarbeitbarer Form verfügbar im Repository unter https://gitlab.com/oer-informatik/elektrotechnik/sensorik. Erstellt mit KI-Assistenz; von mir umfassend redaktionell überarbeitet, geprüft und freigegeben. Stand: 11.11.2026.

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