Temperaturmessung mit Thermoelementen / NTC

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1 Temperaturmessung mit Thermoelementen / NTC Ralf Renk, Robert Schmieder, Dominik Bacher 17. Juni 2008 Inhaltsverzeichnis 1 Projektbeschreibung 2 2 Funktionsweise eines Thermoelements 2 3 Verstärkerschaltung Schaltplan Platinen Layout Software float getv () float getv mittel() float gett emp(floatvolt) int tmain(intargc, T CHAR argv[]) Schematischer Versuchsaufbau 5 6 Durchführung und Ergebnis 5 7 Anhang Auszug Datenblatt Thermoelement Type J Sofware Listing Sofware Struktogramm Quellen

2 1 Projektbeschreibung Es soll ein Versuchsaufbau realisiert werden mit dem unter Verwendung eines Thermoelement / NTC und einer entsprechenden Operationsverstärkerschaltung über das REDLAB-Interface zum PC Messwerte erfasst und ausgewertet weden können. Es soll ein NiCR-Ni Typ J Thermoelemt verwendet werden. Der Messbereich soll zwischen Grad Celsius liegen. Die Software ist zu programmieren. Die Messwiederholzeit soll eingegeben werden können. Die gemessenen Temperaturwerte sollen ausgegeben werden. 2 Funktionsweise eines Thermoelements Abbildung 1: Aufbau eines Thermoelements An den freien Enden der beiden miteinander verbundenen Leiter wird bei einer Temperaturdifferenz entlang der Leiter aufgrund des Seebeck-Effekts 1 eine elektrische Spannung erzeugt. Die Verbindungsstelle und die freien Enden müssen somit hierzu unterschiedliche Temperaturen aufweisen. Bei metallischen Leitern treten Spannungen im Bereich einiger Mikrovolt bis Millivolt auf. [ 1 Seebeck-Effekt [nach dem Physiker Thomas Johann Seebeck, * 1770, 1831], ein 1821 entdeckter thermoelektrischer Effekt: Hält man die beiden Verbindungsstellen zweier zu einem Leiterkreis geschlossener Stücke aus verschiedenen Metallen (oder Halbleitern) auf unterschiedliche Temperatur, fließt wegen der unterschiedlichen Thermospannung ein Thermostrom. Als Umkehrung des Peltier-Effekts wird der Seebeck-Effekt u. a. zur Temperaturmessung mit Thermoelementen genutzt.[lexikon.meyers.de] 2

3 3 Verstärkerschaltung 3.1 Schaltplan Da das verwendete Thermoelement in unserem vorgegebenem Meßbereich (0-100 C) nur Spannungen im Bereich von 0 bis ca. 5mV erzeugt, muß mit einer geeigneten Verstärkerschaltung der Spannungsbereich auf ein verwertbares Maß angehoben werden. Für den hier verwendeten A/D-Wandler benötigen wir somit einen Verstärkungsfaktor von 1000 um den Spannungsbereich auf 0 bis ca. 5V anzuheben. Wir haben uns für eine einfache Operationsverstärkerschaltung entschieden. Abbildung 2: Schaltplan der OP-Schaltung Es gilt: Verstärkung V = R 1 R 2 = 100kΩ 100Ω =

4 3.2 Platinen Layout Abbildung 3: Layout der Platine Die linke Schaltung der Platine wurde zu Testzwecken implementiert und im laufe des Projekts verworfen. 4 Software siehe auch Kapitel 7.2, f loat getv () Liest Kanal 0 vom A/D-Wandler ein f loat getv mittel() Errechnet den Mittewert von 25 in folge gelesenen Werten (Kanal 0) f loat gett emp(f loatvolt) Bestimmt die auszugebende Temperatur anhand fixer Werte aus der Kennlinie des Thermoelements. (siehe Datenblatt Kapitel 7.1) int tmain(intargc, T CHAR argv[]) Das Hauptprogramm. Hier kann der Benutzer wählen ob er die Erfassung starten oder beenden will und er kann die Anzahl der Erfassungen mit Zeitintervall festlegen. Nach erfolgreicher Erfassen wird die Temperatur am Bildschirm ausgegeben. 4

5 5 Schematischer Versuchsaufbau 6 Durchführung und Ergebnis Zum Test des Projekts verwendeten wir den Generator anstatt des Thermoelements zwecks einfacherer Durchführung und Überprüfbarkeit. Es wurden verschiedene Werte durch den Generator eingespeißt und als Ergebnis die Temperaturausgabe am Monitor überprüft. Alle Werte wurden korrekt ausgegeben. Das Projekt wurde am praktisch abgenommen. 5

6 7 Anhang 7.1 Auszug Datenblatt Thermoelement Type J Thermospannung als Funktion der Temperatur E / mv Typ J t90/ C t90/ C 0 0,000 0,050 0,101 0,151 0,202 0,253 0,303 0,354 0,405 0, ,507 0,558 0,609 0,660 0,711 0,762 0,814 0,865 0,916 0, ,019 1,071 1,122 1,174 1,226 1,277 1,329 1,381 1,433 1, ,537 1,589 1,641 1,693 1,745 1,797 1,849 1,902 1,954 2, ,059 2,111 2,164 2,216 2,269 2,322 2,374 2,427 2,480 2, ,585 2,638 2,691 2,744 2,797 2,850 2,903 2,956 3,009 3, ,116 3,169 3,222 3,275 3,329 3,382 3,436 3,489 3,543 3, ,650 3,703 3,757 3,810 3,864 3,918 3,971 4,025 4,079 4, ,187 4,240 4,294 4,348 4,402 4,456 4,510 4,564 4,618 4, ,726 4,781 4,835 4,889 4,943 4,997 5,052 5,106 5,160 5, ,269 5,323 5,378 5,432 5,487 5,541 5,595 5,650 5,705 5, ,814 5,868 5,923 5,977 6,032 6,087 6,141 6,196 6,251 6, ,360 6,415 6,470 6,525 6,579 6,634 6,689 6,744 6,799 6, ,909 6,964 7,019 7,074 7,129 7,184 7,239 7,294 7,349 7, ,459 7,514 7,569 7,624 7,679 7,734 7,789 7,844 7,900 7, ,010 8,065 8,120 8,175 8,231 8,286 8,341 8,396 8,452 8, ,562 8,618 8,673 8,728 8,783 8,839 8,894 8,949 9,005 9, ,115 9,171 9,226 9,282 9,337 9,392 9,448 9,503 9,559 9, ,669 9,725 9,780 9,836 9,891 9,947 10,002 10,057 10,113 10, ,224 10,279 10,335 10,390 10,446 10,501 10,557 10,612 10,668 10, ,779 10,834 10,890 10,945 11,001 11,056 11,112 11,167 11,223 11, ,334 11,389 11,445 11,501 11,556 11,612 11,667 11,723 11,778 11, ,889 11,945 12,000 12,056 12,111 12,167 12,222 12,278 12,334 12, ,445 12,500 12,556 12,611 12,667 12,722 12,778 12,833 12,889 12, ,000 13,056 13,111 13,167 13,222 13,278 13,333 13,389 13,444 13, ,555 13,611 13,666 13,722 13,777 13,833 13,888 13,944 13,999 14, ,110 14,166 14,221 14,277 14,332 14,388 14,443 14,499 14,554 14, ,665 14,720 14,776 14,831 14,887 14,942 14,998 15,053 15,109 15, ,219 15,275 15,330 15,386 15,441 15,496 15,552 15,607 15,663 15, ,773 15,829 15,884 15,940 15,995 16,050 16,106 16,161 16,216 16, DIN EN : 1995 Seite 2 / 6 Grundwertreihe des Thermoelementes Typ J [ 6

7 7.2 Sofware Listing // Thermomessung.cpp : Definiert den Einstiegspunkt fr die Konsolenanwendung. // #include "stdafx.h" #include <iostream> #include <windows.h> #include "cbw.h" #include <math.h> using namespace ::std; #pragma comment(lib, "cbw32.lib") #define BOARD_NUM 0 /* Number of A/D board as defined with InstaCal */ #define ADRANGE BIP10VOLTS /* A/D voltage range */ #define WERTE_ANZ 3000 #define MAX_V 10 #define ABWEICHUNG 2 static unsigned short DataVal; long rate=1000; float ger_a=0, ger_b=0; float leersp = 0; float getv() //Einlesen von Kanal 0, ausgabe in Volt zur Leerlaufspannungserfassung float v=0; cbain (BOARD_NUM, 0, ADRANGE, &DataVal); cbtoengunits (BOARD_NUM,ADRANGE,DataVal,&v); return v; float getvmittel() float mittel = 0; for(int i=0;i<25; i++) mittel+=getv()/25; return mittel; float gettemp(float volt) //anhand von getv temperatur ausgeben int temp = 0; float mittel = 0; double werte[10]= 0.465, 0.86, 1.3, 1.74, 2.225, 2.698, 3.156, 3.6, 4.034, 4.464; for(int i=0; i<10; i++) mittel+=((10*(i+1))/(float)werte[i])/10; temp = (int)(volt*mittel); return temp; 7

8 int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) cout<<"\n\n"; cout<<" \n"; cout<<" THERMOMESSUNG \n"; cout<<" ====================== \n"; cout<<" von R. Renk, D. Bacher, R. Schmieder \n"; cout<<" CEB3 - Version 1.00 \n"; cout<<" \n"; cout<<"\n"; bool weiter=true; int anzahl = 5; int zeit = 1000; while(weiter) cout << " [W] fuer Erfassung " << anzahl << " werte" << endl; cout << " [B] fuer Beenden" << endl; cout << " [E] edit" << endl; cout << " [A] automatisch erneuern " << zeit <<" ms"<< endl; char zeichen; cin>>zeichen; if(zeichen=='w' zeichen=='w') system("cls"); cout<<"\n **********Erfassung gestartet**********\n" << endl; //werteerfassen(werte); for(int i=0; i<anzahl; i++) float volt = getvmittel(); cout<<" Volt(CH0): \t"<< volt <<" V \t Temperatur: \t" << gettemp(volt) << " Grad" <<endl<<endl; cout<<" **********Erfassung beendet**********\n" << endl; if(zeichen=='b' zeichen=='b') exit(0); if(zeichen=='e' zeichen=='e') cout << "Anzahl eingeben: "; cin >> anzahl; cout << "Zeit eingeben: "; cin >> zeit; cout << endl; if(zeichen=='a' zeichen=='a') while(42) system("cls"); float volt = getvmittel(); cout<<" Temperatur = "<< gettemp(volt) << " Grad" << endl; Sleep(zeit); return 0; 8

9 7.3 Sofware Struktogram EasyCODE Dokument: Thermomessung.cpp Thermomessung // Thermomessung.cpp : Definiert den Einstiegspunkt für die Konsolenanwendung. // #include "stdafx.h" #include <iostream> #include <windows.h> #include "cbw.h" #include <math.h> using namespace ::std; #pragma comment(lib, "cbw32.lib") #define BOARD_NUM 0 /* Number of A/D board as defined with InstaCal */ #define ADRANGE BIP10VOLTS /* A/D voltage range */ #define WERTE_ANZ 3000 #define MAX_V 10 #define ABWEICHUNG 2 static unsigned short DataVal; long rate=1000; float ger_a=0, ger_b=0; float leersp = 0; getv float getv() //Einlesen von Kanal 0, ausgabe in Volt zur Leerlaufspannungserfassung float v=0; cbain (BOARD_NUM, 0, ADRANGE, &DataVal); cbtoengunits (BOARD_NUM,ADRANGE,DataVal,&v); getvmittel return v ; float getvmittel() gettemp float mittel = 0; for( int i=0;i<25; i++ ) mittel+=getv()/25; return mittel; float gettemp(float volt) //anhand von getv temperatur ausgeben int temp = 0; float mittel = 0; double werte[10]= 0.465, 0.86, 1.3, 1.74, 2.225, 2.698, 3.156, 3.6, 4.034, 4.464; for( int i=0; i<10; i++ ) mittel+=((10*(i+1))/(float)werte[i])/10; temp = (int)(volt*mittel); return temp; :04:21 - Seite 1 von 3-9

10 EasyCODE Dokument: Thermomessung.cpp _tmain int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) cout<<"\n\n"; cout<<" \n"; cout<<" THERMOMESSUNG \n"; cout<<" ====================== \n"; cout<<" von R. Renk, D. Bacher, R. Schmieder \n"; cout<<" CEB3 - Version 1.00 \n"; cout<<" \n"; cout<<"\n"; bool weiter=true; int anzahl = 5; int zeit = 1000; while( weiter ) cout << " [W] fuer Erfassung " << anzahl << " werte" << endl; cout << " [B] fuer Beenden" << endl; cout << " [E] edit" << endl; cout << " [A] automatisch erneuern " << zeit <<" ms"<< endl; char zeichen; cin>>zeichen; if ( zeichen=='w' zeichen=='w' ) then else system("cls"); cout<<"\n **********Erfassung gestartet**********\n" << endl; //werteerfassen(werte); for( int i=0; i<anzahl; i++ ) float volt = getvmittel(); cout<<" Volt(CH0): \t"<< volt <<" V \t Temperatur: \t" << gettemp(volt) << " Grad" <<endl; cout<<" **********Erfassung beendet**********\n" << endl; if ( zeichen=='b' zeichen=='b' ) then exit(0); else if ( zeichen=='e' zeichen=='e' ) then else cout << "Anzahl eingeben: "; cin >> anzahl; cout << "Zeit eingeben: "; cin >> zeit; cout << endl; :04:21 - Seite 2 von 3-10

11 EasyCODE Dokument: Thermomessung.cpp if ( zeichen=='a' zeichen=='a' ) then else while( 42 ) system("cls"); float volt = getvmittel(); cout<<" Temperatur = "<< gettemp(volt) << " Grad" << endl; Sleep(zeit); return 0 ; :04:21 - Seite 3 von 3-11

12 7.4 Quellen Literatur [ [lexikon.meyers.de] [ 12