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07.11.011 Elektronisch messen, steuern, regeln Sensoren 1: Temperatursensoren (Thermoelemente, Temperatur abhängige Widerstände, Messschaltungen)

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1 Elektronisch messen, steuern, regeln Sensoren 1: Temperatursensoren (Thermoelemente, Temperatur abhängige Widerstände, Messschaltungen)

2 Thermoelement = Seebeck-Effekt Werden zwei Drähte aus ungleichen Metallen oder Legierungen verbunden, so entsteht beim Heizen der Kontaktstelle, an den Enden eine elektrische Spannung. Thomas Seebeck entdeckte diesen Effekt In erster Näherung ist die Spannung proportional zur Temperaturerhöhung U AB =. T

3 Die Umkehrung: der Peltier-Effekt Wird ein elektrischer Strom durch zwei Drähte aus ungleichen Metallen oder Legierungen geschickt, so wird die Kontaktstelle je nach Richtung des Stromes geheizt oder gekühlt. Jean C.A. Peltier entdeckte diesen Effekt In erster Näherung ist die Heiz- (Kühl-) Wirkung proportional zum Strom

4 Thermoelemente der Einsatzbereich der verschiedenen Typen

5 Thermoelemente Verlauf der Spannung mit der Temperatur

6 Thermoelement Koëffizienten der Polynomial-Gleichung Die Konversions-Gleichung kann zur Berücksichtigung der Nichtlinearität als Polynom n- ten Grades beschrieben werden. T = a 0 + a 1 x + a 2 x 2 + a 3 x a n x n x = Thermoelement-Spannung in [V]; T = Temperatur in [°C]

7 Farbcode der Thermoelemente nach DIN Die Thermoelemente sind mit Farben gekennzeichnet. Achtung: Es gibt verschiedene Farbkennzeichnungen: amerikanische, britische, französische, japanische; welche alle verschieden sind. Wichtig für uns sind die daneben dargestellten Kennzeichnungen nach deutschen (DIN) Normen.

8 Wie sehen Thermoelemente aus?

9 Messen der Spannung Rückschluss auf die Temperatur Wird ein Thermoelement T 1 (Kupfer/Konstantan = Cu/C) über zwei Kupferleiter mit dem Messgerät verbunden, so entstehen an den Anschlussstellen T 2, T 3 weitere Thermospannungen. Da bei T 2 Kupfer mit Kupfer verbunden wird, kann diese Kontaktstelle eliminiert werden. Die Spannung am Messgerät ist ein Mass für die Temperatur- Differenz T = T 1 -T 3.

10 Externe Eispunkt-Referenz Um bei T 1 absolute Temperaturen messen zu können, muss die Kontaktstelle T 3 auf eine Referenz-Temperatur gelegt werden. Hier wird als Referenz ein Gemisch aus Eis und Wasser mit 0°C verwendet. Dies bedeutet einen grossen experimentellen Aufwand.

11 Isothermischer Block mit Kompensation der Block-Temperatur Werden beide Kontaktstellen des Thermoelements mit einem wärmeleitendem, aber elektrisch isolierenden Block verbunden, so sind beide Enden auf gleicher Temperatur T 0. Wird zusätzlich die Temperatur dieses Blocks gemessen, so lässt sich daraus die absolute Temperatur T 1 gewinnen. Dieser Block kann extern angeordnet sein, ist aber heute oft im Messgerät integriert.

12 Dürfen Thermoelementanschlüsse verlängert werden ? (ja, wenn....) Die Verlängerungsdrähte müssen für beide Enden mit thermoelektrisch identischen Materialien verbunden sein. Die Ausgleichsleitung hat dieselben thermoelektrischen Eigenschaften wie das Thermoelement des entsprechenden Typs. Sie verträgt jedoch genauso wenig wie die Stecker, die hohen Temperaturen der Thermoelementdrähte.

13 Spannungsbereiche

14 Anforderungen an den Verstärker Der Vorverstärker soll die extrem kleinen Spannungen möglichst ohne zusätzliches Rauschen vom Eingangspegel von maximal 100mV auf den Messbereich (+- 10V) des Analog-Digital- Wandlers (ADC) anpassen. Also ist die optimale Verstärkung 100fach. Da sich Temperaturen im Allgemeinen sehr langsam ändern, soll mit einem Tiefpassfilter der Frequenzbereich von Störungen im höheren Frequenzbereich befreit werden. Der Verstärker soll Spannungen bis +- 30V überleben. Wenn ein Thermoelement unterbrochen wird, muss die Messschaltung dies feststellen können, oder wenigstens eine unglaublich hohe Temperatur melden.

15 Verstärkerschaltung Die kleine Spannung eines Thermoelements muss auf den optimalen Messbereich der Multifunktionskarte angepasst werden. 100mV mal die Verstärkung von Faktor 100 ergibt den Messbereich von 10V. Die beiden Widerstände von 10k schützen den Verstärker bei zu hohen Eingangsspannungen vor Defekten.

16 Thermoelement Bruchsicherung Der innere Widerstand eines Thermoelements ist sehr klein. Ein kleiner zusätzlicher Strom von der +5V Referenz, über den 10M Widerstand, das Thermoelement und endlich über die 10M gegen 0V, verfälscht die Messung nicht. Bei Bruch des Thermoelements, wird jedoch eine viel zu grosse Spannung gemessen.

17 Kompensation Kaltlötstelle Mit einem im isothermischen Block eingebautem temperaturabhängigen Widerstand wird eine absolute Kompensation- Spannung für die Temperatur der Kaltlötstelle erzeugt. Da die Temperatur- Schwankungen der Kaltlötstelle im Labor nur gering ausfallen, kann linear approximiert werden.

18 SCC-TC01 Im Modul SCC-TC01 sind der Vorverstärker mit Filter, die Thermoelementbruch-Sicherung, der isothermischer Block, und die Kaltlötstellenkompensation untergebracht. Gegen Überspannungen sind die Eingänge ebenfalls sicher.

19 Konfiguration SC-2345 Rechte Maustaste, /Eigenschaften

20 Was bewirkt die Konfiguration ? Wird die Anschluss- und Modul-box nicht mit den entsprechenden Modulen konfiguriert, so kann das Messsystem nicht wissen wie die Signale für die einzelnen Kanäle vorverarbeitet werden. Eine Konfiguration, gibt dem System bekannt, welche Module in den Schlitzen der entsprechenden Ein- oder Ausgänge stecken. Durch die Konfiguration werden die, durch die im Computer steckende Multifunktionskarte, gemessenen Spannungen, auf die entsprechenden Eingänge umgerechnet. Steckt z.B. das SCC-TC01 Modul, so wird die gemessene Spannung von z.B V auf die am Eingang anliegende Spannung von 14.65mV umgerechnet.

21 Bereitgestellte Labview Funktionen

22 Temperaturabhängige Widerstände

23 Temperaturabhängige Widerstände Die meisten reinen Metalle zeigen eine Widerstandszunahme von ca. 4 Promille pro °C. Man nennt sie entsprechend dem Positiven Temperatur Koëffizienten: PTC-Widerstände. Vor allem Nickel und Platin werden als Temperatursensoren verwendet: PT100, PT 1000, NI 5000 sind Platin, bezw. Nickelsensoren, (die Zahl definiert den el. Widerstand bei 0°C). Die NTC-Widerstände (mit Negativem Temperatur Koëffizient) sind Halbleiter-Materialien. Die Temeraturabhängigkeit kann bis 10mal grösser als bei PTCs sein. Die Spannung über einer Diode bei konstantem Strom sinkt pro °C um ca. 2mV. Damit lässt sich ebenfalls Temperatur messen.

24 Widerstands-Sensor PT 100 PT 100 Temperatur- sensoren sind in unzähligen Ausführungen erhältlich. Links ist ein PT 100-Sensor aus einem auf einen Glaskörper aufgewickelten Platindraht abgebildet. Rechts ist ein PT 100 auf einem Keramiksubstrat mit aufgedampftem Platinfilm realisiert. Grösse: 2 x 5 mm.

25 Charakteristik PT 100

26 Verlauf als analytische Gleichung Die Callendar van Dusen Gleichung beschreibt die Charakteristik analytisch. R T = R 0 ( 1 + AT + B T 2 + C [ T-100 ] T 3 ) für einen PT100 ist R 0 = 100 Ohm

27 Anforderungen an die Messschaltung Erzeugung eines präzisen, konstanten Messstromes durch den Sensor z.B. 1mA. Die Eigenerwärmung im Sensor durch den Messstrom soll die Messung nicht verfälschen! Anpassung der kleinen Signalpegel an die Multifunktionskarte (Verstärkung: 25fach, Tiefpassfilter: 25Hz).

28 Draht Messschaltung PT 100 Bei tiefen Temperaturen z.B. -200°C beträgt der ohmsche Widerstand eines PT 100 nur noch Ohm. Zuleitungwiderstände können die Messung verfälschen. Wird der Messstrom konsequent über eigene Leitungen, von der Messung der Spannung über dem Sensor getrennt, kann dieser Fehler vermieden werden.

29 SCC-RTD01 Dieses Modul besitzt eine Stromquelle von 1mA zur Speisung zweier in Serie geschalteter Sensoren. Zwei Vorverstärker (x25) bereiten die zwei Sensorsignale für zwei Eingangskanäle auf.

30 Bereitgestellte Labview Funktion


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