Temperatursensor

Wir, die Gruppenmitglieder Celia, Victoria, Louis und Konstantin, waren für die Realisierung des Temperatursensors in dem Bereich „Luft“ unseres Projektes zuständig. Dieser Sensor dient zur Überwachung der Lufttemperatur, um diese in Zusammenarbeit mit der Steuerungsgruppe regulieren zu können.

Dabei werden Steuersignale genutzt, um eine Heizung einzuschalten, zur Erhöhung der Temperatur, oder aber Lüfter, um sie zu senken, wobei man davon ausgeht, dass die Luft außerhalb des Gewächshauses am kühlsten ist.

Der Sensor basiert auf einem PT-100, der seinen ohmschen Widerstand linear zur Temperatur verändert. Es wurde von uns ein Messbereich von null bis fünfzig Grad Celsius angestrebt, bei einem Spannungsbereich des Messsignals von 0 bis 5V.

Beschreibung der Schaltung

Den ersten Teil des Sensors stellt die Konstantstromquelle dar. Diese ist nötig, damit keine Stromänderung, sondern eine Spannungsänderung, mit der Veränderung der Temperatur bzw. des ohmschen Widerstandes des PT-100 einhergeht. Die Konstantstromquelle besteht im Wesentlichen aus einem LM317 Spannungsregler, der bei einer Versorgungsspannung von 5V eine Referenzspannung von ca. 1,25V erzeugt. Diese fällt dann in der Schaltung an einem 1,25k Widerstand (Potentiometer) ab, wodurch 1mA Strom durch diesen fließen. Der Strom ist auf nur 1mA bemessen, damit sich die Temperatur des PT-100 nicht durch den Messstrom erhöht. Der konstante Strom ist damit bereitgestellt und fließt weiter zum PT-100, an dem dann eine Spannung „A“ abfällt. Damit diese Spannung vom Rest der Schaltung nicht beeinflusst wird passiert diese einen Impedanzwandler. Bei null Grad Celsius hat der PT-100 einen Widerstand von 100 Ω, weshalb sich die Spannung „A“ bei einem Strom von 1mA auf 100mV bemisst. Damit dieser Offset von 100 mV eliminiert wird, wird die Spannung „A“ an eine Subtrahierer-Schaltung weitergegeben, die diese 100 mV von Spannung „A“ abzieht, wodurch Spannung „B“ entsteht.

Geht man nun von einem Temperaturbereich von 0 bis 50 Grad Celsius aus, dann bedeutet das einen Spannungsbereich von 0 bis 19,4mV für Spannung „B“. Damit die obere Grenze mit 19,4mV auf 5V erhöht wird, ist hinter den Subtrahierer noch ein Verstärker geschaltet, der Spannung „C“ erzeugt, das an den Mikrocontroller weitergeleitete Messsignal.

Dimensionierung der Schaltung

Die Schaltung musste bis auf den Widerstand für die Konstantstromquelle an zwei weiteren Stellen korrekt dimensioniert werden und zwar am Subtrahierer und am Verstärker.

Für den Subtrahierer gilt:

abzuziehende Spannung =  5V· (R2)/(R1 + R2)

Für eine abzuziehende Spannung von 100mV ergibt sich also für R2=1kOhm ein Widerstand von 49kΩ für R1. Für den Verstärker gilt:

Ua /Ue = 1 + (R3/ R4)

Ue am Verstärker bemisst sich auf 0 bis 19,4mV und soll auf 0 bis 5V für Ua verstärkt werden. Mit R4 = 100Ω ergibt sich somit für R3 ein Widerstand von 25,673 kΩ. Zur Feinjustierung der Schaltung werden R1 und R4 auf der Platine als voreingestellte Potentiometer vorgesehen.

Simulation und Testaufbau

Während wir die Schaltung mit LT-Spice simulierten, stießen wir auf das erste (allerdings auch einzige) Problem. Spannung „C“ war zu groß. Der Spannungsbereich war 1,8V bis 6.1V. Das lag daran, dass der Subtrahierer nicht genau 100mV abzog, sondern nur 93mV, weshalb Spannung „B“ verfälscht wurde und verstärkt einen nicht verwendbaren Spannungsbereich „C“ erzeugte. Diese Ungenauigkeit ist wohl durch den OPV verursacht worden, da der Rest des Subtrahierers entsprechend berechnet war. Abhilfe schuf die Methode des Probierens am Spannungsteiler des Subtrahierers. Das Ergebnis war, dass die untere Grenze 0V der Spannung „C“ nicht erreicht werden konnte, sich jedoch ein Spannungsbereich von 1V bis 5V ergibt bei der Verwendung eines 46k8 statt eines 49k Widerstandes am Spannungsteiler des Subtrahierers. Beim Testaufbau, der bis auf ein kaputtes Klemmbrett (das uns einen ganzen Termin gekostet hat) keine Probleme mit sich brach, konnte dieses Ergebnis nicht verifiziert werden. Da dies aber nur durch das Verhalten des simulierten OPVs kam und die eigentliche Schaltung funktionierte, fuhren wir mit dem Platinenlayout fort.

Platinenentwurf

Die Schaltung sah in unseren Augen zuerst groß und kompliziert aus stellte sich beim Platinenlayout aber eher als klein heraus. Folglich konnten wir uns eine Platine mit unseren Steuerungsbeauftragten teilen. Mit Steuerungsbeauftragten ist dabei nicht Gruppe „Steuerung“ gemeint, sondern diejenigen, die sich aus unserer Gruppe „Luft“ mit der Transistorsteuerungsschaltung für Lüfter, Heizung und der Gleichen beschäftigten. Das Layout wurde also doch etwas komplexer und stellte für das erste Mal Arbeiten mit EAGLE schon eine gewisse Herausforderung dar.

Test der fertigen Platine

Nachdem die Platine fertig war begann das Testen. Hierbei verwendeten wir Testwiderstände zur Simulation des PT100 bei verschiedenen Temperaturen. Die Widerstände der Spannungsteiler von Subtrahierer und Verstärker führten wir als Potentiometer aus, wodurch wir die Offsetkorrigierung um 100 mV und die Verstärkung auf 5V genau einstellen konnten. Diese Feinjustierung wurde an der oberen Spannungsgrenze vorgenommen. Der PT100 wurde hierbei also durch einen 120 Ω (ca. 119,4 Ω bei 50 Grad Celsius) Widerstand ersetzt. Am Testpin für Spannung „A“, also hinter der Konstantstromquelle, mussten somit 120mV abfallen, was mit dem Potentiometer R feineingestellt wurde. Hinter dem Subtrahierer (Spannung „B“) durften weiterhin nur noch 20mV abfallen. Zur Feineinstellung diente hier das Potentiometer R1. Mit dem Potentiometer R4 stellten wir schließlich 5V für Spannung „C“ ein. Es zeigte sich, dass die Schaltung mit den verwendeten Bauteilen nur für einen gewissen Temperaturbereich funktionierte, aber nicht für 0 Grad Celsius. Der Fehler konnte auf den OPV (LM324) lokalisiert werden, da dieser keine rail-to-rail Eigenschaft besaß und somit dessen Ausgang nicht auf 0V gehen konnte, was für die Temperatur 0V nötig ist. Der Fehler konnte behoben werden, indem die „negative“ Versorgungsspannung des OPVs nicht auf 0V, sondern -12V gelegt wurde. Dadurch lagen die 0V mitten in dem Bereich der Versorgungsspannung (-12 bis 12V) und die Schaltung funktionierte. Eigentlich hätten wir an diesem Punkt, wenn dieser früher im Projekt erreicht worden wäre, mit der Energiegruppe absprechen müssen, dass wir eine negative Spannung brauchen. Da das Projekt nicht fertiggestellt wird kam es jedoch nicht dazu. Die Platine muss bei der Abschlusspräsentation also mit der Spannungsquelle als Versorgung gezeigt werden.

Bauteilliste:

• Präzisionswiderstände:
  • 1 x 100
  • 1 x 1k
  • 4 x 10k

• Potentiometer:
  • 100k
  • 50k
  • 10k

• LM317 Spannungsregler
• PT100
• 4-fach OPV, rail to rail, Versorgung 0/+12V single supply, SO14
• 2 x Pufferkondensatoren, Keramikkondensatoren 100