Regelungstechnik
Temperaturmesstechnik (2)
luk12/2009, 3 Seiten
PTC-Widerstand PTC-Widerstände werden aus Bariumtitanat oder Bariumcarbonat mit Zusätzen von Metalloxiden und -salzen hergestellt. Sie weisen im charakteristischen Temperaturbereich einen sehr hohen Temperaturkoeffizienten von 5 % bis 50 %/K auf. Der hohe positive Temperaturkoeffizient der Kaltleiter tritt jedoch nur in einem schmalen Temperaturbereich von 50 K bis 100 K um den Curie-Punkt1) auf. Ober-und unterhalb verhalten sich die PTCs wie Heißleiter [2] (NTCs). Bild zeigt die charakteristische Widerstandskennlinie eines Kaltleiters in Abhängigkeit von der Temperatur. Die Eigenschaften von PTC-Widerständen lassen sich wie folgt beschreiben: · robust gegen äußere Einflüsse, · hohe Lebensdauer, · kleine Bauform und · preiswert. Kaltleiter (PTCs) werden in den beiden Betriebsarten Eigenerwärmung und Fremderwärmung eingesetzt. Während sich die eigenerwärmten Kaltleiter z. B. als Flüssigkeitsstandfühler einsetzen lassen, werden fremderwärmte PTCs zu Messzwecken, Thermostate oder als thermische Überlastsicherungen in verschiedenen Geräten eingesetzt (Bild ). Widerstands-Temperaturfühler Widerstands-Temperaturfühler (RTD - resistance temperature device) sind neben den Thermoelementen die Messfühler zur Temperaturerfassung in industrieller Umgebung. Prinzipiell verhalten sich diese Bauelemente wie Thermistoren vom Typ PTC. Auch bei ihnen ändert sich der Widerstandswert in Abhängigkeit von der Temperatur in der Form, dass der Widerstandswert mit steigender Temperatur steigt (Bilder und ). Genauer kann dies durch ein Polynom höherer Ordnung mathematisch beschrieben werden. Für Platin-Sensoren gilt: R(T) = R0 · (1 + A · T + B · T2 + C · (T - 100 °C) · T3 Temperaturbereich -200 °C ... 0 °C R(T) = R0 · (1 + A · T + B · T2 Temperaturbereich 0 °C ... 850 °C Widerstandswert bei der Bezugstemperatur 0 °C (Nennwert) A, B, C werkstoffspezifische Temperaturkoeffizienten (Platin: A = 3,91 · 10-3 1/K, B = -5,78 · 10-7 1/K2 C = -4,274 · 10-12 1/K4 Temperaturbereich. Der Temperaturbereich der Widerstandsfühler ist abhängig von Material und beträgt bei Platinfühlern -200 °C ... +850 °C, bei Nickelfühlern -60 °C ... +180 °C. Im ersten Teil wurde das Wesen der Temperatur sowie unterschiedliche Messprinzipien vorgestellt. Zu den elektrischen Berührungsthermometern [1] zählt neben den im Beitrag vorgestellten Halbleiter-Temperatursensoren auch der Thermistor PTC-Widerstand. Regelungstechnik Temperaturmesstechnik (2) F a c h w i s s e n L e r n f e l d e r 6 - 1 3 6 LERNEN KÖNNEN 12/09 105 104 103 102 101 100 0 50 100 150 200 R25 25 A B E AAnfangstemperatur B Bezugstemperatur E Endtemperatur 25 Nenntemperatur RA Anfangswiderstand RB Bezugswiderstnad RE Endwiderstand R25 Nennwiderstand 400 300 200 100 0 100 200 300 400 500 600 700 900 Pt 100 300 200 100 °C 250 200 150 100 Ni 100 PTC-Kennlinie R() max. 3 ø 0,4 Angaben in mm Scheiben-, Perl- und Motorschutz-Fühler sowie PTC-Schaltzeichen (Bauformen von links nach rechts unten) 1) Der Curie-Temperaturpunkt markiert den Phasenübergang ferromagnetischer oder ferrimagnetischer Materialien in ihre paramagnetische Hochtemperaturform. Die (spontane oder gerichtete) Magnetisierung von Kristallbereichen verschwindet oberhalb der materialspezifischen Curie-Temperatur, unterhalb dieser Temperatur erlangen die Werkstoffe ihre magnetischen Eigenschaften wieder zurück. Kennlinie Pt 100 (DIN IEC 751) Kennlinie Ni 100 (DIN 43760) Normtypen. Aufgrund ihrer praktischen Bedeutung wurden in der Vergangenheit Normtypen entwickelt: z. B. Pt 100 (mit 0,4 /K), Pt 500, Pt 1000 oder Ni 100, Ni 500, Ni 1000. Die Zahlenangabe beinhaltet bei den Bezeichnungen jeweils den Nennwiderstandswert bei 0 °C. Grenzabweichung. Bezüglich der Grenzabweichungen unterscheidet DIN IEC751 (Pt 100) zwei Toleranzklassen (Bild ): Klasse A: = ±(0,15 + 0,002 · ), -200 ... +650 °C mit 3- und 4-Leiteranschluss; Klasse B: = ± (0,30 + 0,005 · ), -200 ... +850 °C. Neben den Toleranzklassen A und B gibt es noch erweiterte Toleranzklassen, z. B. 1/3 DIN Klasse A. Auch für die Nickel-Widerstandsfühler gelten nach DIN Grenzabweichungen: Klasse A: t = ±(0,4 + 0,007 · ), 0 ... + 250 °C; Klasse B: t = ±(0,4 + 0,028 · ), -60 ... 0 °C. Eigenschaften. Widerstands-Temperaturfühler sind gut reproduzierbar, weisen einen großen Temperaturkoeffizienten und einen kleinen spezifischen Widerstand auf, sind langzeitstabil, sind kaum von anderen physikalischen Größen (z. B. Druck) abhängig und resistent gegenüber Korrosion oder chemischer Verunreinigung. Die Zeitkonstanten reichen von 5 ... 60 s (Pt in Wasser) bis 2 ... 6 min (Pt in Luft). Bauform. Durch die unzähligen Anwendungsfälle wurde in der Vergangenheit eine Vielzahl an Bauformen entwickelt (Bild ). So gibt es z. B. für diverse Temperaturbereiche verschiedene Typen: Platin-Keramikwiderstände: -200 ... +800 °C Platin-Glaswiderstände: -200 ... +400 °C Folienwiderstände: -80 ... +230 °C Dünnschichtwiderstände: -50 ... +600 °C Um die induktiven Wirkungen bei gewickelten Widerstandfühlern zu reduzieren, werden diese häufig bifilar ausgeführt (Bild ). Halbleiter-Temperatursensoren Bei den Halbleiter-Temperatursensoren können drei Arten unterschieden werden: · Silizium-Temperatursensoren ohne Sperrschicht, · Silizium-Temperatursensoren mit Sperrschicht, · integrierte Temperatursensoren. Die Temperatursensoren mit Sperrschicht (Diode, Transistor) werden zu Prüfzwecken, nicht jedoch zu Messzwecken eingesetzt. Daher sollen nur die beiden übrigen Arten beschrieben werden. Integrierte Temperatursensoren Bei der Ausführung als integrierte Temperatursensoren werden durch Lasertrimmung eine hohe Genauigkeit, ein linearer Zusammenhang zwischen Temperatur und Ausgangssignal und enge Toleranzen erreicht. Zu den bekanntesten Vertretern dieser Sensoren zählen die Typen AD 590/ AD 592 (Fa. Analog-Devices) und LM 35/ LM 335 (Fa. National Semiconductors). Die Eigenschaften dieser Art elektrischer Berührungsthermometer lassen sich wie folgt zusammenfassen: · justagefrei austauschbar · geringe Wärmekapazität · Einsatz in Luft und Flüssigkeit · lineare Temperaturempfindlichkeit · hochzuverlässige Dünnschichttechnik · preisgünstig · hohe Langzeitstabilität · verschiedene Gehäuseformen. AD 590 Der AD 590 ist der Funktion nach ein 2-poliger integrierter Temperaturwandler, dessen Ausgangsstrom proportional zur absoluten Temperatur ist. Das Bauteil wirkt als hochohmiger Konstantstromregler mit einer Stromänderung von 1 A/K. Durch Laser-Feinabgleich ist der Chip auf 298,2 ± 2,5 A bei 298,2 K (+25 °C) kalibriert. Er wirkt als Stromquelle und ist damit besonders für Fernmessungen geeignet. Das Ausgangssignal lässt sich problemlos über ein 2-adriges verdrilltes Leiterpaar übertragen. Dabei kommt es nicht zu einer Minderung der Messgenauigkeit durch Leitungswiderstand, Steckerwiderstand oder Rauschen (Bild ). Technische Daten (AD 590 M): Betriebsspannung: +4 ... +30 V Ausgangsstrom: 298,2 A bei +25 °C Temperaturkoeffizient: 1 A/K Kalibrierfehler: ± 0,5 °C max. Linearität: ± 0,3 °C Temperaturbereich: -55 ... +150 °C Der Sensor ist vom Gehäuse isoliert. Das zweipolige Bauelement ist in verschiedenen Genauigkeitsklassen (AD 590 J, AD 590 K, AD 590 L und AD 590 M) lieferbar. Man unterscheidet die folgenden Bauformen (Bild ): Regelungstechnik F a c h w i s s e n L e r n f e l d e r 6 - 1 3 LERNEN KÖNNEN 12/09 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 Klasse B Klasse A Grenzabweichungen eines PT 100 (grafische Darstellung) Grenzabweichungen bei Pt-Widerstandsfühlern Bauformen von Widerstandstemperaturfühlern und Schaltzeichen (DIN 19227) Bifilare Wicklung (rechts) mit Schutzrohr und Anschlusskopf kompakte Form Folientyp Transistorgehäuse 10 mm ø 0,25 mm Chipform 0,65 Glaskörper ±02 60±2 15 Schaltzeichen (DIN 19227) für Widerstandsthermometer flacher Messwiderstand · Transistorgehäuse, · Flachgehäuse, · Chipform und · im Schutzrohr. Mit geringem schaltungstechnischen Aufwand kann der Sensor AD 590 auch ein Spannungssignal proportional zur Temperatur liefern (Bild ). Ebenso kann auch die vom Hersteller gelieferte Toleranz durch Kalibrierschaltungen noch verbessert werden, wenn dies für eine bestimmte Anwendung erforderlich ist. LM 35 Ein weiterer integrierter Temperatursensor ist der Bausteintyp LM 35 (Bild ). Es handelt sich hierbei um einen 3-poligen integrierten Temperaturfühler zur Erzielung einer linearen Ausgangsspannung von 10 mV/K. Erhältlich ist der Sensor in drei Versionen: 0 ... +100 °C, -40 ... +110 °C und -55 ... +150 °C. Die Bauteile haben ein TO-92-Plastikgehäuse und stellen eine kostengünstige Alternative zur Temperaturmessung dar. Der Sensor eignet sich besonders für die Umgebungstemperaturmessung und benötigt keine Abgleichmaßnahmen. Technische Daten (herstellerspezifisch): Temperaturbereiche LM 35, LM 35A: -55 °C ... +150 °C LM 35C, LM 35CA: -40 °C ... +110 °C LM 35D: 0 °C ... +100 °C Betriebsspannung: +4 ... +30 V Ruhestrom: 91 A (typisch) Genauigkeit (25 °C): ±0,5°C oder±1,0°C Linearität: ± 0,15 °C oder ± 0,18 °C Weitere Beispiele LM 135 (Bild ) Betriebsspannung (max.): 3,01 V Temperaturfehler (max.): 1,5 K Temperaturfehler bei 25 °C: 1 K Zeitkonstante (ruhende Luft): 80 s Temperaturbereich: -55 °C ... +150 °C AD 192 (Bild ) Betriebsspannung: +4 V ... +30 V Temperaturbereich: -25 °C ... +105 °C Nichtlinearität: 0,15 °C max. (0...+70 °C) Ausgang: 1 A/K Temperatursensor ohne zusätzlichen A/D-Wandler Mit dem DS 1620 (Bild ) stellt die Firma Dallas-Semiconductor einen neuartigen Temperatursensor vor, der ohne zusätzlichen A/D-Wandler die ermittelten Werte direkt in digitaler Form über eine 3-Draht-Schnittstelle ausgibt. Technische Daten: keine externen Komponenten Temperaturbereich: -55 ... +125 °C Auflösung: 0,5 °C Bitbreite: 9-Bit Ausgabe: 1 Wert je Sekunde Betriebsspannung: 5 V Literatur [1] Uphaus, J.: Temperaturmesstechnik (1). Elektropraktiker Berlin, 63(2009)11, Lernen und Können S. 6-7. [2] Uphaus, J.: Regelungstechnik - Projekte für den Lernfeldunterricht; Aufgaben, Anwendungen, Simulationen Arbeitsheft. 2. Auflage. Troisdorf: Bildungsverlag EINS 2008. J. Uphaus Regelungstechnik 8 LERNEN KÖNNEN 12/09 Silizium-Temperatursensoren Fortsetzung LERNEN & KÖNNEN 423 218 -218 298 423 298 Strom-Temperatur-Kennlinie AD 590 FLATPACK TO-52 SOIC-8 TOP VIEW (Not to scale) NC = NO CONNECT TO-92 Plastic Package +VS VOUT GND VOUT VOU N.C NCN.C NCGND SO-8 Small Outline Molded Package +VS N.C. N.C. N.C. Bauformen integrierter Temperatursensoren AD590 (oben) und LM 35 (unten) 590 590 G1 G U = 5 V 590 590 US US -US Messschaltung mit Stromauswertung (links) und Spannungsauswertung (rechts) Grundschaltungen LM 35 = Us /50A adj. TO-46-Gehäuse LM 135 3 2 1 - + TO-92-Gehäuse AD 592 CLK/CONV RST GND VDD THIGH TLOW TCOM DS1620 8-Pin DIP (300-mil) DIP-Gehäuse (DS1620) F a c h w i s s e n L e r n f e l d e r 6 - 1 3
Autor
- J. Uphaus
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