Lektion3 - Nano

Elektronisch
messen, steuern, regeln
Sensoren 1: Temperatursensoren
(Thermoelemente, Temperatur abhängige Widerstände,
Messschaltungen)
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1
Thermoelement = Seebeck-Effekt
Metall A
+
T
U AB
Metall B
_
• Werden zwei Drähte aus
ungleichen Metallen oder
Legierungen verbunden, so
entsteht beim Heizen der
Kontaktstelle, an den Enden
eine elektrische Spannung.
• Thomas Seebeck entdeckte
diesen Effekt 1812.
• In erster Näherung ist die
Spannung proportional zur
Temperaturerhöhung
• UAB =  . T
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Die Umkehrung: der Peltier-Effekt
heizen
Metall A
Metall B
el.Strom I
kühlen
Metall A
el.Strom I
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Metall B
• Wird ein elektrischer Strom
durch zwei Drähte aus
ungleichen Metallen oder
Legierungen geschickt, so
wird die Kontaktstelle je
nach Richtung des Stromes
geheizt oder gekühlt.
• Jean C.A. Peltier entdeckte
diesen Effekt 1834.
• In erster Näherung ist die
Heiz- (Kühl-) Wirkung
proportional zum Strom
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Thermoelemente
der Einsatzbereich der verschiedenen Typen
Typ
B
C
E
J
K
N
R
S
T
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Material der 2 Leiter
Platin mit 30% Rhodium (+)
Platin mit 6% Rhodium (-)
W5Re Wolfram mit 5% Rhenium (+)
W26Re Wolfram mit 26% Rhenium (-)
Chromel (+)
Konstantan (-)
Eisen (+)
Konstantan (-)
Chromel (+)
Alumel (-)
Nicrosil (+)
Nisil (-)
Platin mit 13% Rhodium (+)
Platin (-)
Platin mit 10% Rhodium (+)
Platin (-)
Kupfer (+)
Konstantan (-)
Temperaturbereich
1370-1700C
1650-2315C
0-900C
0-760C
0-1260C
650-1260C
870-1450C
980-1450C
-200-350C
4
Thermoelemente
Verlauf der Spannung mit der Temperatur
elektrische Spannung der Thermoelemente
60
50
Spannung (mV)
40
30
Typ K
Typ S
20
10
0
-200
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
-10
Temperatur (°C)
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Thermoelement
Koëffizienten der Polynomial-Gleichung
• Die Konversions-Gleichung kann zur
Berücksichtigung der Nichtlinearität als Polynom nten Grades beschrieben werden.
• T = a0 + a1x + a2x2 + a3x3 +... + anxn
• x = Thermoelement-Spannung in [V]; T = Temperatur in [°C]
z.B. Koeffizienten für Typ K
a0
2.265846020E-01
a1
2.415210900E+04
a2
6.723342480E+04
a3
2.210340682E+06
a4
-8.609639149E+08
a5
4.835060000E+10
a6
-1.184520000E+12
a7
1.386900000E+13
a8
-6.337080000E+13
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6
Farbcode der Thermoelemente
nach DIN
Die Thermoelemente sind mit
Farben gekennzeichnet.
Achtung: Es gibt verschiedene
Farbkennzeichnungen:
amerikanische, britische,
französische, japanische; welche
alle verschieden sind.
Wichtig für uns sind die daneben
dargestellten Kennzeichnungen
nach deutschen (DIN) Normen.
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7
Wie sehen Thermoelemente aus?
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Messen der Spannung
Rückschluss auf die Temperatur
T2
T1
Cu
Cu
C
Cu
•
Wird ein Thermoelement T1
(Kupfer/Konstantan = Cu/C)
über zwei Kupferleiter mit dem
Messgerät verbunden, so
entstehen an den
Anschlussstellen T2 , T3 weitere
Thermospannungen.
•
Da bei T2 Kupfer mit Kupfer
verbunden wird, kann diese
Kontaktstelle eliminiert werden.
•
Die Spannung am Messgerät ist
ein Mass für die TemperaturDifferenz T = T1-T3.
T0
T0
T3
T1
Cu
Cu
C
Cu
T3
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T0
T0
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Externe Eispunkt-Referenz
T1
Cu
Cu
C
Cu
T0 2.32
T0
T3
Eiswasser = 0°C
• Um bei T1 absolute
Temperaturen messen zu
können, muss die
Kontaktstelle T3 auf eine
Referenz-Temperatur gelegt
werden.
• Hier wird als Referenz ein
Gemisch aus Eis und
Wasser mit 0°C verwendet.
• Dies bedeutet einen grossen
experimentellen Aufwand.
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Isothermischer Block
mit Kompensation der Block-Temperatur
T0
T0 = Labortemperatur
T1 = zu messende
Temperatur
T0
T1
isothermischer
Block mit
unabhängiger
Messung und
Kompensation
von T0
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Messgerät
Werden beide Kontaktstellen
des Thermoelements mit einem
wärmeleitendem, aber elektrisch
isolierenden Block verbunden,
so sind beide Enden auf gleicher
Temperatur T0.
Wird zusätzlich die Temperatur
dieses Blocks gemessen, so
lässt sich daraus die absolute
Temperatur T1 gewinnen.
Dieser Block kann extern
angeordnet sein, ist aber heute
oft im Messgerät integriert.
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Dürfen Thermoelementanschlüsse
verlängert werden ? (ja, wenn....)
• Die Verlängerungsdrähte
müssen für beide Enden mit
thermoelektrisch identischen
Materialien verbunden sein.
• Die Ausgleichsleitung hat
dieselben thermoelektrischen
Eigenschaften wie das
Thermoelement des
entsprechenden Typs.
• Sie verträgt jedoch genauso
wenig wie die Stecker, die
hohen Temperaturen der
Thermoelementdrähte.
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Spannungsbereiche
+ 10V
Thermoelement
Signal
+ - 100mV
Bereich
+ 100mV
- 100mV
?
Multifunktions
Karte
+ - 10V Bereich
12Bit =
4096 Stufen
Verstärker
Stufenhöhe
20V/4096 = 5 mV
- 10V
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Anforderungen an den Verstärker
• Der Vorverstärker soll die extrem kleinen Spannungen möglichst
ohne zusätzliches Rauschen vom Eingangspegel von maximal
100mV auf den Messbereich (+- 10V) des Analog-DigitalWandlers (ADC) anpassen. Also ist die optimale Verstärkung
100fach.
• Da sich Temperaturen im Allgemeinen sehr langsam ändern,
soll mit einem Tiefpassfilter der Frequenzbereich von Störungen
im höheren Frequenzbereich befreit werden.
• Der Verstärker soll Spannungen bis +- 30V „überleben“.
• Wenn ein Thermoelement unterbrochen wird, muss die
Messschaltung dies feststellen können, oder wenigstens eine
unglaublich hohe Temperatur melden.
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Verstärkerschaltung
T0
Verstärkung
x100
T0
10 k
2 Hz
Tiefpass
Filter
SchutzWiderstände
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• Die kleine Spannung eines
Thermoelements muss auf
den optimalen Messbereich
der Multifunktionskarte
angepasst werden. 100mV
mal die Verstärkung von
Faktor 100 ergibt den
Messbereich von 10V.
• Die beiden Widerstände von
10k schützen den
Verstärker bei zu hohen
Eingangsspannungen vor
Defekten.
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Thermoelement Bruchsicherung
T0
+5V
Referenz
T0
10 M
10 M
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• Der innere Widerstand eines
Thermoelements ist sehr klein.
• Ein kleiner zusätzlicher Strom
von der +5V Referenz, über
den 10M Widerstand, das
Thermoelement und endlich
über die 10M gegen 0V,
verfälscht die Messung nicht.
• Bei Bruch des
Thermoelements, wird jedoch
eine viel zu grosse Spannung
gemessen.
16
Kompensation Kaltlötstelle
T0
T0
ErsatzSchaltung
+5V
Tiefpass
Filter
5 k
2.5V
Referenz
Diode
5 k
bei 0°C
0V
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T
• Mit einem im isothermischen
Block eingebautem
temperaturabhängigen
Widerstand wird eine
absolute KompensationSpannung für die Temperatur
der Kaltlötstelle erzeugt.
• Da die TemperaturSchwankungen der
Kaltlötstelle im Labor nur
gering ausfallen, kann linear
approximiert werden.
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SCC-TC01
• Im Modul SCC-TC01 sind der Vorverstärker mit Filter, die
Thermoelementbruch-Sicherung, der isothermischer Block, und
die Kaltlötstellenkompensation untergebracht.
• Gegen Überspannungen sind die Eingänge ebenfalls sicher.
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Konfiguration SC-2345
Rechte Maustaste,
/Eigenschaften
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Was bewirkt die Konfiguration ?
• Wird die Anschluss- und Modul-box nicht mit den
entsprechenden Modulen konfiguriert, so kann das Messsystem
nicht wissen wie die Signale für die einzelnen Kanäle
vorverarbeitet werden.
• Eine Konfiguration, gibt dem System bekannt, welche Module in
den Schlitzen der entsprechenden Ein- oder Ausgänge stecken.
• Durch die Konfiguration werden die, durch die im Computer
steckende Multifunktionskarte, gemessenen Spannungen, auf
die entsprechenden Eingänge umgerechnet.
• Steckt z.B. das SCC-TC01 Modul, so wird die gemessene
Spannung von z.B. 1.465V auf die am Eingang anliegende
Spannung von 14.65mV umgerechnet.
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Bereitgestellte Labview Funktionen
Die Konversion von mV in °C,
die Kompensation der Kaltlötstelle
und
die Linearisierung wird durch
Labview bereitgestellt
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Temperaturabhängige Widerstände
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22
Temperaturabhängige Widerstände
• Die meisten reinen Metalle zeigen eine Widerstandszunahme
von ca. 4 Promille pro °C.
• Man nennt sie entsprechend dem Positiven Temperatur
Koëffizienten: PTC-Widerstände.
• Vor allem Nickel und Platin werden als Temperatursensoren
verwendet: PT100, PT 1000, NI 5000 sind Platin, bezw.
Nickelsensoren, (die Zahl definiert den el. Widerstand bei 0°C).
• Die NTC-Widerstände (mit Negativem Temperatur Koëffizient)
sind Halbleiter-Materialien. Die Temeraturabhängigkeit kann bis
10mal grösser als bei PTC‘s sein.
• Die Spannung über einer Diode bei konstantem Strom sinkt pro
°C um ca. 2mV. Damit lässt sich ebenfalls Temperatur messen.
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Widerstands-Sensor PT 100
• PT 100 Temperatursensoren sind in unzähligen
Ausführungen erhältlich.
• Links ist ein PT 100-Sensor
aus einem auf einen
Glaskörper aufgewickelten
Platindraht abgebildet.
• Rechts ist ein PT 100 auf
einem Keramiksubstrat mit
aufgedampftem Platinfilm
realisiert. Grösse: 2 x 5 mm.
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Charakteristik PT 100
PT 100 Charakteristik
PT 100 Widerstandswert (Ohm)
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
-200
0
200
400
600
800
Temperatur (°C)
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Verlauf als analytische Gleichung
• Die Callendar van Dusen Gleichung beschreibt die
Charakteristik analytisch.
• RT = R0 ( 1 + AT + B T2 + C [ T-100 ] T3 )
• für einen PT100 ist R0 = 100 Ohm
Koeffizienten
A (°C)-1
B (°C)-2
C (°C)-4
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LabView (0...850°C)
Honeywell (-200..850°C)
DIN
Amerikanisch
DIN
Amerikanisch
3.90802E-03 3.9784E-03 3.908E-03
3.81E-03
-5.80195E-07 -5.8408E-07 -5.775E-07
-6.02E-07
-4.183E-12
-6.00E-12
26
Anforderungen an die Messschaltung
• Erzeugung eines präzisen, konstanten Messstromes
durch den Sensor z.B. 1mA.
• Die Eigenerwärmung im Sensor durch den
Messstrom soll die Messung nicht verfälschen!
• Anpassung der kleinen Signalpegel an die
Multifunktionskarte (Verstärkung: 25fach,
Tiefpassfilter: 25Hz).
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4-Draht Messschaltung PT 100
T0
Strom
z.B.
1mA
Verstärkung
x25
PT100
25 Hz
Tiefpass
Filter
Stromquelle
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ZuleitungsWiderstände
• Bei tiefen Temperaturen z.B.
-200°C beträgt der ohmsche
Widerstand eines PT 100
nur noch 18.52 Ohm.
Zuleitungwiderstände
können die Messung
verfälschen.
• Wird der Messstrom
konsequent über eigene
Leitungen, von der Messung
der Spannung über dem
Sensor getrennt, kann dieser
Fehler vermieden werden.
28
SCC-RTD01
• Dieses Modul besitzt eine Stromquelle von 1mA zur
Speisung zweier in Serie geschalteter Sensoren.
• Zwei Vorverstärker (x25) bereiten die zwei Sensorsignale
für zwei Eingangskanäle auf.
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Bereitgestellte Labview Funktion
Die Konversion von mV in °C,
und
die Linearisierung wird durch
Labview bereitgestellt
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