Temperaturmessung mit B511,
AD590J oder AD592A
Temperaturmessung mit einem PTC
Temperaturmessung mit einem NTC
PT100/PT1000
Thermo-Elemente
Die Aufgabe eines PIC besteht oft im Messen, Steuern und Regeln. Eine der wichtigsten Messgrößen in unserer Umwelt ist die Temperatur. Wie lässt sich die Temperatur mit einem PIC erfassen? Ich unterscheide folgende wesentliche Möglichkeiten:
Messung mit einem NTC- oder PTC-Widerstand
NTCs und PTCs verringern oder erhöhen ihren Widerstand in
Abhängigkeit von der Temperatur. Man braucht also zur
Temperaturmessung nur den Widerstandswert des NTC/PTC zu messen.
Das
erfordert aber zumindest einen externen OPV oder eine externe
Konstantstromquelle. Alle anderen Lösungen erzeugen Spannungen,
die zur Temperatur nicht linear sind. Theoretisch kann der
PIC
natürlich die nichtlineare Kennlinie mathematisch wieder
linearisieren, der dafür nötige Progammier- und
Kalibieraufwand ist aber nicht gering. Für die Industrie lohnt
sich der Aufwand sicherlich, der Bastler sollte einfachere Wege
suchen.
Meinen Weg habe ich weiter unten beschrieben, und hier befindet sich ein
Thermometer mit PTC am PIC.
Messung mit PT100/PT1000
Der industrielle Standard für genaue Temperaturmessung. Diese
Platintemperatursensoren haben einen definierten
Temperaturkoeffizienten und weisen hohe Genauigkeit auf.
Messung mit einer temperaturabhängigen
Konstantstromquelle
Als gelernter Ossi kenne ich noch die Temperatursensoren B511 aus
DDR-Produktion. Das ist eine 2-beinige Konstantstromquelle, deren
Strom
(in Mikroampere) der Temperatur (in Kelvin) entspricht. Das
Äquivalent aus West-Produktion sind AD590 (ca. 8,85 € bei
Reichelt) und AD592 (ca. 5,10 € bei Reichelt) von Analog Devices.
Um
mit diesem Sensor eine der Temperatur proportionale Spannung zu
erzeugen benötigt man nur eine Betriebsspannung (unstabilisiert,
größer 4V) und einen Widerstand. Die Einfachheit dieser
Schaltung und ihr lineares Temperatur/Spannungsverhältnis machen
diese Schaltung zu einer meiner Lieblingslösungen. Ein Nachteil
besteht in der nötigen stabilen Referenzspannung
des
ADC.
Messung mit einem Sensorchip mit eigenem ADC
Die Lösung für Warmduscher. Es gibt komplette
Temperatursensoren mit
I2C-Interface
zu einem günstigen Preis. So kostet der LM75CIM bei Conrad weniger
als 4€. Alle großen PICs haben ein I2C-Interface, die kleinen
können I2C per Software
nachbilden. Der LM75CIM hat allerdings einen
Temperaturfehler von
bis zu 2°C.
Problematischer ist die Bauform: Als 'richtiger IC' kommt der LM75 im 8-poligen
SMD-Gehäuse (SOT) daher und benötigt wenigstens 4
Anschlussleitungen (Vs, Gnd, SDA, SCL). Die Montage im thermischen
Kontakt zu anderen Bauelementen ist kaum vernünftig zu lösen.
Außerdem reagiert der Sensor durch seine vergleichsweise
große Masse träge auf Temperaturänderungen.
Geeignet ist der LM75 um auf Platinen (z.B.
Computermainbords)
die Umgebungstemperatur zu messen. Ein Thermometer mit
LM75
am PIC befindet sich hier.
Ein ähnlicher Chip ist der DS1820 (meistens im TO92 Gehäuse,
Reichelt: 3,10 Euro). Er hat einen 1-wire-Bus und liefert die
Temperatur als 9-Bit Datenwort mit 0,5 K Auflösung. Im Bereich von
–10°C bis +85°C soll das auch seiner Messgenauigkeit
entsprechen.
Etwas teurer (5 .. 7 Euro) ist der TSIC-306. Er hat ebenfalls
einen
1-wire-Bus und liefert die
Temperatur als 11-Bit Datenwort mit 0,1 K Auflösung. Seine
Genauigkeit beträgt 0,3K.
Messung mit einem Sensorchip mit Spannungsausgang
Am Markt sind kalibrierte Temperatursensoren mit Spannungsausgang
erhältlich. Zum Beispiel der Sensor LM50 von National
Semiconductor. Dieser Sensor benötigt eine 5V-Versorgungsspannung,
und liefert eine temperaturabhängige Ausgangsspannung mit einem TK
von 10 mV/K und einem Offset von 500mV (bezogen auf °C). Die
Spannung ist also linear zur Temperatur, und damit recht einfach
auswertbar. Der Nachteil besteht in der nötigen stabilen Referenzspannung des ADC.
Messung über den WDT
Diese Lösung ist eher ein Kuriosum. Microchip beschreibt sie in
der Application Note AN828. Dabei wird die Temperaturabhängigkeit
des WDT
(Watchdog-Timer) im PIC ausgenutzt..Der Vorteil dieser Methode ist
der
Verzicht auf jegliche externe Bauteile. Allerdings darf der PIC
praktisch keine Eigenerwärmung aufweisen. Er muss also langsam
getaktet werden, und darf keine nennenswerten Lasten treiben. Die
erreichbare Genauigkeit beträgt ca. 1°. Als
Referenz-Taktquelle benötigt der PIC einen Quarz oder
Quarzgenerator.
Natürlich eignet sich diese Methode nur zur trägen Messung
der Umgebungstemperatur, und nicht zur thermischen Überwachung
einzelner Leistungsbauteile.
Temperaturmessung mit B511, AD590J oder AD592A
Diese Schaltkreise besitzen eine lineare Temperatur/Strom-Kennlinie, und ermöglichen damit den einfachen Aufbau präziser Temperaturmessschaltung. Da es sich bei den Sensoren um Stromquellen handelt, hat die Länge und Qualität der Anschlussleitung zum Schaltkreis keinen Einfluss auf die Messgenauigkeit. Man kann mit diesen Sensoren also recht einfach die Temperatur über größere Entfernungen messen. Positiv ist auch, dass keine hohen Ansprüche an die Stabilität der Sensor-Speisespannung gestellt werden. Prinzipiell verbessert eine hohe Spannung zwar die Messgenauigkeit, aber eine Stabilisierung ist nicht nötig. Wichtig ist, dass über dem Sensor immer mindestens 4 V anliegen.
Ich beschränke mich bei den einzusetzenden Typen auf die breit verfügbaren Schaltkreise.
Typ | Temperaturkoeffizient | Betriebsspannung | Temperaturbereich | Grundfehler [K oder µA] | Messfehler |
B511N4 | 0,8 ... 1,2 µA/K | 4 ... 40 V | - 55 ... +125 °C | -28,2 ... +60,8 | - |
B511Nm | 0,8 ... 1,2 µA/K | 4 ... 40 V | - 55 ... +125 °C | 3 | - |
AD590J | 1 µA/K | 4 ... 30 V | - 55 ... + 150 °C | 5 | 3 K |
AD592A | 1 µA/K | 4 ... 30 V | - 25 ... + 105 °C | 2,5 | 3,5 K |
RFT und AD geben die Daten in einer anderen Art und Weise an, deshalb sind die Daten nur begrenzt vergleichbar.
Bei diesen Sensoren handelt es sich um
hochohmige Konstantstromquellen. Sie liefern einen Strom,
dessen
Stärke (in Mikroampere) der absoluten Temperatur (gemessen
in
Kelvin) entspricht. Bei 25°C Zimmertemperatur (ich mag es
warm)
sollten sie also 298,2 µA liefern. Dieser Strom sollte
dann mit
jedem Grad Temperaturänderung um jeweils 1 µA steigen bzw.
sinken.
Mit nebenstehender Schaltung lässt sich eine Spannung
erzeugen, die proportional der Temperatur ist. Wird die Spannung mit einem ADC gemessen, muss man sie noch mit 100 multiplizieren und dann 273 subtrahieren. Dann erhält man die Temperatur in °C. Später werden wir sehen, das die Multiplikation kein nennenswertes Problem darstellt. |
Das ist die Theorie, aber in der Praxis sieht es etwas anders aus. Der Strom weicht bei 25°C bei jedem Schaltkreisexemplar um einige µA (beim B511N4 sogar um einige Dutzend µA) ab. Diese Abweichung ist der Nullpunktfehler des Schaltkreises. Das stört nicht, da man bei der Umrechnung von Kelvin in Celsius sowieso einen festen Zahlenwert vom Kelvinergebnis subtrahieren muss (normalerweise 273,2) kann man auch etwas mehr oder weniger subtrahieren, um den Nullpunktfehler dabei zu eliminieren. Allerdings ist es nötig, den Fehler für den eingesetzten Schaltkreis einmal auszumessen.
Der Temperaturkoeffizient des Schaltkreises beträgt
idealerweise 1µA/K. Das heißt, dass sich der Strom bei der
Änderung der Temperatur um 1 Grad auch um 1 µA
ändert.Bei den Schaltkreisen von AD wird dieser Wert sehr genau
eingehalten, da jeder Chip individuell mit Laser justiert wird.
Der
erreichte Temperaturkoeffizient kann noch etwa um 0,03µA/K
abweichen. Daraus ergeben sich aber an den Enden des Messbereichs
Fehler von ca. 3°. Die RFT-Schaltkreise sind nicht justiert,
deshalb streut ihr Temperaturkoeffizient stärker. Wie wir sehen
werden stört aber auch das nicht sehr.
Der ADC des PIC arbeitet mit einer
Genauigkeit
von 10 Bit. Die Spannung 5 V wird also in die Zahl 1023
gewandelt. Wird
der Messwiderstand so bemessen, das bei 500 µA nur 4,89 V
über ihn abfallen, so würden 500 µA genau in die Zahl
1000 gewandelt werden. In einer solchen Schaltung
entspricht das
Messergebnis des ADC genau der doppelten Temperatur (in
Kelvin). Der
dafür nötige Widerstand beträgt 9,775 k. In der
nebenstehenden Schaltung ist er aus einem 9,1 k
Festwiderstand und
einem 1 kOhm Einstellregler zusammengesetzt.
Weicht der Temperaturkoeffizient des Sensors vom Idealwert 1µA/K ab, dann muss auch der Widerstand anders gewählt werden. Für die AD-Schaltkreise sind Werte zwischen 9,1 k und 10,1 k ausreichend, für die B511 sollte man mit 7,5 k und 12,2 k immer hinkommen. Nebenstehende Schaltung ist für den AD-Typ entsprechend ausgelegt. Der ADC des PIC liefert nun also als Messergebnis die doppelte Temperatur (in Kelvin) die man nur noch durch 2 teilen muss und von der man dann nur noch den Messwert bei 0°C (also etwa 273) subtrahiert, um die reale Temperatur in Celsius zu erhalten. |
Lästig ist die für den Sensor
nötige hohe Betriebsspannung. Da über dem Sensor immer
mindestens 4V liegen müssen, und über dem Widerstand
bis zu 4 V abfallen, muss der Sensor also wenigstens 8..9
V am
positiven Pol bekommen. Will man mit der
5-V-Betriebsspannung des PIC
auskommen, so bleibt nur der Weg über einen kleineren
Messwiderstand. Wird der Widerstand mit nur 1,955 kOhm
bemessen, so ist
der Spannungsabfall am Widerstand immer deutlich kleiner
als 1V dadurch
bekommt der Sensor immer mehr als 4 V, auch wenn er nur
mit 5 V
gespeist wird.
Leider ändert sich nun die Messspannung nur noch mit 2mV/K, während der ADC eine Auflösung von nur 5mV/Bit hat. Es kann die Temperatur also nur noch mit 2,5° Genauigkeit gemessen werden. Wer keinen OPV zur Verstärkung einsetzen will, der kann nun nur noch die Referenzspannung des ADC auf 2V absenken. Dann beträgt die Genauigkeit wieder 1°. Die Betriebsspannung
muss
im
Übrigen hochgenau stabilisiert werden (0,05%),
da sie
in jedem Fall für die Referenzspannung des ADC benutzt
wird. Hinweis: |
Temperaturmessung mit einem PTC
PTC und NTC sind Widerstände mit positivem bzw. negativem Temperaturkoeffizient. D.h., dass sie bei steigender Temperatur ihren Innenwiderstand erhöhen (PTC) oder vermindern (NTC). Aus diesem Grunde werden sie meist auch Kaltleiter (PTC) bzw Heißleiter (NTC) genannt.
Typisch für diese Familie sind PTCs aus Silizium, die für
ca. 1€ zu haben sind.
Solche PTC haben meist bei Zimmertemperatur (25°C) einen
Grundwiderstand von 1kOhm oder 2kOhm. Bei Temperaturänderung
verändert der sich mit etwa 0,7%/K (hängt vom Typ ab). Das
bedeutet, das die Änderung bei hohen Temperaturen stärker ist
als bei niedrigen Temperaturen. Dieses unlineare Verhalten macht
es
schwierig, die PTCs für eine Temperaturmessung über weite
Temperaturbereiche zu verwenden. In einem Bereich von wenigen 10
Grad
kann man mit der Nichtlinearität aber leben.
Auf einen typischen Vertreter dieser Gattung beziehe ich mich im
weiteren Text: den KTY81.
Dessen Widerstand errechnet man mit folgender Formel:
Rkty = R25 * (1 + (dT *
a) + (dT2
* b))
Dabei gilt:
Nachfolgende Tabelle zeigt den Widerstandsverlauf des PTC-Sensors
KTY81-110, der für weniger als 1€ z.B. bei Reichelt
erhältlich ist.
Temperatur [°C] | -20 | 0 | 20 | 40 | 60 | 80 | 100 |
Widerstand [Ohm] | 684 | 815 | 961 | 1122 | 1299 | 1490 | 1696 |
Toleranz [Ohm] und [°] | 15 = 2,4° | 13 = 1,9° | 11 = 1,4° | 14 = 1,7° | 20 = 2,1° | 28 = 2,8° | 37 = 3,5° |
Temperaturkoeffizient [%/K] | 0,91 | 0,85 | 0,80 | 0,75 | 0,71 | 0,67 | 0,63 |
Die Messgenauigkeit ist mit der des AD592 vergleichbar, wenn nur nicht der unlineare Temperatur/Widerstandsverlauf wäre. Um den Rechenaufwand in einem Thermometer gering zu halten, muss man versuchen, annähernd lineare Verhältnisse zu schaffen.
Speist man einen PTC mit einer Konstantstromquelle (1mA) und misst die über dem PTC abfallende Spannung, dann erhält man eine dem Widerstand proportionale Spannung. Der Widerstand ändert sich aber leider bei hohen Temperaturen stärker als bei niedrigen Temperaturen, da der Temperaturkoeffizient des PTC temperaturabhängig ist. |
Dem lässt sich entgegenwirken, wenn man
keine Konstantstromquelle verwendet, sondern den PTC durch
einen
einfachen 2,7kOhm-Widerstand (Metallschicht , TK=25)
aus der
5V-Betriebsspannung speist. Der Strom durch die in Reihe
geschalteten
Widerstände ist nun vom Widerstand des PTC und damit von
der
Temperatur abhängig. Bei hohen Temperaturen ist der Strom
etwas
kleiner, und der Spannungsabfall über dem PTC ist dadurch
etwas
geringer als bei Konstantstrom.
Das gleicht die Unlinearität fast genau aus. Im Bereich von -40°C ... +140°C scheint der Sensor nun linear zu sein. Der verbleibende Linearitäts-Restfehler liegt bei ±10 mV, also etwa ± 1,25°. Unterhalb 50°C ist die ausgegebene Spannung etwas zu klein, oberhalb aber etwas zu groß. |
Die nebenstehende Grafik zeigt die Spannung an einem
KTY-81
im Temperaturbereich von -40°C bis zu +140°C. Die
violette Linie ergibt sich bei Speisung mit einem
konstanten Strom von
1,4 mA. Die dunkelblaue Linie ergibt sich bei einer
Speisung aus einer
5V-Quelle über einen Reihenwiderstand von 2,7 kOhm. Die
dramatische Verbesserung der Kennlinie ist schon mit
bloßem Auge
zu erkennen.
Der KTY ist für einen Strom von 1mA ausgelegt. Niedrigere Ströme sind wohl unkritisch, aber höhere Ströme können zu stärkerer Eigenerwärmung führen. Mit dem 2,7kOhm-Widerstand an 5V erzeugt der KTY-81 bis zu 2mW Wärme (anstelle der normalen 1mW). Dass lässt eine Eigenerwärmung um zusätzlich 1° erwarten.Dieser Effekt ist temperaturabhängig, und macht sich erst oberhalb von 50°C bemerkbar. Wenn man den Sensor nur während der Messung mit Strom versorgt, lässt sich die Eigenerwärmung gänzlich vermeiden. |
Noch bessere Genauigkeiten lassen sich
erreichen, wenn man sich mit einem schmaleren
Temperaturbereich
begnügt. Mit einem Reihenwiderstand von 2,7kOhm beträgt
der
Linearitätsfehler im Bereich von -5°C bis +50°C maximal
0,04°. Dieser Fehler ist unbedeutend, da die Toleranz des KTY81 und die Auflösung des ADC um Größenordnungen schlechter sind. Ich betone, dass damit lediglich die Messspannung linearisiert wurde. Natürlich muss die Messschaltung noch kalibriert werden, da auf allen Messwerten ein konstanter Messfehler von einigen wenigen Grad liegen kann, der bauteilspezifisch ist, und ausgemessen werden muss. |
Die vom der Schaltung abgegebene
Messspannung
liegt zwischen 1,01V (bei -20°C), 1,47V (bei +40°C)
und
1,93 V(100°C) und verändert sich um etwa 7,7125mV/K. Der ADC des PIC mit 5mV
Auflösung
kann die Temperatur gerade noch mit 1°C Genauigkeit
wandeln. Da
bleibt keine Reserve mehr. Es bietet sich aber an, die
untere und obere
Referenzspannung des ADC mit Hilfe von Potentiometern
festzulegen.
Geeignet wären 1V und 2,974V als Referenzspannungen. Der
ADC
hätte dann eine Auflösung von 1,93 mV, was 0,25°
entspricht. Hinweis: Je nach PIC-Typ wird Vref+ mit 10uA bis 50uA belastet. Das führt zu einer Verringerung des Vref+-Wertes während der Messung. Der Vref+-Spannungsteiler sollte deswegen möglichst niederohmig ausgelegt werden. |
Temperaturmessung mit einem NTC
PTC und NTC sind Widerstände mit positivem bzw. negativem Temperaturkoeffizient. D.h., dass sie bei steigender Temperatur ihren Innenwiderstand erhöhen (PTC) oder vermindern (NTC). Aus diesem Grunde werden sie meist auch Kaltleiter (PTC) bzw Heißleiter (NTC) genannt.Ähnlich wie PTCs haben auch
NTCs einen Sollwiderstand bei einer Temperatur von 25 °C.
Allerdings wird der Widerstand des NTCs bei steigender
Temperatur
kleiner und bei sinkender Temperatur größer. Die
Widerstandsänderung ist dabei sogar deutlich größer als
bei einem PTC. Ein typischer Vertreter ist der 2381 6406.223 von Vishay BCcomponents. Er
hat bei 25
°C einen Sollwiderstand von 22 kOhm. Die nebenstehende Grafik zeigt den Widerstandswert im Bereich von 0 °C bis 60 °C. Er verändert sich von 66 kOhm bis 6 kOhm. Ein PTC (KTY81-110) verändert seinen Wert im gleichen Temperaturbereich geradeeinmal um 50%. Ein NTC reagiert also viel stärker auf Temperaturänderungen als ein PTC. Die Widerstandskennlinie des NTCs ist aber auch nicht gerade der Traum eines PIC-Programmierers, sie folgt nämlich einer E-Funktion: |
In der nebenstehenden Grafik
zeigt die dunkelblaue Linie den Spannungsabfall am
22kOhm-NTC im
Temperaturbereich von 0 °C bis 60 °C, wenn er aus einer
Konstantstromquelle mit 0,1 mA gespeist wird. Die
Nichtlinearität
ist deutlich zu erkennen. Wenn man den NTC mit einem 12-kOhm-Widerstand in Reihe schaltet, und an diese Reihenschaltung 5V anlegt, dann ergeben sich die rote bzw. gelbe Linie (je nach der Reihenfolge von NTC und Widerstand in der Reihenschaltung). Das sieht schon deutlich besser aus. Die Spannungsänderung beträgt etwa 46mV/K, und ist damit etwa 10 mal so groß wie beim PTC KTY81-110. |
|
Diese Grafik zeigt die
Unlinearität der Reihenschaltung, und diese ist im
interessierenden Messbereich erfreulich klein geworden.
Zwischen 10
°C und 60 °C liegt der Linearitätsfehler unter 2% des
Messwertes. Das liegt in der Größenordnung der Toleranz des
NTC. (Das Ergebnis ist aber viel viel schlechter als beim
PTC
KTY81-110.) Bei höheren Temperaturen steigt der Messfehler dann schnell an. Der nutzbare Messbereich lässt sich in diesem Beispiel auf bis zu +75°C erweitern, wenn man einen 10kOhm-Reihenwiderstand einsetzt. Dann vermindert sich die Genauigkeit im mittleren Bereich aber um ca 1 %. Wir dürfen natürlich nicht vergessen, dass NTCs in der Regel keine präzisen Messfühler sind.Die Abweichung des Widerstandes bei 25 °C beträgt 2% ... 10% und wird in der Regel beim Kauf angegeben. Dazu kommt dann noch einmal ein Fehler des Kennlinienverlaufes von 0,5% bis 3%. Eine Kalibrierung ist also in jedem Fall nötig. Für hochgenaue Temperaturmessungen sind NTCs nicht die erste Wahl. Kann man ein paar Grad Fehler aber verschmerzen, dann eignen sie sich durch ihre Temperaturempfindlichkeit sehr gut als Temperatursensor im Microcontrolleranwendungen. Ein Vorverstärker, der die Messspannung für den ADC des Microcontrollers verstärkt, ist überflüssig. Wenn der zu überwachende Temperaturbereich nicht allzu groß ist, kann man eine ausreichende Linearität erreichen, und bekommt vergleichsweise große Spannungsänderungen pro Grad geboten. |
Diese Platinsensoren sind der heilige Grahl der
Temperaturmesstechnik. Ein Grund dafür ist ihre Austauschbarkeit.
Alle PT100-Sensoren haben 100 Ohm Innenwiderstand und alle
PT1000-Sensoren logischerweise 1000 Ohm. Diese Werte gelten bei
0°C. Der Temperaturkoeffizient der Sensoren ist einheitlich 3850
ppm/K (nach DIN). Das heißt, der Innenwiderstand des Sensors
ändert sich bei 1 Grad Temperaturänderung um 0,385%.
PT100/1000-Sensoren gibt es in verschiedensten Bauformen für die
verschiedensten Einsatzbereiche. An ein z.B. für PT100 ausgelegtes
Messgerät lässt sich jeder PT100-Sensor betreiben. Auch
zeichnen sich die Sensoren durch eine gute Langzeitstabilität aus.
Beides ist für die Industrie ein großer Vorteil. Für
den Hobbybastler zählen aber eher die Nachteile:
Den Widerstand errechnet man (für positive Temperaturen) mit
folgender Formel: Rpt =
R0
* (1 + (dT * a) + (dT2 * b) + (dT3 * c))
Dabei gilt:
Platinsensoren sind also viel linearer als z.B. ein einfacher KTY81, aber ihr Widerstand ändert sich
nur etwa halb so stark mit der Temperatur, da ihr a-Wert kleiner
ist.
Berühren sich zwei unterschiedliche
Metalle, dann entsteht an der Berührungsstelle eine kleine
Spannung, deren Größe temperaturabhängig ist - die
Thermospannung. Deren Größe hängt außer von der
Temperatur natürlich auch von den beiden Metallsorten ab. Diesen
Effekt benutzt man, um Thermo-Elemente herzustellen. Je nach
Metallkombination gibt es unterschiedliche Thermoelement-Typen.
Ein
typischer Vertreter ist der Typ K, der aus einem
Nickel/Chrom-Draht und
einem Nickel/Aluminium-Draht besteht, die kalt-verschweißt
wurden. So ein Thermo-Element vom Typ K liefert etwa 4mV/100K -
also so
gut wie gar nichts.
Thermoelemente eignen sich also nicht zur Stromversorgung (abgesehen von speziellen Anwendungen), aber sie können als Temperatursensoren verwendet werden. Dem Nachteil der sehr kleinen Thermospannung steht der Vorteil einer hohen Temperaturbeständigkeit gegenüber. Thermoelementen können durchaus bei Temperaturen bis zu 1000 °C eingesetzt werden.
Ein Thermoelement besteht also
eigentlich
nur aus zwei Drähten, die auch die Anschlussdrähte sind.
Dort, wo man diese Drähte mit der Messschaltung verbindet,
entstehen natürlich auch Thermospannungen. Da die Drähte oft
nicht lötbar sind, und man sie in Schraubklemmen einsetzt, die
auf
Platinen gelötet sind, auf denen sich auch die Messschaltung
befindet ...... gibt es sogar eine ganze Reihe von
Metall-Metall-Übergängen, die alle jeweils eine kleine
zusätzliche Thermospannung erzeugen.
In einem geschlossenen Stromkreis ergibt die Summe aller Thermospannungen "0", wenn alle Metall-Metall-Übergänge die gleiche Temperatur haben. All die zusätzlichen Thermospannungen im Stromkreis kompensieren sich also, wenn sie alle die gleiche Temperatur haben. Nur das eigentliche Thermoelement sollte sich also am Messpunkt befinden, während der Rest der Messschaltung auf kleinstem Raum konzentriert und vom Messpunkt entfernt aufgebaut werden sollte. Die beiden Metalle, die das Thermoelement bilden, sind also auch die Anschlussleitungen, und enden erst an der Messschaltung.
Die vom Thermoelement in so einem
Stromkreis erzeugte Spannung ist zu der Temperaturdifferenz zwischen
dem
Thermoelement (Verbindungspunkt der beiden Drähte, T1) und dem
Rest der Messschaltung (andere Enden der beiden Drähte, T2)
proportional. Es muss also (mit einem anderen Temperatursensor)
die
Temperatur der Messschaltung (T2) bestimmt werden, um die
Temperatur
des Thermoelementes zu ermitteln. Außerdem müssen die beiden
Anschlüsse des Thermoelements an der Messschaltung die gleiche
Temperatur haben. Da ist beim Aufbau etwas Sorgfalt gefragt.
Um die kleine Thermospannung zu
messen,
ist auf jeden Fall eine Verstärkerschaltung nötig. Es gibt
integrierte Schaltkreise, die Messverstärker, ADC und digitales
Interface in einem Chip zusammenfassen (z.B. MAX6675). Sie
eignen sich
besonders gut, um ein Thermoelement an einen Microcontroller
anzuschließen.
Multimeter
Viele Multimeter werden mit einem Temperaturfühler geliefert,
der
nichts anderes als ein Thermoelement ist. Würde der mechanische
Aufbau dafür sorgen, dass beide Anschlussbuchsen am Multimeter
die
gleiche Temperatur haben, und würde diese Temperatur auch
gemessen, dann wäre damit eine brauchbare Temperaturmessung
möglich. In der Praxis befindet sich der Temperatursensor für
T2 aber irgendwo im Multimeter. Man sollte die Messergebnissee
also
misstrauisch beäugen, und die Steckkontakte des
Temperaturfühlers vor dem Einstecken nicht mit der Hand
erwärmen.
Da sich die Thermospannung des Messfühlers gerade einmal um
40uV/K
ändert, darf man von einem einfachen Multimeter im
Temperaturmessbereich keine Wunder erwarten. Sie eignen sich
eher
für sehr hohe oder sehr tiefe Temperaturen.
Für den Bastler ist ein PTC wie der KTY-81 in Reihenschaltung mit einem Widerstand die einfachste Lösung, wenn man einen ADC verwenden kann, und bereit ist, die Schaltung an einem Punkt zu kalibrieren. Ein Beispiel findet sich hier.
Wer die Kalibrierung vermeiden will, und lieber mit dem I2C-Bus als mit einem ADC arbeitet, der kann den LM75 nutzen. Ein Beispiel findet sich hier.
Lineare Temperatursensoren gefallen nur auf den ersten Blick. Bei
näherem Hinschauen sind die zu teuer, und erfordern einen ADC mit
Referenzspannungsquelle.
Für sehr hohe Temperaturen (> 150°C) können Thermoelemente eingesetzt werden. Sie erfordern aber spezielle Messverstärker.
Autor: sprut
erstellt: 28.12.2002
letzte Änderung: 22.07.2011