Thermosensoren - antriebstechnik.fh

Thermosensoren
Mess- und Sensortechnik
HTA Biel
Thermosensoren
Sensoren (Fühler, Wandler) sind Einrichtungen, die eine physikalische Grösse normalerweise in ein
elektrisches Signal umformen.
Die Messung der Temperatur gehört wohl zu den häufigsten Aufgaben der Messtechnik. Denn oft ist
die Temperatur eine gewichtige Einflussgrösse, die es zu korrigieren gilt oder, wie beispielsweise in der
Regel- und Verfahrenstechnik, muss die Temperatur geregelt werden.
In der folgenden Messübung werden einige bekannte Methoden zur Messung der Temperatur
vorgestellt. Im Anhang finden Sie noch erläuternde und weitergehende Informationen.
1.Temperatursensoren
Bei der Auswahl von Thermosensoren spielen eine Vielzahl von Faktoren eine Rolle:
Medium (Gas, Flüssigkeit, Oberfläche, etc.)
Temperaturbereich
Genauigkeit
gewünschtes elektrisches Signal
etc.
Ausgehend vom Messproblem wird man aus den zur Verfügung stehenden
Sensortypen den geeigneten auswählen. Beispielsweise wird man zur Messung der
Ofentemperatur eines Keramikofens, der auf ca. 1400 C geregelt werden muss,
keinen Halbleitersensor einsetzen können, sondern ein Thermoelement.
2. Thermoelemente
An der Kontaktstelle zwischen zwei unterschiedlichen Materialien entsteht eine
Spannung (unterschiedliche Fermi-Energie) die Kontaktspannung. Diese
Kontaktspannung ist nicht direkt mess- und ausnützbar. Hingegen kann man
zwischen zwei Kontaktpaaren, die unterschiedliche Temperaturen aufweisen, eine
Spannung messen, die in erster Näherung proportional zur Temperaturdifferenz ist.
Temperaturmessung mit Termoelementen
Laborübung 3
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Die Temperatur T2 kann aus der Temperaturdifferenz und der
Referenztemperatur T 1 ermittelt werden. Oft wird als Referenztemperatur
ein Eis-W assergemisch verwendet, welches ziemlich genau 0°C entspricht.
Vorteile dieser Messmethode:
es lassen sich sehr kleine Fühler realisieren
je nach Material bis zu hohen Temperaturen geeignet
(~1500 °C)
robust
billig
Nachteile:
es braucht eine Referenztemperatur 1
die Spannungen sind klein (in der Grössenordnung 1..100 µV/K)
an jeder Kontaktstelle im Stromkreis treten auch Thermospannungen auf (auch im angeschlossenen Voltmeter!)
3. Platinwiderstand Pt 100
Platinwiderstände werden sehr oft als Messfühler eingesetzt. Mit ihnen wird
der sehr genau bekannte Temperaturkoeffizient zur Messung ausgenützt.
α = 3.85 10 -3 K -1
Pt 100 W iderstände haben bei 0°C einen W iderstand von 100 Ω und bei
100°C 138.5 Ω.
1 mA
ca.
Vorteile:
- sehr verbreitet
- es gibt Ausführungen für fast beliebige Medien und in beinahe jeder Grösse
- ein Widerstand im Bereich von 100 Ω ist problemlos messbar
Nachteile:
- der Messstrom kann den Platinwiderstand erwärmen
- zwischen Temperatur und Widerstand besteht nur in erster Näherung eine
lineare Beziehung
1
o
Im Anhang finden Sie einen Artikel, wie die 0 C Temperaturreferenz elektronisch erzeugt werden
kann.
Laborübung 3
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4. Halbleitersensoren
Bei den Halbleitersensoren wird die Temperaturabhängigkeit
der Durchlassspannung einer Diode
oder
des Sperrstromes eines pn-Überganges
ausgenützt.
Für die Temperaturabhängigkeit der Durchlassspannung siehe Beilage.
Temperaturabhängigkeit der Durchlass-Spannung einer Diode
Für die praktische Messung eignet sich ein Transistor im Metallgehäuse (z.B. BC
107). Durch das Metallgehäuse ist ein guter Wärmeübergang zwischen der Umgebung und dem Kristall sichergestellt. Zur Messung wird in unserem Fall der Kollektor
mit der Basis verbunden, so dass die Basis-Emitterdiode ausgemessen werden
kann.
Nach dem gleichen Prinzip lässt sich die Kristalltemperatur einer Integrierten
Schaltung bestimmen. An praktisch jedem Ein- oder Ausgang eines IC's ist ein pnÜbergang (oft als Schutz) verfügbar. Mit eine solchen pn-Uebergang lässt sich die
Chip-Temperatur
genauer
bestimmen,
als
durch
die
Messung
der
Gehäusetemperatur.
Die Temperaturabhängigkeit des Sperrstromes folgt folgender Beziehung:
(
IR proportional zu T 4 ⋅ e − E B/kT
)
1
m
Bei Transistoren ist
m ≈ 1 .. 1.1
und bei Dioden
m ≈ 1.8 .. 2
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4. Aufgaben
1.
Nehmen Sie die Kennlinie eines Thermoelementes auf (0°..100°C).
Beobachten Sie was geschieht, wenn Sie mit Ihrer Hand einen der
beiden Stecker am Eingang des Voltmeters erwärmen!
2.
Dito für den Pt 100 W iderstand. Regeln Sie mit der 10V Quelle den
Messstrom auf 1 mA.
3.
Nehmen Sie die Temperaturabhängigkeit der Durchlassspannung der
Basis-Emitter-Strecke eines Transistors auf.
4.
Überlegen Sie wie gross der Messfehler durch die Erwärmung des
Transistors durch den Messtrom wird. Benutzen Sie dazu den
thermischen W iderstand des Transistors (R Th junction - case ≈ 0.2 K/mW ).
5.
Stellen Sie die Messwerte grafisch dar und bestimmen Sie mit Hilfe
der Regression die Temperaturabhängigkeiten der verschiedenen
Sensoren.
Literatur
[1]
H.R. Traenkler, Taschenbuch der
Sensortechnik, ETH-BIB 308 184
Messtechnik
mit
Schwerpunkt
[2]
G. W . Schranz, Sensoren, Hüthig-Verlag, ISBN 3-7785-1129-7
[3]
Elektor 7-8/92 S. 61
Materialliste
- Eiswürfel
- Thermokrug
- Tauchsieder und Pyrexglas
- Termosensoren (Thermoelement,Pt 100, Halbleiter)
- Speisegerät
- Multimeter hp 34401A, BBC Goerz MA 2D, Philips PM 2518
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Die Temperaturabhängigkeit der Durchlassspannung einer Diode
Die Shockley-Gleichung beschreibt die Beziehung zwischen dem Durchlassstrom IF
und der Durchlassspannung UF einer Diode
IF = IR (eUF/mUth - 1)
(*)
mit
IF : Durchlassstrom durch die Diode
UF : Spannungsabfall über der Diode
IR : theoretischer Sperrsättigungsstrom
m : ein Parameter mit einem Wert zwischen 1.0 und 2.0
UTh = kT ≈ 25.2 mV (T = 295 K)
e
Für den Sperrstrom IR gilt folgende Temperaturabhängigkeit
IR = K . (T4 . e-EB/kT)1/m
(**)
mit
K : ein unbekannter Proportionalitätsfaktor
EB: Bandlückenenergie (EB Si = 1.12 eV)
Die Gleichung (*) umgeformt
UF = m UTh . ln(IF/IR + 1)
(***)
Die Gleichung (***) wird nach der Temperatur T abgeleitet, wobei der Strom durch die
Diode IF konstant gehalten wird. Das Resultat dieser Ableitung mit (**) ergibt
dUT/dT ≈ - 2mV / °K
Die folgende Grafik zeigt die gute Korrelation zwischen der Durchlassspannung UF
einer Diode und der Temperatur T
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