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Temperaturmessung
102.11.2010 (Paul) Moritz Geske
Temperaturmessung
(Paul) Moritz Geske
Betreuer: Inna Kübler
Temperaturmessung
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Gliederung1. Einleitung2. Elektronische Temperaturmessung
2.1 Thermoelement2.2 PN-Übergang am Halbleiter2.3 Thermistoren (PTC, NTC)2.4 PT100
3. Messschaltungen3.1 Messbrücke3.2 2-Leiter-Messung3.3 4-Leiter-Messung
4. Schaltung mit PT1004.1 Konstant-Strom-Quelle4.2 Offset4.3 Messbereichsanpassung4.4 Gesamtschaltung
5. Quellen
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1. Einleitung
Möglichkeiten der Temperaturerfassung: Gas- oder Flüssigkeitsthermometer Bimetall-Thermometer Temperaturmessfarben Messung durch elektromagn. Strahlung (Pyrometrie) Elektronische Temperaturmessung
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Temperaturmessung
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Übersicht1. Einleitung2. Elektronische Temperaturmessung
2.1 Thermoelement2.2 PN-Übergang am Halbleiter2.3 Thermistoren (PTC, NTC)2.4 PT100
3. Messschaltungen3.1 Messbrücke3.2 2-Leiter-Messung3.3 4-Leiter-Messung
4. Schaltung mit PT1004.1 Konstant-Strom-Quelle4.2 Offset4.3 Messbereichsanpassung4.4 Gesamtschaltung
5. Quellen
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2.1 ThermoelementSchaltzeichen:
[Quelle: de.wikipedia.org/wiki/Thermoelement]
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2.1 Thermoelement
Koeffizient: z. B. Typ K Nickel-Chrom/Nickel (−270 bis 1372 °C)
Differenz-Temperaturmessung Nur geringes elektrisches Signal UTH
Industrieller Einsatz, hier zu kostenintensiv
Temperatur VergleichsstelleTemperatur MessstelleTemperaturkoeffizient
Thermospannungim μV-Bereich
[Quelle: www.mueller-ie.com]
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UTH = KAB · (TM – TV)
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2.2 PN-Übergang Halbleiter
Sperrschicht / Raumladungszone temperaturabhängig Silizium (bei T = 300 K) ein Temperaturkoeff. von -2 mV/K
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[Quelle: Prof. Dr. Boit, Skript: Bauelemente WS 2008/2009 Abschnitt 2]
⋅⋅= 2ln
i
DAD n
NNe
kTU
kTW
SS
g
eTkI−
⋅⋅= 3
:Diode einer Sperrstrom
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2.3 ThermistorenPTC – Kaltleiter NTC – Heißleiter
materialabhängige Kurvenverläufe: linear parabelförmig exponentiell
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[Quelle: www.elektronik-kompendium.de]
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2.4 PT100
Physikalisches Prinzip des Kaltleiter (PTC) Besteht aus Platinum Temperaturmessung im Bereich −200 °C bis 850 °C Charakterisiert durch Nennwiderstand R0 = 100Ω bei 0°C Widerstandsänderung in DIN EN 60751 festgelegt:
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Bereich: -200°C bis 0°C Bereich: 0°C bis 850°C:R = R0 ·(1 + a ·T + b · T2 + c · (T − 100 K)· T3) R = R0 · (1 + a · T + b · T2) a = 3,9083 · 10-3 / K b = -5,775 · 10-7 / K2
c = -4,183 · 10-12 / K4
a = 3,9083 · 10-3 / K b = -5,775 · 10-7 / K2
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PT100
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[Quelle: www.allerwaynet.de/literatur/pt100k.gif]
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2.4 PT100
Geringer Fehler durch Nichtlinearität des PT100 Herstellungstoleranzen Einteilung in Fehlerklassen Verfälschung des Messergebnis: Eigenerwärmung 0,4 K/mW Typischer Messstrom ca. 1mA (max. 5mA)!!! ΔU = 38,5mV (0…100°C) bei 1mA
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Im Temperaturbereich zw. 0°C und 100 °C gilt näherungsweise:R = R0 · (1 + a · T) Polynom 1. Grades (lt. DIN-Norm)a = 3,85 · 10-3 / K0°C 100,0 Ω 100°C 138,50 Ω (138,50 Ω)
50°C 119,25 Ω (119,40 Ω)
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Übersicht1. Einleitung2. Elektronische Temperaturmessung
2.1 Thermoelement2.2 PN-Übergang am Halbleiter2.3 Thermistoren (PTC, NTC)2.4 PT100
3. Messschaltungen3.1 Messbrücke3.2 2-Leiter-Messung3.3 4-Leiter-Messung
4. Schaltung mit PT1004.1 Konstant-Strom-Quelle4.2 Offset4.3 Messbereichsanpassung4.4 Gesamtschaltung
5. Quellen
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3.1 Messbrücke
Nur geringe Toleranzen von R zulässig Präziser Abgleich notwendig Eigenerwärmung PT100 Iϑ,max = 1mA U0,max = 200mV Uϑ = 0 … 19,25mV (0 … 100°C)
(Paul) Moritz Geske
[Quelle: http://de.wikipedia.org/...]
R R
RRϑ
U0
Uϑ
VURR 0100 =→Ω==
°
ϑϑ
:C0 bei PT100 Abgleich
00 4
141 U
RRU
RR
UU
⋅∆⋅=⇒
∆⋅= ϑ
ϑϑϑ
:pannungDifferenzs
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3.2 2-Leiter-Messung
Anwendbar bei kurzen Zuleitungen Abhängig vom Material der Zuleitungen Geringere Genauigkeit
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3.3 4-Leiter-Messung
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Doppelte Anzahl an Messleitungen notwendig Anwendbar auch bei langen Zuleitungen Höchste Genauigkeit
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Übersicht1. Einleitung2. Elektronische Temperaturmessung
2.1 Thermoelement2.2 PN-Übergang am Halbleiter2.3 Thermistoren (PTC, NTC)2.4 PT100
3. Messschaltungen3.1 Messbrücke3.2 2-Leiter-Messung3.3 4-Leiter-Messung
4. Schaltung mit PT1004.1 Konstant-Strom-Quelle4.2 Offset4.3 Messbereichsanpassung4.4 Gesamtschaltung
5. Quellen
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4.1 KonstantstromquelleSpannungsregler LM317 mit OPV als Impedanzwandler:
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[Quelle: Faust, Dirk: „Konstruktion eines PT100 Messverstärker“, 15.06.2001]
Spannungsreferenz LM317: 1,25V R1 als Trimmpotentiometer R1 prägt Messstrom ein Spannung durch OPV stabilisiert
OPV1mVUR
mVUR
kmA
VIU
Rmit
CC
CC
mess
refV
5,1385,138100100
25,1125,1
100,100,
0,0,
=Ω=
=Ω=
Ω===
°°
°°
ϑϑ
ϑϑUref
Rϑ (PT100)
RV
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4.3 Offset
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[Quelle: Faust, Dirk: „Konstruktion eines PT100 Messverstärker“, 15.06.2001]
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223 RR
RUUU Bee +⋅==
UB
OPV2OPV3
Impedanzwandler Subtrahierer
31 eea UUU −=
Ue = 100mV … 138,5mV0°C … 100°C
Ua = 0mV … 38,5mV0°C … 100°C
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4.4 Messbereichsanpassung
Nicht-invertierender Verstärker:
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[Quelle: Faust, Dirk: „Konstruktion eines PT100 Messverstärker“, 15.06.2001]
OPV4
R3 = 1KΩ
R4
Ω≈
Ω⋅
−
⋅=
⋅
−=
=+=
−
k
kV
V
RUU
R
UU
RRV
e
a
e
a
74,258
11105,38
10
1
1
3
3max,
max,4
max,
max,
4
3
Ue = 0V … 38,5mV Ua = 0V … 10V
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4.4 Gesamtschaltung
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Konstantstromquelle
Subtrahierer
VerstärkerOffset-Spg.
Impedanzwdl.Messglied
Bus
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Übersicht1. Einleitung2. Elektronische Temperaturmessung
2.1 Thermoelement2.2 PN-Übergang am Halbleiter2.3 Thermistoren (PTC, NTC)2.4 PT100
3. Messschaltungen3.1 Messbrücke3.2 2-Leiter-Messung3.3 4-Leiter-Messung
4. Schaltung mit PT1004.1 Konstant-Strom-Quelle4.2 Offset4.3 Messbereichsanpassung4.4 Gesamtschaltung
5. Quellen
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5. Quellen
(Paul) Moritz Geske
Faust, Dirk: „Konstruktion eines PT100 Messverstärkers“, 15.06.2001
Gühmann, C., Filbert, D.: „Elektronische Messtechnik MT1“, 2003
www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0210153.htm [29.10.2010 19:38 Uhr]
www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0210151.htm [29.10.2010 19:42 Uhr]
de.wikipedia.org/wiki/Kaltleiter [29.10.2010 16:59 Uhr]
de.wikipedia.org/wiki/NTC [29.10.2010 16:59 Uhr]
www.amplifier.cd/Technische_Berichte/PT100/Temperature_measurement.htm [28.10.2010 21:38 Uhr]
www.mikrocontroller.net/topic/93933 [28.10.2010 20:56 Uhr]
www.abmh.de/pt100/index.html [29.10.2010 10:21 Uhr]
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Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit!