Programm 1 Linearisierte Temperaturmessschaltung

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1 1 Programm 1 Linearisierte emperaturmessschaltung Programm 1 Linearisierte emperaturmessschaltung Aufgabenstellung: Unter Verwendung des Silizium-emperatursensors KY16-6 ist eine linearisierte emperaturmess- Schaltung zu entwickeln. Angaben: Sensortyp: KY16-6 (R=2000Ω bei ϑ = 25 C) ϑ = -20 C Uout, = 0V URe f = 5,25V ϑ = +80 C Uout, = 8,5V U B = +- 12V Das Programm umfasst die folgenden eilaufgaben: 1) Berechnung des optimalen Linearisierungswiderstandes: 2) Dimensionierung der Referenzspannungsquelle: 3) Dimensionierung der Sensorschaltung: 4) Simulation der emperaturabhängigkeit des Sensorwiderstandes: Das Simulationsergebnis ist in 3 Punkten durch Rechnung zu überprüfen. Alle Pspice-Einstellungen sind zu dokumentieren. 5) Simulation der Sensorspannung = f ( ϑ) U : Es ist der Wendepunkt der linearisierten Sensorkennlinie zu bestimmen. Es ist weiters der imale Linearitäsfehler (in Grad) zu bestimmen. Alle Pspice-Einstellungen sind zu dokumentieren 6) Simulation der gesamten Sensorschaltung = f ( ϑ) U out mit den Rechenwerten Es ist der imale Linearitätsfehler (in Grad) zu bestimmen. Alle Pspice-Einstellungen sind zu dokumentieren. 7) Simulation der gesamten Sensorschaltung = f ( ϑ) U out unter Verwendung von Normwerten für die Widerstände: Das Simulationsergebnis ist mit dem von Punkt 6 zu vergleichen. 8) Erstellung eines Gesamtschaltplanes: Es sind 2 Anschlüsse für den Sensorwiderstand und 3 Anschlüsse für Versorgungsspannung und esssignal vorzusehen. 9) Vollständiges einseitiges Layout (Bestückungsplan, op-layer, Bottom-Layer, Bauteilliste)

2 2 Programm 1 Linearisierte emperaturmessschaltung Entwicklung einer linearisierten emperaturmessschaltung Als emperatursensor wird ein Siliziumsensor KY16-6 verwendet. R bei 25 C = 2000 Ohm. Berechnung des Widerstandswertes in Abhängigkeit der emperatur: R = R + α ϑ ϑ + β ϑ ϑ 2 0[1 ( 0) ( 0) ] 3 1 α = 7, 88 *10 K α...linearer emperaturkoeffizient 5 2 β = 1, 937 * 10 K β...nichtlinearer emperaturkoeffizient Da es sich hier um einen quadratischen erm handelt, ist eine Linearisierung erforderlich. R L U, R R R real ideal U 0 R U ϑ ϑ ϑ ϑ Widerstandskennlinie in Abhängigkeit der emperatur Angaben zur Berechnung: R 0 = 25 C U B = 24V U Ref = 5,25V = -20 C = 80 C U a = 0V U a = 8,5V

3 3 Programm 1 Linearisierte emperaturmessschaltung 1.) essschaltung: 2.) emperaturkennlinie 2.8V 2.4V 2.0V 1.6V 1.2V 0.8V V(R1:1) EP ) Wendepunkt 9.0m 8.5m 8.0m 7.5m 7.0m D(V(R1:1)) EP FKL Heimo Gaicher 5ABELI 10/2009

4 4 Programm 1 Linearisierte emperaturmessschaltung Formeln für die Berechnung: R L = R ( R + R ) 2 R * R R + R 2R U R 1369 = URe f = * = R + R * 5,25 1,208 L V U R 2984 = URe f = * = R + R * 5, 25 2,071 L V Berechnung des temperaturspezifischen Widerstandes: R [1 ( ) ( ) 2 = R 0 + α ϑ ϑ 0 + β ϑ ϑ 0 ] R = 2000[1 + 7, 88 * 10 ( 20 25) + 1, 937 * 10 ( 20 25) ] R = 1369Ω R 2000[1 7,88*10 3 (30 25) 1,937*10 5 (30 25) 2 = + + ] R = 2080Ω R 2000[1 7,88*10 3 (80 25) 1,937*10 5 (80 25) 2 = + + ] R = 2984Ω

5 5 Programm 1 Linearisierte emperaturmessschaltung Berechnung des optimalen Lastwiderstandes RL: R L = R ( R + R ) 2 R * R R + R 2R 2080*( ) 2*1369*2984 R = L *2080 R L = 4580Ω Auswerteschaltung

6 6 Programm 1 Linearisierte emperaturmessschaltung U 0 =0V U D = 0V (U 0 wird kurzgeschlossen lt. Helmholtz) (kleine Differenzen werden ausser Acht gelassen) Bei muss U a 0V sein RL = R1 bzw:

7 7 Programm 1 Linearisierte emperaturmessschaltung 1 = Nichtinvertierender Verstärker Über R 2 liegt praktisch assepotential am invertierenden Eingang des OP. D.h. U R2 =0V Somit: 1 Verstärkung Offsetspannung Aus 1.): 1 ) in 2.) einsetzen

8 8 Programm 1 Linearisierte emperaturmessschaltung ,5 1, Ω 5,25 2,071 1, Ω Kontrolle: 1 OrCAD Simulationsergebnisse 10V 8V 6V 4V 2V 0V -2V V(UREF) V(UA) EP Simulationsergebnisse mit E48 - Normwerten: 10V 8V 6V 4V 2V 0V V(UREF) V(UA) EP

9 9 Programm 1 Linearisierte emperaturmessschaltung Ermittlung des imalen Fehlers 1.) Fehlerkurve in OrCAD ermitteln: Über den Verlauf der Ausgangsspannung wird eine Gerade angelegt und von der Ausgangsspannung abgezogen. 2.) Geradengleichung: y = k * x + d Lt. Angabe soll die Ausgangsspannung bei -20 C 0V betragen. Bei +80 ist die Ausgangsspannung 8,5V. emperaturunterschied x = 100 C Spannungsunterschied y = 8,5V 8, ,085 Daraus folgt: y = k * x + d 3.) Simulation in OrCAD 0, 20 20, 1,7 Über Add race die Geradengleichung V(Uaus) ((8/100)*temp+1,7) hinzufügen V(U2:OU) V(U2:OU)-(0.08*temp+1.7) EP

10 10 Programm 1 Linearisierte emperaturmessschaltung 4.) Ergebnis Der. Fehler beträgt 0,452V bei +80 C am Ausgang. Der. Fehler des Sensors beträgt: 0,452 6,82 66,3