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bauteil:temperatursensoren [2013/04/12 20:51] – [NTC-Widerstand] kmkbauteil:temperatursensoren [2024/03/16 02:23] (current) – [NTC-Widerstand] left( und right) kmk
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 Der [[http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD590.pdf|AD590]] ist eine integrierte Schaltung, die unabhängig von der Versorgungsspannung einen Strom fließen lässt, der proportional zu seiner lokalen Temperatur ist. Die Schaltung ist so kalibriert, dass der Strom in µA gerade die Temperatur in Kelvin angibt.  Der [[http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD590.pdf|AD590]] ist eine integrierte Schaltung, die unabhängig von der Versorgungsspannung einen Strom fließen lässt, der proportional zu seiner lokalen Temperatur ist. Die Schaltung ist so kalibriert, dass der Strom in µA gerade die Temperatur in Kelvin angibt. 
  
-Der Messbereich des Sensors liegt zwischen -55 °C und 150 °C. In diesem Bereich ist der Fehler wegen Abweichung von der Linearität  kleiner als 5 K. Die Wiederholbarkeit und die Langzeitdrift sind kleiner als 0.1 K.+Der Messbereich des Sensors liegt zwischen -55 °C und 150 °C. Die absolute Genauigkeit ohne Kalibrierung wird zwar mit nur +/- 5 K angegeben. Die Wiederholbarkeit und die Langzeitdrift werden jedoch als kleiner als 0.1 K garantiert.
  
-Das Preisschild für den AD590 liegt bei etwa 10 €. In der Version für höhere Genauigkeit, kostet er noch deutlich mehr.+Das Preisschild für den AD590 liegt bei etwa 17 €. In der Version für höhere Genauigkeit, kostet er noch deutlich mehr.
  
 ===== NTC-Widerstand ===== ===== NTC-Widerstand =====
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 Das Kürzel "NTC" steht für Negative Temperature Coefficient. Im Gegensatz zu dem meisten anderen Materialien nimmt bei ihnen der elektrische Widerstand mit steigender Temperatur ab. Typischerweise bestehen sie aus einem Halbleiter, bei dem sich mit steigender Temperatur immer mehr Elektronen im Leitungsband aufhalten. Das Kürzel "NTC" steht für Negative Temperature Coefficient. Im Gegensatz zu dem meisten anderen Materialien nimmt bei ihnen der elektrische Widerstand mit steigender Temperatur ab. Typischerweise bestehen sie aus einem Halbleiter, bei dem sich mit steigender Temperatur immer mehr Elektronen im Leitungsband aufhalten.
  
-Der große Vorteil von NTC-Widerständen liegt im starken Zusammenhang zwischen Temperatur und Widerstand. Dadurch ist es ohne großen Aufwand möglich Temperaturschwankungen im Bereich von mK zu messen. Dabei ist zu beachten, dass dies keine absolute Genauigkeit darstellt. Über lange Zeiträume von einigen Wochen und Monaten hinweg macht der Widerstand von NTCs eine Drift durch Alterung durch. Der genaue Betrag ist abhängig vom Typ und der Temperatur, bei der er gelagert wird. Er liegt unter ungünstigen Umständen im einstelligen Prozentbereich. Für den [[http://www.epcos.com/inf/50/db/ntc_09/MiniSensors__B57861__S861.pdf |EPCOS B57861S]] ist die Drift in 10000 Stunden unter 70°C im  mit kleiner als 2% spezifiziert.   +Der große Vorteil von NTC-Widerständen liegt im starken Zusammenhang zwischen Temperatur und Widerstand. Dadurch ist es ohne großen Aufwand möglich Temperaturschwankungen im Bereich von mK zu messen. Dabei ist zu beachten, dass dies keine absolute Genauigkeit darstellt. Über lange Zeiträume von einigen Wochen und Monaten hinweg macht der Widerstand von NTCs eine Drift durch Alterung durch. Der genaue Betrag ist abhängig vom Typ und der Temperatur, bei der er gelagert wird. Er liegt unter ungünstigen Umständen im einstelligen Prozentbereich. Für den [[http://www.epcos.com/inf/50/db/ntc_13/NTC_Mini_sensors_S861.pdf|EPCOS B57861S]] ist die Drift in 10000 Stunden unter 70°C im  mit kleiner als 2% spezifiziert.   
  
-Der Widerstand eines NTC hängt exponentiell vom Kehrwert der Temperatur ab:\\ \\ +Der Widerstand eines NTC hängt exponentiell vom Kehrwert der Temperatur ab: 
-<latex>R(T) = R_r \, \exp( \beta (1/T -1/T_r))</latex>\\ +$$ R(T) = R_r \, \exp\left( \beta \left(1/T -1/T_r\right)\right) $$ 
-wobei <latex>R_r</latex> der nominelle Widerstand bei der Temperatur <latex>Tr</latex> und <latex>\beta</latex> ein vom Typ abhängiger Parameter ist. +wobei $R_r$ der nominelle Widerstand bei der Temperatur $Tr$ und $\beta$ vom Typ abhängiger Parameter sind. 
  
-Der 10k NTC von EPCOS, Typ B57861S103F40 hat \\ +Der 10k NTC von EPCOS, Typ B57861S103F40 hat 
- <latex>\beta=3988</latex>+ $ \beta=3988 $
  
 Die Formel passend für das calc-Tool: Die Formel passend für das calc-Tool:
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 Pro  Kelvin ändert sich der Widerstand um etwa 3.5e-3, also 3500 ppm/K. Faustregel für PT 100 ist damit 0.35  Ω/K. Pro  Kelvin ändert sich der Widerstand um etwa 3.5e-3, also 3500 ppm/K. Faustregel für PT 100 ist damit 0.35  Ω/K.
  
 +===== Digitaler Temperatursensor DS18B20 =====
 +Der [[http://www.reichelt.de/index.html?&ACTION=7&LA=3&OPEN=0&INDEX=0&FILENAME=A200%252FDS18B20Z-DAL.pdf|DS18B20]] ist ein Temperatursensor, dessen Wert digital ausgelesen werden kann. Ein integrierter (sehr kleiner) Mikroprozessor sorgt für die Linearisierung und die Kommunikation über ein serielles Protokoll. Das heißt, dieser Baustein kann direkt an einen Mikrocontroller angeschlossen werden.
 +
 +Die absolute  Genauigkeit dieses Sensors liegt bei etwa 0.5 K. Je nach programmierbarer Konfiguration entspricht die Höhe der Stufen zwischen zwei benachbarten digitalen Werten einem Temperaturunterschied zwischen 0.5 K und 0.06 K. 
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 +===== Thermoelemente =====
 +[[wpde>Thermoelement|Thermoelemente]] nutzen den Seebeck-Effekt bei einem Stromkreis mit Leitungen aus unterschiedlichem Metallen. Dabei tritt eine Spannung auf, die proportional zum Temperatur-Unterschied zwischen den Kontaktstellen der Metalle ist. Diese Spannung beträgt zwar nur einige mV pro Kelvin. Dafür steigt sie über einen großen Temperaturbereich in guter Näherung linear an.
 +
 +Die Proportionalitätskonstante zwischen Seebeck-Spannung und Temperaturunterschied hängt von der Wahl der Metalle ab. Bestimmte Paarungen mit besonders günstigen elektrischen, oder mechanischen Eigenschaften werden mit einem Buchstaben benannt ("Typ K", "Typ J", "Typ E", ...) Siehe dazu auch [[wpde>Thermoelement#Vergleich_verschiedener_Thermoelemente|diese Tabelle bei Wikipedia]].
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 +Der [[http://www.farnell.com/datasheets/661026.pdf|AD597]] ist ein Verstärker, der speziell dafür entwickelt sind, die  Seeebeckspannung eines Thermoelements vom Typ K in ein Signal zu verwandeln, der für weitere Anwendungen, wie etwa AD-Wandler geeignet sind. Dieser Baustein ist intern so abgeglichen, dass sein Ausgang eine Spannung 10 mV/K aufweist. Mit einer speziellen Beschaltung kann dieser Baustein auch direkt als Temperatursensor eingesetzt werden, ohne das ein Thermoelement angeschlossen ist.
 +
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 +===== Anbringung von Temperatursensoren =====
 +<note important>Sensoren gehören direkt an das Stellelement</note>
 +Bezüglich einer zu regelnden Temperatur bedeutet das: **Der Temperatur-Sensor gehört so dicht wie möglich an das Peltier**.
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 +=== Vorwort ===
 +[{{ :bauteil:unlocked.png?400|Übertragung von Temperaturschwankungen durch ein Lasergehäuse}}]
 +Immer wieder hört man aber Stimmen, die etwas gegensätzliches behaupten. Die aufgebrachten Argumente sind meistens von der Art "Aber ich will doch an Punkt XYZ eine stabile Temperatur haben und nicht am Peltier". Dass man mit diesem Argument ein stabiles Regel- und somit Temperaturverhalten bekommt, ist leider ein weit verbreiteter Irrglaube.
 +Dieser Abschnitt dient dazu, den Vorteil einer direkten Anbringung nahe des Peltiers näher zu erläutern.
 +
 +=== Erklärung ===
 +Nehmen wir einmal folgende Situation an. Ein Lasergehäuse soll Temperaturstabilisiert werden. Im ersten Fall ist der Sensor weit weg vom Peltier-Element angebracht. Strom- und somit Temperaturschwankungen am Peltier übertragen sich nun zum einen verzögert durch das Lasergehäuse (Phase-Lag) und sind zum anderen auf Grund der Trägheit von Temperaturprozessen sowie durch Konvektionsverluste auch gedämpft: Der Sensor nimmt nur einen einen Bruchteil der eigentlichen Schwankungen war.
 +Anders sieht dies aus, wenn der Sensor sehr nahe am Peltier sitzt. Strom- und somit Temperaturschwankungen können hier nahezu unverfälscht gemessen werden.
 +
 +Dies hat eine direkte Auswirkung auf die Regelung. Während im Falle eines weit entfernten Sensors das Sensorsignal "OK" aussieht, schwingt die Regelung potentiell unbemerkt auf und vermag externen Einflüsse nur verzögert entgegen zu wirken.
 +[{{ :bauteil:locked.png?400|Regelverhalten in Abhängigkeit vom Anbringungsort des Sensors}}]
 +Sitzt der Sensor allerdings am Peltier, kann die Regelung einem Überschwingen direkt entgegenwirken. Das restliche Gehäuse ist nun auf Grund des trägen Temperaturverhaltens passiv stabil.
 +Ist an einer bestimmten Stelle ein absoluter Temperaturwert erforderlich, kann hier ein Out-of-Loop Sensor angebracht werden, mit dem man die Soll-Temperatur überprüfen und einstellen kann. Ist die Temperatur-Stabilität vom höchsten Maße wichtig, sollte zusätzlich das zu regelnde Element thermisch isoliert werden. An der Regelungsmethode (Sensor sehr dicht am Peltier) muss nichts weiter geändert werden.
 +
 +Generell erhält man mit dieser Methode ein deutlich stabileres Regel-Verhalten. Deshalb ist eine Anbringung des Sensors so dicht wie möglich an das Peltier-Element immer vorzuziehen.