Temperaturmeßung mit PT-100 und 4-20mA Transmitterschaltung

Transkript

1 Sensortechnik Temperaturmeßung mit PT- und 4-m Transmitterschaltung

2 nhaltsverzeichnis Platin Widerstände Linearisierung orgehensweise zum Schaltungsentwurf Schaltungsaufbau mit Berechnung

3 Platin Widerstände Platinwiderstände sind Widerstände, die ihren Widerstandswert mit der Temperatur ändern. llgemein gilt folgende Funktion: ( ) ( ϑ B ϑ C ( ϑ C ) ϑ ) ϑ Ohm,98* - K - B-5,775* -7 K - C-4,8* - K - nur von C bis C Einsatztemperatur -C bis 85C Empfindlichkeit 54mOhm/K (Mittelwert!) Widerstandsverlauf eines PT- 45, 4, 5, Widerstandswert in [Ohm], 5,, 5,, 5,, Temperatur T in [C ]

4 Linearisierung Da die Widerstandsänderung über die Temperatur nicht linear ist, schaltet man einen zweiten Widerstand parallel zum Meßwiderstand. Günstig ist in diesem Fall, wenn man als Parallelwiderstand den nnenwiderstand der Stromquelle verwendet. Berechnung des Parallelwiderstandes Temperaturbereich C - 5C Wendepunkt in ntervallmitte P d dϑ d dϑ ( ϑ ) ϑm ϑme ϑ P -658 Ohm Durch parallelschalten dieses Widerstandes erhält man eine erbesserung der Linearität, wie im folgenden Diagramm zu sehen ist. Linearitätsabweichung im Temperaturintervall gemessen in Ohm,4, Linearitätsabweichung in [Ohm],,,,,, Temperatur T in [C ] PT- PT- linearisiert

5 orgehensweise zum Entwurf der Schaltung Erster Entwurf der Schaltung Stromquelle erstärkung Stromregelung Spannungsstabilisierung Schutzbeschaltung Festlegung der Einsatzbedingungen Temperaturmeßbereich ersorgungsspannung Dimensionierungstemperatur uswahl der Bauelemente Operationsverstärker Spannungsregler Transistor Dimensionierung der Schaltung bgleich der Schaltung

6 Festlegung der Einsatzbedingungen Temperaturmeßbereich C bis 5 C ersorgungsspannung 6 Dimensionierung bei C uswahl der Bauelemente Das entscheidende Kriterium bei der uswahl der aktiven Bauelemente ist der Eigenstrombedarf. Dieser te möglichst gering sein, da der Schaltung nur maximal 4m zur erfügung stehen. Weitere Kriterien sind geringe Temperaturunabhängigkeit und eine hohe Genauigkeit, daß auch für passive Bauelemente gilt. Widerstände E96 eihe mit % bweichung Operationsverstärker OP5 Spannungsregler LM7 Transistor BC546B

7 Spannungsstabilisierung Dimensionierung Schaltung Da alle Baugruppen die zur Schaltung benötigt werden von der ersorgungsspannung abhängig sind, ist es sinnvoll diese als erstes zu dimensionieren. erwendet wird hier ein Spannungsregler LM7, bei dem die usgangsspannung durch externe Beschaltung eingestellt werden kann. Zusätzlich wird dadurch der Eigenstromverbrauch des LM über die zwei Widerstände konstant gehalten. Die Dioden in der Schaltung haben nur die ufgabe den Spannungsregler zu schützen und können bei der Dimensionierung vernachlässigt werden. m die Spannungen zu beruhigen sind noch zwei Kondensatoren eingebaut. Die usgangsspannung läßt sich berechnen mit o ref 4 ( ) DJ 4 ref,5 DJ 5µ (siehe Datenblat) (siehe Datebblat) Die Spannung ref und der Strom DJ sind konstante größen.

8 Wählt man für KΩ ergibt sich für 4 ref 6,5 4 74Ω ref,5 5µ DJ kω 4 E96 7,4 KΩ Eine ückrechnung mit den Widerstandswerten ergibt für die ersorgungsspannung und den Eigenstromverbrauch folgende Werte. 6,45 4,66m Für einen nachträglichen abgleich der Schaltung te 4 durch einen Poti ersetzt werden. Besser ist aber wenn ein Poti in reihe zu 4 geschaltet ist!

9 a Stromquelle m eine effektive Linearisierung zu erreichen, benötigt man eine Stromquelle, die einen negativen nnenwiderstand aufweist. Bei nachfolgender Schaltung handelt es sich deshalb um eine Stromquelle, bei der man den nnenwiderstand durch die äußere Beschaltung eines Operationsverstärker bestimmen kann. Wendet man auf die Knotenpunkte der Schaltung die Knotenregel an, so ergeben sich folgende Beziehungen. Geht man davon aus, das der Operationsverstärker seinen usgang stets so regelt, das die Beziehung - gilt, so erhält man folgende Gleichungen, die zur Dimensionierung der Schaltung erforderlich sind. a a op q ges i ) (

10 Berechnung von, und i ( ϑ ( ) i ) i i Wähle (ϑ) bei C Ohm m mit 6 i -658Ω 6 Ω 64 m ( ) 658 Ω Ω 64 Ω 658 Ω,45 m die Querströme möglichst gering zu halten wählt man die widerstände und im KOhm Bereich. ußerdem muß > gewählt werden um einen negativen Wert zu bekommen. E96 6,9 KΩ E96 KΩ E96, KΩ ückrechnung i -666 Ω _min, m _min m _max, m _max 6 m Berechnung des Gesamtstromes ( ) _ max ( ), 5m ( ) m,5m 8µ, 85m ges q

11 Spannungsverstärkung Da die Spannugsdifferenz am PT- nur 6m beträgt und das in einem Temperaturintervall von 5 C ist es sinnvoll die Spannung zu verstärken und die Empfindlichkeit zu verändern, die mit,4m/ C zu klein ist. Schaltungsanalyse ( ) m b Berechne m und b _ min _ max _ min _ max m b m b m _ min _ max ( _ min _ max ) Wähle _min,5 _max,5 / C,m/ C

12 m _ min _ max ( _ min _ max ),5,5 m 6m,787 b _ min m _ min m *,787,5, 779 mit b b,779 6,46 5 m ( 6 5 ) m,46,4 Wähle 5 KΩ 4 45, KΩ 4 E96 45, KΩ 6 67 Ω 6 E Ω ückrechnung _min,5 _max,58 Berechne Querströme _ min _ min _ min,5 m 6 m 6 _ min, 5m 5 4 kω 45,kΩ _ max _ max _ max,58 6m 6 6m 6 _ max, 4m 5 4 kω 45,kΩ ges,4m 8µ,78m

13 Stromregelung Die Stromregelschaltung sorgt dafür, das am Meßanfang 4m und am Meßende m verbraucht werden. Dabei wird der Strom durch den Widerstand gemessen und mit dem Sollwert verglichen. Stimmen Soll- und stwert nicht überein regelt der Operationsverstärker den Transistor auf oder zu. Dadurch wird der Stromfluß durch geändert. Eine Schaltungsanalyse ergibt folgende Gleichungen, wenn 7 und 8 gleiche Werte haben. us diesen Bedingungen läßt sich die Gleichung für aufstellen 9

14 Berechnung der Schaltung Für die Schaltung gibt es jeweils Werte für und -. Einen Minimal- und einem Maximalwert. _ min _min _ max _ max m den Strom durch vernünftig messen zu können te im gegebenen Meßbereich eine Spannungsdifferenz von anfallen. Mit dieser Bedingung läßt sich 7 bestimmen. 6, 5Ω 6m E96 6,9Ω Mit den Sollwertspannungen der Spannungverstärkerschaltung läßt sich nun der Spannungsteiler von 9 und berechnen. _ max _ min _ max _ min,58,5 6,9* 4m, Begrenzung der maximalen Querstöme 7 und 8 auf,m 7,69 KΩ 8,69 KΩ 9 5,97 KΩ 7, KΩ 7 E96,7 KΩ 8 E96,7 KΩ 9 E96 5, KΩ E96 7,5 KΩ Berechne Querströme ges 7 8 op,m,m 8µ,m

15 Berechnung der Transistoransteuerung Bei dem Transistor handelt es sich um einen NPN Typ mit einer erstärkung von. Dies bedeutet, das ein Basisstrom von,m ausreichen würde, um einen Collectorstrom von m fließen zu lassen. Die zusätzliche Diode verhindern, das der Operationsverstärker in die untere Begrenzung fährt. Sie hebt das Potential des OP usgangs gegenüber Masse an. Berechnung des orwiederstandes max m (6-,7)/m 76,6 Ω E96 78 Ω Berechnung des orwiederstandes max,5m (5,5-,7-,75)/,5m 7 KΩ E96 6,7 KΩ bgleich Da kein bgleich der erstärkerschaltung vorgesehen ist (zu aufwendig) und die einen mehr oder weniger willkürlichen Wert für _min und _max liefert, kann der bgleich auch durch gemacht werden. Dies setzt aber eine lineare bhängigkeit voraus, die auch in guter Näherung gegeben ist und reicht zur nzeige von C Schritten aus. Will man jedoch eine höhere uflösung erreichen, ist es sinnvoll auch einen bgleich der erstärkerschaltung vorzunehmen. C nzeige µ/k, C nzeige µ/k ußerdem muß man sich bei höherer uflösung auch schon Gedanken über die Störempfindlichkeit machen, da eine Stromänderung von µ schon durch ungeschicktes verlegen der Leitungen verursacht werden kann! Gesamter Stromverbrauch der Schaltung ddiert man alle Ströme, die nicht zu Signalübertragung dienen, zusammen, so kommt man auf einen Gesamtstrom von ges,m < 4m