Donnerstag, 26. Januar 2017

Ein einfaches Thermometer mit PT100



Technische Daten

Betriebsspannung: 5V
Messbereich: -50°C - 100°C
Genauigkeit: ±1K
Maße der Leiterplatte: 25.2mm x 33.5mm
(Alternativ Breadbord)
Projektunterlagen: Github
Dropbox


Einleitung

Ob es warm oder kalt ist, das ist Gefühlssache. Um Temperaturen jedoch konkret zu erfassen, braucht es ein vernünftiges Messinstrument: Das Thermometer. In diesem Artikel erkläre ich den Aufbau und die Funktion eines einfachen elektrischen Thermometers mit einem PT100 Temperatursensor.

Wer nicht so viel lesen und lieber gleich loslegen will, der findet im Abschnitt Technischen Daten einen Link zu den Projektunterlagen. Die Projektunterlagen enthalten Schaltplan, Boardlayout, Breadboardplan und so weiter.

Viel Spaß beim kreativ werden
Hans


Wie arbeitet der Temperatursensor PT100?

Der PT100 ist ein Platinwiderstand, der bei 0°C einen Widerstand von exakt 100Ω besitzt. Sein Widerstand nimmt mit steigender Temperatur zu. Das Verhältnis zwischen Widerstand und Temperatur ist dabei nahezu linear. Daher wird die Kennlinie des PT100 gern mit der folgenden Formel vereinfacht.

RT = R0 • ( 1 + α • T )

RT… Widerstand des PT100 in Abhängigkeit der Temperatur
R0… Widerstand des PT100 bei 0°C (R0 = 100Ω -> konstant)
α… Temperaturkoeffizient des PT100 (α = 3.85 • 10^-3/°C -> konstant)
T… Temperatur in °C

Wie man deutlich in der Formel erkennen kann, ist T, die Temperatur, die einzige Komponente, die sich verändern kann. Dadurch erhält man eine lineare Kennlinie zwischen Temperatur und Widerstand des PT100. Die nachfolgende Grafik zeigt die reale Kennlinie des PT100 gestrichelt und die angenäherte Kennlinie aus der Formel als Vollstrich.


Man kann gut erkennen, dass die Kennlinie im Bereich von -100°C - 200°C fast linear ist, aber spätestens bei 600°C zeigt sich eine deutliche Krümmung. Da wir uns mit unserer Entwicklung in einem Bereich bewegen, in dem die Kennlinie sehr linear verläuft, vernachlässigen wir die Krümmung und arbeiten mit dem idealisierten linearen Modell.


Aufbau des Thermometers

Das Blockschaltbild in Abbildung 4 zeigt schematisch, wie die Temperatur auf der Platine ermittelt und aufbereitet wird. Die Skizze beginnt beim PT100. Mit seiner als linear angenommenen Kennlinie kann er die aktuelle Temperatur detektieren und in eine Widerstandsänderung übertragen. Da durch den PT100 ein Konstantstrom von 1mA fließt, wird seine Widerstandsänderung in eine Spannungsänderung umgesetzt. Allerdings liefert der PT100 mit 100Ω bei 0°C auch einen erheblichen Spannungsoffset, dieser muss später entfernt werden.

An den Klemmen des PT100 sitzt ein Instrumentenverstärker. Dieser stabilisiert die gemessene Spannung und verstärkt sie um den Faktor 10.

Zuletzt wird durch einen Differenzverstärker der bereits erwähnte Spannungsoffset entfernt und das Nutzsignal um den Faktor 8.3 verstärkt. Dadurch ergibt sich eine Kennlinie, die bei einer Temperaturänderung von 150 K einen Spannungsbereich von 0…5V durchläuft.


Schaltplan




Der Schaltplan lässt sich mit dem vorherigen Kapitel Aufbau des Thermometers sehr schnell und einfach verstehen. Im oberen Bereich des Schaltplans befinden sich die drei einzelnen Stufen Konstantstromquelle mit PT100, Instrumentenverstärker und Differenzverstärker. Im unteren Bereich werden zwei Festspannungen eingestellt, welche in der Schaltung als Referenzspannungen benötigt werden.


Symmetrische Spannungsversorgung

Im Schaltplan unten links befindet sich eine Schaltung, welche aus der unsymmetrischen 5V Betriebsspannung eine symmetrische ±2.5V Betriebsspannung erzeugt. Dazu wird mit einem einfachen Spannungsteiler ein künstlicher symmetrischer Nullpunkt bei halber Betriebsspannung definiert. Der dem Spannungsteiler nachgeschaltete OPV ist als Impedanzwandler geschaltet. Seine Aufgabe ist es, den neuen Nullpunkt stabil zuhalten. Die symmetrische Spannungsversorgung ist nötig, um den Instrumentenverstärker zu betreiben und um auf einige OPV Grundschaltungen zurückgreifen zu können. Da symmetrische Spannung und unsymmetrische Spannung direkt übereinander liegen, ist es wichtig die Bezeichnungen beider Netze nicht miteinander zu verwechseln. Die nachfolgende Tabelle zeigt, wie die erzeugte symmetrische Spannung die unsymmetrische Spannung überlagert.


Unsymmetrische Spannung Symmetrisch Spannung
5V +2.5V
2.5V 0V
0V -2.5V



Offsetkorrekturspannung

Die Offsetkorrekturspannung wird auf die gleiche Weise erzeugt, wie der Nullpunkt für die symmetrische Spannungsversorgung. Sie wird benötigt, um den Offset, der durch den Grundwiderstand des PT100 entsteht, zu eliminieren. Mit Potentiometer R12 kann die Offsetkorrekturspannung und damit der Mittelpunkt des Messbereichs eingestellt werden. Wird UREF auf 3.3V eingestellt ergibt sich ein Messbereich von -50°C bis 100°C.


Anschluss des PT100


Der PT100 wird in 4-Leitertechnik angeschlossen, was dafür sorgt, dass man sehr lange Kabel (>10m) verwenden kann, ohne dass das Messergebnis zusätzlich verfälscht wird.


Konstantstromquelle


Um den PT100 zu betreiben wird er von einem Konstantstrom von 1 mA durchflossen. Um diesen Konstantstrom zu erzeugen, wird eine OPV als Konstantstromquelle geschaltet. Die Parallelschaltung der Widerstände R1 und R11 erzeugt einen Gesamtwiderstand von 2.5kΩ. Da sich der OPV an seinem positiven Eingang auf die symmetrische Masse bezieht, fallen an dem Gesamtwiderstand R1||R11 2.5V ab. So wird ein Konstantstrom von 1mA erzeugt. Dieser Strom fließt kontinuierlich durch den PT100.


Instrumentenverstärker

  

Der Konstantstrom erzeugt am PT100 eine temperaturabhängige Spannung. Diese Spannung wird vom Instrumentenverstärker abgegriffen, stabilisiert und um den Faktor 10 verstärkt. Da der Eingangswiderstand des Instrumentenverstärkers extrem hoch ist, belastet er das Sensorsignal des PT100 nicht. Im Moment liegt noch der volle Offset durch den PT100 (100Ω bei 0°C) auf dem Sensorsignal. Dieser muss in der nächsten Stufe entfernt werden, um das Signal anschließend auf volle Betriebsspannung anheben zu können.


Offsetkorrektur


In der letzten Stufe wird der Offset des PT100 korrigiert. Dazu wird ein OPV als Differenzverstärker geschaltet. In dieser Schaltung wird  die Offsetkorrekturspannung UREF vom aufbereiteten Sensorsignal abgezogen. Anschließend wird das Ergebnis mit dem Faktor 8.3 auf Betriebsspannung verstärkt.


Breadbord

 

Hier sieht man die Schaltung auf einem Steckbrett aufgebaut. Es ist zwar einiges an Kabeln zu verlegen, aber der Aufwand hält sich noch in einem erträglichen Rahmen. Auch die Übersicht über die Schaltung bleibt halbwegs erhalten.


Boardlayout



Wer es etwas schicker und professioneller mag, dem kann ich hier ein schönes kleines SMD Layout anbieten. Ich selbst habe die Platine so im Einsatz und bin sehr zufrieden damit. 





Mehr Informationen und Quellen:

Bücher

  • Bernhard, Frank: Handbuch der Technischen Temperaturmessung. 2. Auflage. Springer Verlag, 2014
  • Reinhold, Wolfgang: Elektronische Schaltungstechnik. 1. Auflage. Carl Hanser Verlag, 2010


Online



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