Regelungstechnik
Temperaturmesstechnik (3)
luk1/2010, 2 Seiten
Silizium-Temperatursensoren Temperatursensoren mit Sperrschicht (wie z. B. eine Diode oder ein Transistor) werden zwar zu Prüfzwecken, nicht jedoch zu Messzwecken eingesetzt. Deshalb befasst sich dieser Beitrag ausschließlich mit Silizium-Temperatursensoren ohne Sperrschicht. Silizium-Messwiderstände ohne Sperrschicht haben einen positiven Temperaturkoeffizienten und ändern ihren Widerstandswert im Bereich zwischen -50 °C ... +150 °C z. B. von 500 auf 5 k. Die Kennlinie von Silizium-Messwiderständen (Bild ) zeichnet sich durch geringe Nichtlinearitäten aus, die durch einfache Schaltungen linearisiert werden kann. Linearitätsabweichungen in einem Messbereich von -50 °C ... 150 °C von weniger als ±1 °C der in einem eingeschränkten Bereich von 0 °C ... 100 °C von weniger als ±0,2 °C sind durch die Linearisierung erreichbar. Silizium-Messwiderstände sind mit einer Grenzwertabweichung von 1 % lieferbar. Sie besitzen eine hohe Langzeitstabilität und vergleichsweise hohe Lebensdauer. Die Ansprechzeit kann bis ungefähr 3 s betragen. Dies gilt jedoch nur bei kleiner Bauform. Hersteller von Silizium-Temperatursensoren sind u. a. die Firmen Siemens (KTY 10-6, KTY 11-6, KTY 13-6, KTY 16-6), Philips (KTY 81/..., KTY 83/...) und Honywell (TD ..). Für die Widerstandsberechnung gilt: = R25 (1 + · + · 2 = 7,88 · 10-3 1/K = 1,937 · 10-5 1/K Die Angaben beziehen sich auf die Typen der Firma Siemens (Tafel ). Die Vorteile von Silizium-Messwiderstände ohne Sperrschicht sind die schnelle Reaktionszeit und kleine Bauform (Bild ), der hoher Temperaturkoeffizient, sie sind preisgünstig und polungsunabhängig. Dem stehen die Nachteile des geringen Temperaturbereichs sowie die bedingte Linearität gegenüber. RTD-Anschlusstechnik Widerstandsthermometer ändern ihren elektrischen Widertand in Abhängigkeit von der Temperatur. Um diese Widerstandsänderung zu erfassen, kann der Widerstands-Temperaturfühler (RTD) [1] mit Konstantstrom betrieben werden. Der durch den Messstrom hervorgerufene Spannungsfall lässt sich messen. Die gemessene Spannung ist dann proportional zur Widerstandsänderung (bei I = konst): u ~ R. Um eine Eigenerwärmung des Widerstandsthermometers zu vermeiden, sollte der Messstrom maximal 1 mA betragen: Pv100 = 0,1 mW Die am Widerstandsthermometer abfallende Spannung muss dann noch ohne Beeinflussung z. B. durch den Zuleitungswiderstand an die Auswertestelle transportiert werden. = f(l, ) Üblicherweise wird das Widerstandsthermometer in einer Brückenschaltung betrieben (Bild ). Diese Schaltung dient zur Umsetzung von Widerstandsänderungen in messbare analoge Spannungsänderungen. Da bei allen Messverfahren sämtliche Widerstände oder Widerstandsänderungen mit in das Messergebnis einfließen und so systematische Fehler hervorrufen, wurden verschiedene Anschlusstechniken für Widerstandsthermometer entwickelt. Der Grund für diese besonderen Schwierigkeiten beim Anschluss von Widerstands-Temperaturfühlern liegt darin, dass die elektrische Verbindung zwischen dem Sensor Zu den elektrischen Berührungsthermometern zählen 3 Arten Halbleiter-Temperatursensoren. Integrierte Temperatursensoren wurden in [1] beschrieben. Schwerpunkte in diesem Beitrag bilden unterschiedliche Silizium-Temperatursensoren sowie Anschlusstechniken der Widerstands-Temperaturfühler [2]. Regelungstechnik Temperaturmesstechnik (3) 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 1/10 4500 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 -50 0 50 150 Si-Temperatursensor KTY 11 Bauformen des Typs KTY11... TO-92 KTY 16-6 KTY 19-6 TO-92 Mini SOT-23 Brückenschaltung Verbindungsleitung Messort Signalverarbeitung Verbindung Sensor - Signalverarbeitung Angaben KTY 10-6 KTY 11-6 KTY 13-6 max. Betriebsspannung 25 V 25 V 25 V max. Betriebsstrom 5 mA 5 mA 5 mA Spitzenstrom 10 ms 7 mA 7 mA 7 mA Betriebstemperatur -50 °C ... +150 °C Widerstand bei IB = 1 mA 1980 bis 2020 Bauform TO 92 TO 92 Mini SMD SOT 23 Tafel Typenübersicht unterschiedlicher Silizium-Temperatursensoren (Quelle: Fa. Siemens) Regelungstechnik LERNEN KÖNNEN 1/10 im Feld (Messort) und der Auswerteeinheit oder z. B. dem Regler im Leitstand über elektrische Leitungen erfolgen muss. Diese Leitungen besitzen ihrerseits selbst einen elektrischen Widerstand, der von Faktoren wie Leitermaterial, -länge und Temperatur abhängig ist (Bild ). Ändert sich nun die Leiterlänge, das Leitermaterial oder die Umgebungstemperatur der Verbindungsleitung, so ändert sich gleichfalls der Widerstandswert. Da die Signalverarbeitung nicht unterscheiden kann, ob die Ursache der gemessenen Widerstandänderung durch Temperatureinflüsse am Messort oder durch Änderungen der Verbindungsleitung oder Zuleitung verursacht sind, kommt es schnell zu fehlerhaften Messungen. Um dies auszuschließen oder zumindest zu reduzieren, wurden verschiedene Anschlussarten entwickelt. Zweileiter-Schaltung Bei der Zweileiter-Schaltung gehen die Zuleitungswiderstände des RTDs mit in das Messergebnis ein (Bild ). Durch die Addition von Widerstandswert des Thermometers und der Zuleitungen wird eine zu hohe Temperatur „gemessen“. Der Widerstandswert der Zuleitungen muss daher kompensiert werden. Hierzu ist folgende Vereinbarung getroffen worden: Beim Anschluss von Geräten, die 0 °C anzeigen, ist der Zuleitungswiderstand bei der Installation auf 10 abzugleichen. Vorgehensweise. Der Sensor wird durch einen 100 Widertand ersetzt. Die Anzeige wird dann so lange abgeglichen, bis der Wert in der Anzeige 0 °C zeigt. Der Abgleichwiderstand bildet dann zusammen mit dem Zuleitungswiderstand 10 . Der Temperatureinfluss auf den Zuleitungswiderstand bleibt weiterhin bestehen. Wegen des aufwendigen Abgleichs wird die Zweileiter-Schaltung seltener eingesetzt. Dreileiter-Schaltung Mit Hilfe der Dreileiter-Schaltung (Bild ) kann der störende Einfluss der Zuleitungswiderstände und deren temperaturabhängige Schwankung ausgeglichen werden. Für die Festlegung der Nullpunkt-Anzeige muss auch hier ein Leitungsabgleich erfolgen. Die Abgleichwiderstände sind in Bild nicht dargestellt. Sowohl die Zweileiter- wie auch die Dreileiter-Schaltung weisen noch den Nachteil der Nichtlinearität besonders bei großen Widerstandsänderungen auf. Diese Tatsache liegt in der Brückenschaltung begründet. Da mit dieser Schaltung mit geringem Aufwand eine gute Genauigkeit erzielt wird, ist die Dreileiter-Schaltung heute am meisten verbreitet. Konstantstrom-Zweileiter-Schaltung Die Probleme der Zweileiter-Schaltung können durch Speisung des Widerstandsfühlers mit Konstantstrom teilweise beseitigt werden (Bild ). Bei kurzen Zuleitungen ist kein Abgleich erforderlich, ansonsten erfolgt der Abgleich wieder mit einem Abgleichwiderstand. Die Konstantstrom-Zweileiter-Schaltung liefert ein Signal, das sich linear mit der Temperatur ändert. Derartige Zweileiter-Messumformer gibt es für Widerstandsthermometer und auch für Thermoelemente. Sie liefern häufig ein Standardsignal mit 4 bis 20 mA, wodurch eine höhere Störsicherheit erreicht wird. Konstantstrom-Vierleiter-Schaltung Der Einfluss des Leitungswiderstandes kann durch die Vierleiter-Schaltung vollständig ausgeglichen werden. In dieser Schaltung wird der Widerstandsfühler mit Konstantstrom versorgt und der Spannungsfall am Widerstandsthermometer gemessen (Bild ). Für den Messstrom gilt: Im 0 A. Die Schaltung liefert ein lineares Ausgangssignal und der Leitungswiderstand darf bis zu einem Höchstwert (Bürde) anwachsen. Die optimale Platzierung der nachgeschalteten Elektronik wäre möglichst nah am Messort oder im Anschlusskopf des Temperaturfühlers. Konstruktive Gegebenheiten oder der schwierige Zugang zum Messort erschweren oftmals die praktische Umsetzung. Daher sind Messumformer in aller Regel auf einer Tragschiene im Schaltschrank zu finden. Die verschiedenen Hersteller halten hier vielfältige Lösungen bereit (Bild ). Einige Merkmale der Messumformer: · Wahl des Ausgangssignals, · Wahl der Anschlusstechnik, · galvanische Trennung, · wählbarer Temperaturbereich, · ZERO/SPAIN-Abgleich, · mehrkanalig. J. Uphaus Literatur [1] Uphaus, J.: Temperaturmesstechnik (2). Elektropraktiker Berlin, 63(2009)12, Lernen und Können S. 6-8. [2] Uphaus, J.: Regelungstechnik - Projekte für den Lernfeldunterricht; Aufgaben, Anwendungen, Simulationen Arbeitsheft. 2. Auflage. Troisdorf: Bildungsverlag EINS 2008. R3 R4 -Us Zweileiter-Schaltung R1 R2 R3 R4 -Us Dreileiter-Schaltung -Us Um Im = 0 I = konst. Konstantstrom-Zweileiter-Schaltung Konstantstrom-Vierleiter-Schaltung -Us Im 0 I = konst. F a c h w i s s e n L e r n f e l d e r 6 - 1 3 Temperatur-Messumformer Pt100; Messumformer für den Anschlusskopf und mehrkanaliger Umformer (v. l. n. r)
Autor
- J. Uphaus
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