Thermoelement Versuch

Autoren: Marc Ebmeyer

Einleitung

Herr Seedbeck entdeckte 1821, dass wenn zwei verschiedene Metalle oder Metallmischungen miteinander verbunden werden, man eine Temperaturabhängige Spannung messen kann den Seedbeck Effeckt. Der Messpunkt der Temperatur ist der Verbindungspunkt dieser beiden Leiter. Daher darf bei der Herstellung der Verbindung kein Prozess eingesetzt werden, welche die Materialien verunreinigt. Deswegen funktioniert verdrillen und verschweißen der beiden Leitungen aber nicht verlöten. Unterschiedliche Verbindungen in den beiden Thermoelementpaare und Kombination dieser führt zu unterschiedlichen Thermospannungen. Dabei haben sich ein paar wenige Mischungen und Kombinationen in der Industrie durchgesetzt. Um sie einfacher zu unterscheiden hat man die Kombinationen mit Buchstaben versehen.

Verwendung findende Materialkombinationen

Typ	- Pol	+ Pol	mV/100°C
B	94%Platin und 6%Rhodium	70%Platin und 30%Rhodium
E	Konstantan	Chormel 90% Nickel und 10% Chrom
J	Konstantan 55% Kupfer, 44% Nickel und 1% Mangan	Eisen
K	Chormel	Alumel 90,7% Nickel, 3,1% Mangan, 4,2% Aluminium und 2,0% Silizium
N	Nisil 95,5%Nickel, 4,4%Silizium und 0,1% Magnesium	[ https://en.wikipedia.org/wiki/Nicrosil Nicrosil Nickel 14,4% Chrom, 1,4% Silizium und 0,1% Magnesium]
R	Platin	87%Platin und 13%Rhodium
S	Platin	90% Platin und 10% Rhodium
T	Konstantan	Kupfer

Die unterschiedlichen Materialkombinationen weisen unterschiedliche Temperatur Eigenschaften auf. Im Allgemeinen kann man sagen, das Platin Verbindungen für höhere Temperaturen geeignet sind, dafür aber eine niedrige Thermospannung erzeugen. Alle Thermoelementpaare erzeugen bei 0 °C eine Thermospannung von 0V.

Typ K

Abb. 1: Temperaturmessung mit Thermocouple und INA326

Abb. 2: Ausgangsspannung am Intrumentationsverstärker in Abhängigkeit von erzeugten Thermospannung

Schaltung

Zur Verstärkung der erzeugten Thermospannung dient uns in diesem Versuch ein Instrumentationsverstäker vom Typ INA326. Diesen benötigen wir, da wir am Thermoelement (Vs4 in Abbildung 1) nur eine Spannung von 40uV pro 1 °C (beim Typ-K) abfällt. Der Instrumentationsverstärker bietet eine Rail-to-Rail Eingang, was bedeutet, dass die Ausgangsspannung bis fast an die positiven und negativen Betriebsspannungen heranreicht. Intern ist der INA326 so aufgebaut, dass wie bei allen Instrumentationsverstärkern erst ein Impedanzwandler an den Eingängen sitzt. Im Gegensatz zu anderen Instrumentationsverstärkern wird dann aber die Eingangsspannungen in einen Strom umgewandelt und treffen dann auf einen Stromspiegel, wodurch Gleichtaktstörungen und Schwankungen der Versorgungsspannung unterdrückt werden. Danach erfolgt die konventionelle Verstärkung des Signals eingestellt durch die Widerstände R_2, R_3 und C_2 und ein weiterer Impedanzwandler. Da der Eingangsimpedanz vom INA326 sehr groß ist, benötigen wir für den Eingangs Bias Strom I_IB den Widerstand R_4, damit sich dieser abbauen kann, da wir in diesem Fall eine niedrig Impedanten Sensor haben reicht ein Widerstand. Würde man höher Impedante Sensoren anschließen , wie z.B. Mikrophone, so sollte man beide Enden des Sensors mit einem Widerstand auf Ground ziehen. R_8 und C_4 bilden zusammen ein Tiefpass, R_8 begrenzt zusätzlich den Strom aus dem Instrumentationsverstärker. C_3 stabilisiert die Eingangsspannung, diese kann um einen 10uF Elektrolytkondensator ergänzt werden. R_5 ist der Lastmesswiderstand des Mikrocontrollers.

Kaltstellen oder Vergleichstellen Kompensation

Schließt man ein Thermoelement Kabel an einer Messstelle an, so bekommt man immer eine zusätzliche Thermospannung eine sogenannte Kaltstelle. Da man nun ja an das Thermoelement Material 1 und 2 seine Kupferleitung anschließen muss, welche zur Messauswertung führt, welche zwei weitere Thermospannungen erzeugen.

Kompensation

1. Kühlen der beiden Anschlussstellen auf 0 °C⇾ dadurch keine Thermospannung. Einfach für eine Kalibrierung (Eiswasser), aber schwer im Praxis Prozess Alltag (extra Peltier Kühlung Isolierung der Anschlussstellen gegen Kondensfeuchtigkeit).
2. Heißen der Anschlussstelle auf eine Konstante Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur (einfacher als Kühlen). Dadurch ergibt sich ein berechenbarer Fehler, den man ausgleichen kann. (Oft in Messgeräten fertig implementiert)

Literatur

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