Elektrische Messtechnik, Sensorik und Messdatenerfassung (EMSM)

Transkript

1 Elektrische Messtechnik, Sensorik und Messdatenerfassung (EMSM) : Temperaturmessung Datum, Uhrzeit: , 8:00-17:00 Ort: AFreeze GmbH, Eduard Bodem Gasse 8/EG, Innsbruck; blaues Haus Betreuer : Dr. Claudia-Nike Nowak, Dr. Andreas Neurauter, Univ.Doz. Dr. Gerald Fischer 1

2 1 Theorie zur Laboru bung Ziel dieser Laboru bung ist es, unterschiedliche Wassertemperaturen mit verschiedenen Temperatursensoren zu messen. Dabei sollen einerseits die Vor- bzw. Nachteile der einzelnen Sensoren und andererseits auch die Probleme der eigentlichen Temperaturmessung ersichtlich werden. Die Theorie zur Vorbereitung der Laboru bung wird im Besonderen - aber nicht ausschliesslich - in folgenden Kapiteln des Vorlesungsskripts Elektrische Messtechnik, Sensorik (EMSM) erla utert und gilt somit auch als Pru fungsstoff fu r die Laboreingangsu berpru fung: Sensoren im Allgemeinen im Kapitel 6 Sensoren und Messwertumformer, Seite 241 bis 245 Temperaturmessung im Kapitel 6 Sensoren und Messwertumformer, Seite 319 bis 348 Arten der Messversta rker im Kapitel 4 Analoge Messtechnik, Seite 151 bis 165 Instrumentenversta rker im Kapitel 4 Analoge Messtechnik, Seite 175 bis Hausu bung Die Ergebnisse der Hausu bung werden vor der Durchfu hrung der U bung besprochen und sind pru fungsrelevant!! 2.1 Hausarbeit zu Laboru bung 1 Als Vorarbeit sollen vor (!!) der Laboreinheit als Hausu bung die fehlenden Widersta nde bzw. auftretende Spannungen in folgender einfachen Pt Messversta rkerschaltung (siehe dazu Abb. 1) berechnet werden. Die Versta rkerschaltung wird symmetrisch mit ±5V und Masse versorgt und soll so ausgelegt werde, dass der Messbereich von 40 C bis 40 C linear auf einen Ausgangsspannungsbereich von 4V bis 4V abgebildet wird. (ratiometrischer Sensor) Der Messversta rker ist zweistufig aufgebaut: Berechnen Sie RL, sodass ein konstanter Strom von 2.5mA in den Pt1000-Sensor eingepra gt wird. Entnehmen Sie der Kennlinie, welche Werte der Pt1000-Sensor fu r ±35 C und 0 C einnimmt. Welche Ausgangsspannungen stellen sich fu r ±35 C und 0 C nach der 1.Stufe ein? Die 2. Versta rkerstufe ist ein Addierer und dient der finalen Versta rkung sowie der Offsetanpassung. RA ist 10kΩ groß. Wie groß muss RV sein, damit sich der Ausgangsspannungsbereich von Stufe 1 fu r ±35 C auf einen Bereich von ±3.5V symmetrisch um GND abbildet? 2

3 Abbildung 1: Schaltbild des einfachen Pt Messversta rkers. Die rot umkreisten Widersta nde mu ssen berechnet werden. Welche Ausgangsspannungen stellen sich somit theoretisch ein (idealer Versta rker)? Wie muss RO dimensioniert werden, damit der Ausgangsspannungsbereich symmetrisch zu GND liegt? Dabei ist zu beachten, dass RO mit dem Potentiometer ROT im Bereich von 1% anpassbar sein soll. 2.2 Hausarbeit zu Laboru bung 2 In der 2. Laboru bung soll mit Hilfe von Thermocouples (TC) unterschiedliche Wassertemperaturen gemessen werden. Dazu soll die Thermospannung eines Thermoelements mit einem Instrumentenversta ker versta rkt werden. Die Kennlinie ist nicht linear, jedoch soll als Vorarbeit eine (na herungsweise) linearisierte Kennlinie des Thermoelements fu r den Bereich 20 C - 40 C berechnet und zur Laboreinheit mitgenommen werden (Tabelle und Diagramm). 3 Durchfu hrung der Laboru bung In dieser Laboru bung sollen folgende 2 Aufgaben gelo st werden: 3.1 Temperaturmessung mit Pt1000 Ziel dieser U bung ist es, einen einfachen Pt Messversta rker aufzubauen (siehe dazu Abb. 1) und mit Hilfe von zwei exakten Widersta nden (866Ω, 1kΩ und 1k13Ω) zu kalibrieren, um unterschiedliche Wassertemperaturen ( 20 C, 0 C, 25 C und 40 C) zu messen. Die Platine fu r diese U bung ist bereits teilweise bestu ckt und soll nun mit den zuvor berechneten Widersta nden fertig gestellt werden. Als na chster Schritt muss der Messversta rker nun mittels 2 exakten Widersta nden u ber das Potentiometer kalibriert wer- 3

4 den. Zum Abschluss dieser U bung sollen nun unterschiedliche Wassertemperaturen im stehenden und im bewegten Wasser gemessen werden. Schließen Sie die Schaltung an das Labornetzteil an und stellen Sie die Versorgungsspannung auf ±5V ± 10mV ein. Welchen Temperaturen entsprechen den exakten Widersta nden und welche Spannung muß die Versta rkerschaltung am Ausgang korrekterweise ausgeben? Einstellung des Pt Messversta rkers mit Hilfe der exakten Widersta nde Messung von unterschiedlichen Wassertemperaturen - sowohl im stehenden als auch bewegtem Wasser - mit dem Pt 1000 Sensor und dem Referenzthermometer Greisinger GTH 175/Pt (Vergleich der Ergebnisse, Tabelle und Diagramm) 3.2 Temperaturmessung mit Thermocouples In dieser Laboru bung soll nun mit Hilfe von Thermocouples (TC) unterschiedliche Wassertemperaturen gemessen werden. Dazu soll die Thermospannung eines Thermoelements mit einem Instrumentenversta ker versta rkt werden. Die Kennlinie ist nicht linear und soll im Rahmen dieser U bung aber als na herungsweise linear betrachtet werden. Die linearisierte Kennlinie des Thermoelements fu r den Bereich 20 C - 40 C der Hausu bung soll in dieser Aufgabe verwendet werden Einfacher TC Versta rker Abbildung 2: Schaltbild der ersten Version der TC Schaltung. Die Schaltung soll entsprechend dem Schaltplan (siehe Abb. 2) auf dem Steckbrett aufgebaut werden. Versorgt wird die Schaltung wiederum symmetrisch mit ±5V und Masse. Die Versta rkung des Instrumentenversta rker betrage G = Wie groß muss RIN A hierfu r gewa hlt werden? Schließen Sie das Thermoelement an und messen Sie nun zum einen Raumtemperatur und zum anderen die Temperatur des Eis- Wasserbads. Was fa llt auf. 4

5 3.2.2 Thermische Kontaktspannungskompensation Fu r Messungen relativ zu 0 C wird nun anstelle des einfachen Thermoelements ein doppeltes Thermoelement angeschlossen (siehe dazu Abb. 3): Abbildung 3: Schaltbild der 2. Version der TC Schaltung. Ein Kontakt liegt als Referenz im Eiswasser der zweite wird zur Temperaturbestimmung verwendet. Messen Sie nun die Raumtemperatur, die korrekte Temperatur des Wasserbads und die des Eiswassers sowie die des kalten Frostschutzmittels. Bestimmens sie eine lineare Na hrung fu r den betrachteten Bereich. Wie gut stimmt die Messung mit der urspru nglichen Berechnung u berein? Elektronische Kontaktspannungskompensation Offensichtlich ist ein 0 C Temperaturreferenz keine praktikable Lo sung fu r eine reale Temperaturmessung. Daher soll nun die Kontakttemperatur der ersten TC Schaltung (siehe 3.2.1) mit einem weitern Temperatursensor kompensiert werden. Hierfu r kommt ein LM35 Temperatursensor zum Einsatz. Die Ausgangsspannung des LM35C, die der Offsetkompensation dienen soll, wird hier der wiederum mir einem INA118 Instrumentenversta ker auf den gewu nschten Wert skaliert. Mit dieser Offsetspannung wird nun der Referenzeingang des ersten INA118 um genau das Potential angehoben, das der versta rkten Thermospannung an der Kontaktstelle entspricht. Welche Ausgangsspannung hat die Schaltung aus wenn sich das erste Thermopaar in Eiswasser und das zweite in einem Wasserbad mit 25 C befindet? Welche Ausgangsspannung hat ein LM35C bei einer Umgebungstemperatur von 25 C? Wie groß ist der Versta rkungsfaktor, den der 2. Instrumentenversta rker haben muss, um die Kontakttemperatur auszugleichen? 5

6 Abbildung 4: Schaltbild der 3. Version der TC Schaltung. Wie groß muß RIN A2 sein? Messung von unterschiedlichen Wassertemperaturen - sowohl im stehenden als auch bewegtem Wasser - mit dem Pt 1000 Sensor und dem Referenzthermometer Greisinger GTH 175/Pt (Vergleich der Ergebnisse, Tabelle und Diagramm) Was sind die wesentlichen Unterschiede zwischen Pt1000, TC und LM35? 6