PT 100

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Autor: Timo Schmidt
Betreuer: Prof. Schneider

Aufgabe

Die freiwillige Zusatzaufgabe im Fach Sensortechnik im Studiengang Mechatronik, bestand darin, einen Primärsensor auszusuchen und diesen auszulesen. Des Weiteren sollte der Sensor praktisch analysiert werden und eine Auswerteschaltung entworfen werden. In diesem Artikel geht es um den PT100, welcher mit einem für die Auswertung von PT100/1000 gefertigten Mikrocontroller ausgewertet wird.

Nachfolgend werde ich die Funktionsweise des Sensors und die Funktionsweise des MAX31865 erläutern.

Einleitung

Der PT100 ist ein Temperatur abhängiger Widerstand. Bei 0 °C beträgt der Widerstand des PT100 100 Ohm, daher kommt auch der Name des Sensors. Der Sensor eignet sich besonders gut um ihn in Heizelemente für industrielle Anwendungen zu verwenden. Den Sensor gibt es unzähligen Ausführungen, somit ist er für viele Anwendungsfälle zu gebrauchen.

Technische Übersicht

Diese Daten gelten für den hier verwendeten PT100.

Eigenschaft	Daten
Typ	M222
Ausführung	PT100
Messbereich	-70 °C bis +500 °C
Bauart	radial bedrahtet
Genauigkeitsklasse	B (F0.30)
Temperatur-Koeffizient	3850 ppm/K
Abmessung (LxBxH)	2,3 mm x 2,1 mm x 0,9 mm

Prinziperklärung

Bei dem PT100 handelt es sich wie eingangs schon erwähnt um einen Temperaturabhängigen Widerstand mit einem Grundwiderstand von 100 Ohm. Bei einer Temperaturänderung von einem Kelvin ändert sich der Widerstand um 385 milli Ohm. Der MAX31865 der in diesem Versuchsaufbau für die Auswertung des Sensors verwendet wird vergleicht den gemessenen Widerstandswert mit dem auf dem Board verbauten 100 Ohm Widerstand. Bei dem Referenzwiderstand ist es wichtig, dass dieser mit einer möglichst kleinen Toleranz gewählt wird.

In diesem Versuchsaufbau wurde der PT100 mit einem Vierleiteranschluss an den MAX31865 angeschlossen. Durch den Vierleiteranschluss ist eine durch den Leitungswiderstand entstehende Abweichung minimiert. Des Weiteren wird auf den Messleitungen keine Spannung angelegt. Somit wird die genauste Messung erzielt.

Messgenauigkeit

Die Messgenauigkeit wird durch einige Punkte beeinflusst. Die Messhäufigkeit beeinflusst die Messgenauigkeit, da an dem PT100 bei jeder Messung Spannungabfällt und diese in Wärme umgewandelt wird. Auf Grund dessen, sollte man sich vorher gut überlegen wie oft man eine Messung durchführen muss, um den Messwert nicht unnötig zu verfälschen.

Ein weiterer Punkt für eine Messungauigkeit ist der Sensor selbst. Bei dem hier verwendeten PT100 mit einer Genauigkeitsklasse B handelt es sich um die in der nachfolgenden Tabelle gezeigten Messungenauigkeiten:

Temperatur	Abweichung
-100 °C	0,8 °C
0 °C	0,3 °C
+100 °C	0,8 °C
+200 °C	1,3 °C
+300 °C	1,8 °C
+400 °C	2,3°C
+500 °C	2,8°C

Quelle: http://www.pt100.de/genauigkeit.htm

Weitere Messunsicherheiten ergeben sich aus der Messung mit dem MAX31865. Der MAX31865 aproximiert die Kennlinie des PT100 zu einer Geraden. bis circa 200 °C gibt es keine nennenswerten Abweichungen der beiden Kennlinien. Sollte es allerdings dauerhaft zu Messungen Größer 200 °C kommen sollte man auf eine andere Auswertung (z.B. mit einer doppel H-Brücke und selbst aufgenommener Kennlinie) zurückgreifen. Die Umwandlung des analogen Messwertes in einen digitalen Wert erfolgt mit einem 15 Bit analog digital Konverter. Daraus ergibt sich eine Auflösung von 0,03125 °C.

Bewertung der gesamt Messungenauigkeit: Für eine Messung, wo nur eine grobe Temperatur in einem Prozess überwacht werden soll ist der PT100 in Kombination mit dem MAX31865 meiner Meinung nach vollkommen ausreichend. Soll er allerdings verwednet werden um andere Sensoren zu kalibrieren, würde ich diese Schaltung nicht verwenden. Alles in allem kann man sagen, dass für den Preis der Bauteile die Messunsicherheit gerechtfertigt ist.

Verwendete Software

Als Software für die Auswertung wurde in diesem Versuchsaufbau die Arduino IDE mit dem Test-Sketch der MAX31865 Bibiolothek verwendet.

Hardwareaufbau

Verwendete Hardware:

PT100

MAX31865 Controll-Board

Arduino UNO

Jumper Wire

Anschluss des MAX31865 Controllboard an den Arduino UNO:

Pin am MAX31865	Pin am Arduino UNO	Funktion
VCC	5V	5V Versorgungsspannung
GND	GND	Ground
3V3	3.3 V	3,3 V Spannungsversorgung
Dry	-	Deaktiviernen der Messungen
SDI	11	Serieller-Daten Eingang
CLK	13	Clock
CS	9	Chip Selekt, aktiviert das Serielle Interface
SDO	10	Serieller-Daten Ausgang

Anschluss des PT100 an den MAX31865: Bei dem Anschluss des PT100 wurden jeweils F- und RTD-, sowie F+ und RTD+ an einen Anschluss des PT100 gelötet.

Lernerfolg

In diesem Versuch habe ich viel über die Auswertung von PT100 gelernt. Ich konnte meine Kenntnisse in der Programmierung von Mikrocontrollern vertiefen.

Gesamtfazit

Der Sensor ist gerade für den privaten Gebrauch vollkommen ausreichend. Mit der Arduino IDE ist es kein Problem mit der passenden Bibliotheken den Sensor auszuwerten. Durch den einfachen Aufbau des Sensors ist dieser auch recht unempfindlich gegenüber äußerer Einflüsse wie z.B. Feuchtigkeit. Der Aufbau und die Auswertung des Sensors hat einem die Aufgabenbereiche der Mechatronik näher gebracht. Des Weiteren hat man sich im Rahmen dieses Artikels viel mehr mit dem Sensor und der Auswerteeinheit beschäftigt als man es sonst getan hätte.

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