Temperaturmessung

Temperaturmessung
Temperaturmessung
(Paul) Moritz Geske
Betreuer: Inna Kübler
02.11.2010
(Paul) Moritz Geske
1
Temperaturmessung
Gliederung
1.
Einleitung
2.
Elektronische Temperaturmessung
2.1
2.2
2.3
2.4
3.
Messschaltungen
3.1
3.2
3.3
4.
Messbrücke
2-Leiter-Messung
4-Leiter-Messung
Schaltung mit PT100
4.1
4.2
4.3
4.4
5.
Thermoelement
PN-Übergang am Halbleiter
Thermistoren (PTC, NTC)
PT100
Konstant-Strom-Quelle
Offset
Messbereichsanpassung
Gesamtschaltung
Quellen
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Temperaturmessung
1. Einleitung
Möglichkeiten der Temperaturerfassung:

Gas- oder Flüssigkeitsthermometer

Bimetall-Thermometer

Temperaturmessfarben

Messung durch elektromagn. Strahlung (Pyrometrie)

Elektronische Temperaturmessung
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3
Temperaturmessung
Übersicht
1.
Einleitung
2.
Elektronische Temperaturmessung
2.1
2.2
2.3
2.4
3.
Messschaltungen
3.1
3.2
3.3
4.
Messbrücke
2-Leiter-Messung
4-Leiter-Messung
Schaltung mit PT100
4.1
4.2
4.3
4.4
5.
Thermoelement
PN-Übergang am Halbleiter
Thermistoren (PTC, NTC)
PT100
Konstant-Strom-Quelle
Offset
Messbereichsanpassung
Gesamtschaltung
Quellen
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2.1 Thermoelement
Schaltzeichen:
[Quelle: de.wikipedia.org/wiki/Thermoelement]
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Temperaturmessung
2.1 Thermoelement
Thermospannung
im μV-Bereich
UTH = KAB · (TM – TV)
Temperaturkoeffizient
Temperatur Messstelle

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 Vergleichsstelle
[Quelle: www.mueller-ie.com]
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Temperaturmessung
2.2 PN-Übergang Halbleiter
kT  N A ⋅ N D 

⋅ ln
UD =
2
e
 ni

Sperrstrom einer Diode :
I S = kS ⋅ T ⋅ e
3
−
Wg
kT
[Quelle: Prof. Dr. Boit, Skript: Bauelemente WS 2008/2009 Abschnitt 2]
Sperrschicht / Raumladungszone temperaturabhängig
 Silizium (bei T = 300 K) ein Temperaturkoeff. von -2 mV/K

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2.3 Thermistoren
PTC – Kaltleiter
NTC – Heißleiter
[Quelle: www.elektronik-kompendium.de]
materialabhängige Kurvenverläufe:
 linear
 parabelförmig
 exponentiell
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Temperaturmessung
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:
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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Temperaturmessung
PT100
[Quelle: www.allerwaynet.de/literatur/pt100k.gif]
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2.4 PT100
Im Temperaturbereich zw. 0°C und 100 °C gilt näherungsweise:
R = R0 · (1 + a · T)
Polynom 1. Grades
(lt. DIN-Norm)
100°C
50°C
(138,50 Ω)
(119,40 Ω)
a = 3,85 · 10-3 / K
0°C  100,0 Ω
 138,50 Ω
 119,25 Ω
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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Temperaturmessung
Übersicht
1.
Einleitung
2.
Elektronische Temperaturmessung
2.1
2.2
2.3
2.4
3.
Messschaltungen
3.1
3.2
3.3
4.
Messbrücke
2-Leiter-Messung
4-Leiter-Messung
Schaltung mit PT100
4.1
4.2
4.3
4.4
5.
Thermoelement
PN-Übergang am Halbleiter
Thermistoren (PTC, NTC)
PT100
Konstant-Strom-Quelle
Offset
Messbereichsanpassung
Gesamtschaltung
Quellen
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Temperaturmessung
3.1 Messbrücke
Abgleich PT100 bei 0°C :
R
R
Rϑ = R = 100Ω →
U0
Rϑ
Uϑ
R
[Quelle: http://de.wikipedia.org/...]
U ϑ = 0V
Differenzspannung :
U ϑ 1 ∆Rϑ
1 ∆R
= ⋅
⇒ Uϑ = ⋅ ϑ ⋅U 0
U0 4 R
4 R
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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Temperaturmessung
3.2 2-Leiter-Messung
Anwendbar bei kurzen Zuleitungen
 Abhängig vom Material der Zuleitungen
 Geringere Genauigkeit

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Temperaturmessung
3.3 4-Leiter-Messung
Doppelte Anzahl an Messleitungen notwendig
 Anwendbar auch bei langen Zuleitungen
 Höchste Genauigkeit

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Übersicht
1.
Einleitung
2.
Elektronische Temperaturmessung
2.1
2.2
2.3
2.4
3.
Messschaltungen
3.1
3.2
3.3
4.
Messbrücke
2-Leiter-Messung
4-Leiter-Messung
Schaltung mit PT100
4.1
4.2
4.3
4.4
5.
Thermoelement
PN-Übergang am Halbleiter
Thermistoren (PTC, NTC)
PT100
Konstant-Strom-Quelle
Offset
Messbereichsanpassung
Gesamtschaltung
Quellen
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4.1 Konstantstromquelle
Spannungsregler LM317 mit OPV als Impedanzwandler:
mit RV =
RV
Uref
U ref
I mess
=
1,25V
= 1,25kΩ
1mA
Rϑ , 0°C = 100Ω
U ϑ , 0°C = 100mV
Rϑ ,100°C = 138,5Ω
U ϑ ,100°C = 138,5mV
OPV1
Rϑ (PT100)




Spannungsreferenz LM317: 1,25V
R1 als Trimmpotentiometer
R1 prägt Messstrom ein
Spannung durch OPV stabilisiert
[Quelle: Faust, Dirk: „Konstruktion eines PT100 Messverstärker“, 15.06.2001]
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Temperaturmessung
4.3 Offset
UB
Impedanzwandler
Ue = 100mV … 138,5mV
0°C
… 100°C
Subtrahierer
Ua = 0mV … 38,5mV
0°C … 100°C
OPV2
OPV3
U e3 = U e 2
R2
= UB ⋅
R1 + R2
U a = U e1 − U e 3
[Quelle: Faust, Dirk: „Konstruktion eines PT100 Messverstärker“, 15.06.2001]
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4.4 Messbereichsanpassung
Nicht-invertierender Verstärker:
R4
R3 U a ,max
=
V = 1+
R4 U e,max
 U a ,max 
− 1 ⋅ R3
R4 = 
 U e,max

10V


=
− 1 ⋅1kΩ
−3
 38,5 ⋅10 V

OPV4
R3 = 1KΩ
≈ 258,74kΩ
Ue = 0V … 38,5mV
Ua = 0V … 10V
[Quelle: Faust, Dirk: „Konstruktion eines PT100 Messverstärker“, 15.06.2001]
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4.4 Gesamtschaltung
Konstantstromquelle
Offset-Spg.
Verstärker
Bus
Messglied
Impedanzwdl.
Subtrahierer
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1.
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Elektronische Temperaturmessung
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2.2
2.3
2.4
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Messschaltungen
3.1
3.2
3.3
4.
Messbrücke
2-Leiter-Messung
4-Leiter-Messung
Schaltung mit PT100
4.1
4.2
4.3
4.4
5.
Thermoelement
PN-Übergang am Halbleiter
Thermistoren (PTC, NTC)
PT100
Konstant-Strom-Quelle
Offset
Messbereichsanpassung
Gesamtschaltung
Quellen
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5. Quellen

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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22
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Noch Fragen???
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ansonsten…
Vielen Dank für eure
Aufmerksamkeit!
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