Temperaturmessung. Temperaturmessung. (Paul) Moritz Geske. Betreuer: Inna Kübler (Paul) Moritz Geske

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1 Temperaturmessung Betreuer: Inna Kübler

2 1. Einleitung 2. Elektronische Temperaturmessung 2.1 Thermoelement 2.2 PN-Übergang am Halbleiter 2.3 Thermistoren (PTC, NTC) 2.4 PT Messschaltungen 3.1 Messbrücke Leiter-Messung Leiter-Messung 4. Schaltung mit PT Konstant-Strom-Quelle 4.2 Offset 4.3 Messbereichsanpassung 4.4 Gesamtschaltung 5. Quellen Gliederung 2

3 1. Einleitung Möglichkeiten der Temperaturerfassung: Gas- oder Flüssigkeitsthermometer Bimetall-Thermometer Temperaturmessfarben Messung durch elektromagn. Strahlung (Pyrometrie) Elektronische Temperaturmessung 3

4 1. Einleitung 2. Elektronische Temperaturmessung 2.1 Thermoelement 2.2 PN-Übergang am Halbleiter 2.3 Thermistoren (PTC, NTC) 2.4 PT Messschaltungen 3.1 Messbrücke Leiter-Messung Leiter-Messung 4. Schaltung mit PT Konstant-Strom-Quelle 4.2 Offset 4.3 Messbereichsanpassung 4.4 Gesamtschaltung 5. Quellen Übersicht 4

5 2.1 Thermoelement Temperaturmessung Schaltzeichen: [Quelle: de.wikipedia.org/wiki/thermoelement] 5

6 2.1 Thermoelement Thermospannung im μv-bereich U TH = K AB (T M T V ) Temperaturkoeffizient Temperatur Messstelle Temperatur Vergleichsstelle Koeffizient: z. B. Typ K Nickel-Chrom/Nickel ( 270 bis 1372 C) Differenz-Temperaturmessung Nur geringes elektrisches Signal U TH Industrieller Einsatz, hier zu kostenintensiv [Quelle: 6

7 2.2 PN-Übergang Halbleiter Temperaturmessung U D kt ln N N n A = 2 e i D Sperrstrom einer I S = k S T 3 e Wg kt Diode : [Quelle: Prof. Dr. Boit, Skript: Bauelemente WS 2008/2009 Abschnitt 2] Sperrschicht / aumladungszone temperaturabhängig Silizium (bei T = 300 K) ein Temperaturkoeff. von -2 mv/k 7

8 2.3 Thermistoren PTC Kaltleiter NTC Heißleiter materialabhängige Kurvenverläufe: linear parabelförmig exponentiell [Quelle: 8

9 2.4 PT100 Physikalisches Prinzip des Kaltleiter (PTC) Besteht aus Platinum Temperaturmessung im Bereich 200 C bis 850 C Charakterisiert durch Nennwiderstand 0 = 100Ω bei 0 C Widerstandsänderung in DIN EN festgelegt: Bereich: -200 C bis 0 C Bereich: 0 C bis 850 C: = 0 (1 + a T + b T 2 + c (T 100 K) T 3 ) = 0 (1 + a T + b T 2 ) a = 3, / K b = -5, / K 2 c = -4, / K 4 a = 3, / K b = -5, / K 2 9

10 PT100 [Quelle: 10

11 2.4 PT100 Im Temperaturbereich zw. 0 C und 100 C gilt näherungsweise: = 0 (1 + a T) Polynom 1. Grades (lt. DIN-Norm) a = 3, / K 0 C 100,0 Ω 100 C 138,50 Ω (138,50 Ω) 50 C 119,25 Ω (119,40 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 11

12 1. Einleitung 2. Elektronische Temperaturmessung 2.1 Thermoelement 2.2 PN-Übergang am Halbleiter 2.3 Thermistoren (PTC, NTC) 2.4 PT Messschaltungen 3.1 Messbrücke Leiter-Messung Leiter-Messung 4. Schaltung mit PT Konstant-Strom-Quelle 4.2 Offset 4.3 Messbereichsanpassung 4.4 Gesamtschaltung 5. Quellen Übersicht 12

13 3.1 Messbrücke Abgleich PT100 bei 0 C : = = 100 Ω U = 0V ϑ ϑ U ϑ ϑ [Quelle: U 0 Differenzspannung : U U 1 ϑ ϑ ϑ = Uϑ = U 0 Nur geringe Toleranzen von zulässig Präziser Abgleich notwendig Eigenerwärmung PT100 I ϑ,max = 1mA U 0,max = 200mV U ϑ = 0 19,25mV (0 100 C) 13

14 3.2 2-Leiter-Messung Anwendbar bei kurzen Zuleitungen Abhängig vom Material der Zuleitungen Geringere Genauigkeit 14

15 3.3 4-Leiter-Messung Doppelte Anzahl an Messleitungen notwendig Anwendbar auch bei langen Zuleitungen Höchste Genauigkeit 15

16 1. Einleitung 2. Elektronische Temperaturmessung 2.1 Thermoelement 2.2 PN-Übergang am Halbleiter 2.3 Thermistoren (PTC, NTC) 2.4 PT Messschaltungen 3.1 Messbrücke Leiter-Messung Leiter-Messung 4. Schaltung mit PT Konstant-Strom-Quelle 4.2 Offset 4.3 Messbereichsanpassung 4.4 Gesamtschaltung 5. Quellen Übersicht 16

17 4.1 Konstantstromquelle Spannungsregler LM317 mit OPV als Impedanzwandler: Temperaturmessung V U ref OPV1 mit V ϑ,0 C ϑ,100 C = U I ref mess = 100Ω = 138,5Ω 1,25V = 1mA = 1,25kΩ U U ϑ,0 C ϑ,100 C = 100mV = 138,5mV ϑ (PT100) Spannungsreferenz LM317: 1,25V 1 als Trimmpotentiometer 1 prägt Messstrom ein Spannung durch OPV stabilisiert [Quelle: Faust, Dirk: Konstruktion eines PT100 Messverstärker, ] 17

18 4.3 Offset U B Impedanzwandler Subtrahierer U e = 100mV 138,5mV 0 C 100 C OPV2 OPV3 U a = 0mV 38,5mV 0 C 100 C U e3 = U e2 = U B U a = U U e1 e3 [Quelle: Faust, Dirk: Konstruktion eines PT100 Messverstärker, ] 18

19 4.4 Messbereichsanpassung Nicht-invertierender Verstärker: 4 OPV4 3 = 1KΩ V 4 = 1+ U = U 3 4 a,max e,max = U U a,max e,max 1 10V = 1 1kΩ 3 38,5 10 V 258,74kΩ 3 U e = 0V 38,5mV U a = 0V 10V [Quelle: Faust, Dirk: Konstruktion eines PT100 Messverstärker, ] 19

20 4.4 Gesamtschaltung Temperaturmessung Konstantstromquelle Offset-Spg. Verstärker Bus Messglied Impedanzwdl. Subtrahierer 20

21 1. Einleitung 2. Elektronische Temperaturmessung 2.1 Thermoelement 2.2 PN-Übergang am Halbleiter 2.3 Thermistoren (PTC, NTC) 2.4 PT Messschaltungen 3.1 Messbrücke Leiter-Messung Leiter-Messung 4. Schaltung mit PT Konstant-Strom-Quelle 4.2 Offset 4.3 Messbereichsanpassung 4.4 Gesamtschaltung 5. Quellen Übersicht 21

22 5. Quellen Faust, Dirk: Konstruktion eines PT100 Messverstärkers, Gühmann, C., Filbert, D.: Elektronische Messtechnik MT1, [ :38 Uhr] [ :42 Uhr] de.wikipedia.org/wiki/kaltleiter [ :59 Uhr] de.wikipedia.org/wiki/ntc [ :59 Uhr] [ :38 Uhr] [ :56 Uhr] [ :21 Uhr] 22

23 Noch Fragen??? 23

24 ansonsten Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit! 24