Thermosensoren Sensoren

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1 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 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 Seite 1

2 Die Temperatur T 2 kann aus der Temperaturdifferenz und der Referenztemperatur T 1 ermittelt werden. Oft wird als Referenztemperatur ein Eis-Wassergemisch 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 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 = K -1 Pt 100 Widerstände haben bei 0 C einen Widerstand von 100 Ω und bei 100 C 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 Im Anhang finden Sie einen Artikel, wie die 0 o C Temperaturreferenz elektronisch erzeugt werden kann. Laborübung 3 Seite 2

3 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 pn- Übergang (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: 1 4 EB/kT I R proportional zu ( T e ) m Bei Transistoren ist m und bei Dioden m Laborübung 3 Seite 3

4 4. Aufgaben 1. Nehmen Sie die Kennlinie eines Thermoelementes auf ( 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 Widerstand. 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 Widerstand 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 Messtechnik mit Schwerpunkt Sensortechnik, ETH-BIB [2] G. W. Schranz, Sensoren, Hüthig-Verlag, ISBN [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 Laborübung 3 Seite 4

5 Die Temperaturabhängigkeit der Durchlassspannung einer Diode Die Shockley-Gleichung beschreibt die Beziehung zwischen dem Durchlassstrom I F und der Durchlassspannung U F einer Diode I F = I R (e UF/mUth - 1) (*) mit I F : Durchlassstrom durch die Diode U F : Spannungsabfall über der Diode I R : theoretischer Sperrsättigungsstrom m : ein Parameter mit einem Wert zwischen 1.0 und 2.0 U Th = kt 25.2 mv (T = 295 K) e Für den Sperrstrom I R gilt folgende Temperaturabhängigkeit I R = K. (T 4. e -EB/kT ) 1/m (**) mit K : ein unbekannter Proportionalitätsfaktor E B : Bandlückenenergie (E B Si = 1.12 ev) Die Gleichung (*) umgeformt. U F = m U Th ln(i F /I R + 1) (***) Die Gleichung (***) wird nach der Temperatur T abgeleitet, wobei der Strom durch die Diode I F konstant gehalten wird. Das Resultat dieser Ableitung mit (**) ergibt du T /dt - 2mV / K Die folgende Grafik zeigt die gute Korrelation zwischen der Durchlassspannung U F einer Diode und der Temperatur T Laborübung 3 Seite 5