Temperaturmessung

102.11.2010 (Paul) Moritz Geske

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Betreuer: Inna Kübler

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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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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)

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[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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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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ansonsten…

Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit!