Temp.LMx35

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Wels, am 2015-05-10

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Temperaturen mit LMx35

Version:1.34 Copyright: RolfSüßbrich,Dortmund, 13.04.2013
Messen von Temperaturen mit Halbleitern LM 35 / 135 / 235 / 335
oder npn-Transistor

DasMessen vonTemperaturen mit elektronischen Mitteln hat einen gewissen Reiz:Heute sind ausreichend genaue Vielfachmessinstrumente zu minimalenPreisen verfügbar, im Supermarkt bekommt man manchmal schonfür einpaar Euro ausreichend genaue DMMs (Digitales Multi-Meter) angeboten.Muss man nun nicht ständig Temperaturen messen, sollte einVorsatz, dereine temperaturabhängige Spannung liefert, als Instrumentfür dengelegentlichen Einsatz ausreichen.

Mankann diese Schaltungen aber auch mit fertigen Volt-Meter-Modulenbenutzen. Diese werden vom Elektronikfachhandel mit einem Messbereichvon meistens 200 mV als LCD- oder LED-Module angeboten.

Auf dieser Seite sind jetzt nun ein paar Erfahrungen samtSchaltungenundBauanleitung zum Selbstbau aufgeführt.

Ergebnis: Man kann, etwas Aufwandvorausgesetzt,zu präzisenMessungenkommen. Unter präzise verstehe ich eine Abweichungvon±1 K vom Sollwert im Bereich 0 °C bis 100 °Cund Berücksichtigung der Investition.

Wie immer beim Messen von Temperaturen wird dietemperaturabhängigeVeränderung einerStoffeigenschaft ausgenutzt: Bei klassischen Thermometernverändertsich das Volumen der eingefüllten Flüssigkeit(Alkohol, Quecksilber)mit der Temperatur. Jedes Metall ändert seine elektrischeLeitfähigkeitmit der Temperatur, allerdings nur sehr gering.

Hier wird das Verhalten eines Transistors benutzt: DieBasis-Emitter-Spannung U_CB nimmt mit steigenderTemperaturum ca. -2 mV/K ab. Dabei ist das circa ernstzu nehmen: esliegtzwischen 1,9 und 2,5, jedenfalls nach meinen recht jungen Erfahrungen.Ändert man das Vorzeichen dieser -2 mV/K undverstärkt das ganze etwa5-fach, dann kommt man auf 10 mV/K. Diesen Spannungsanstieg kann mangutmit einem oben erwähnten DMM messen und hat also rechtpreiswert einThermometer, das eine Ablesegenauigkeit von 0,1 K aufweist. Soweit dieTheorie.

Abgleich derThermometervorsätze
Thermometer-Vorsatz mitTransistor,etwasaufwändiger, aber leichter zu eichen.
Praktische Erfahrungen

Thermometer-Vorsatz mit LM 35

Einsehr einfacher Vorsatz lässt sich zusammenbauen mit dem von vielenHerstellern angebotenen LM 35. Dieser ist schon lange verfügbar undbietet durch "on-the-chip" Abgleich theoretisch eine gute Genauigkeit.Diese wird allerdings in den Untertypen versteckt. Lt. Datenblatt von NS(11/2000) sind diese Untertypen spezifiziert:

LM35, LM33A: -55 °C <=> +150 °C ; LM35C, LM35CA: -40<=> 110 °C ; LM35D: 0 °C <=> 100 °C. Die Genauigkeit (undder Preis) sinken von links nach rechts. Kaum ein Händler wird uns dengeführten Untertyp nennen: Ausgewiesen wird der LM 35. Was wir dannerhalten, lässt sich nur am gelieferten IC (mit der Lupe) lesen.Hinweis: Falls Ausgewiesen, steht die Endung "Z" für das Plastikgehäuse.

Die Basis-Beschaltungen sind sehr einfach:

1) Die Minimalschaltung erlaubt eine Betriebsspannungzwischen 4 V und 35 V und liefert mit einer Steigung von 10 mV/K eineSpannung proportional zu °C am Ausgang A. Für 0 °C werden auch 0 Vabgeliefert. Das macht diese einfache Schaltungfür Messungen von nur positiven Temperaturen interessant. Sie kann auchfür die Verwendung an Analog-Digital-Konvertern interessant sein, wenndort auch die geringe Steigung des Messwerts unbequem sein könnte.

2) Hebt man den Fußpunkt an, hier mit zwei Silizium-Standarddioden umca 1,3 V, dann kann Vout bezogen auf Vref auch negativ werden, man kannalso auch negative Temperaturen messen.

Für beide Schaltungsarten gilt: Sie sind relativ bequem, nichtjustierbar und liefern für 100 °C 1 V als Spannung. Die Genauigkeitsollte für praktische Fälle eigentlich ausreichen und ist zwischen ±0,5 °C und ± 1,5 °C je nach Typ und Temperatur angegeben.

Das war mir aber zu ungenau und deshalb wurden die LM x35 ins Kalkül gezogen:

Thermometer-Vorsatz mit LM 335 (oder LM235 und LM135)

Seit vielen Jahren ist ein IC mit der Bezeichnung LM 335 auf dem Markt.Genau genommen ist es die billigste Ausführung der Baureihe LM135, LM 235, LM 335. Das Preisverhältnis dieser ICs ist, zumindest bei meinem Händler, 8,6 zu 1,6 zu 1.

Die technischen Daten sind recht unterschiedlich:

Allgemein: Der Unterschied im Messbereich:

LM 135: -55 °C bis +150 °C LM 235: -40 °C bis +125 °C LM 335:-40 °C bis +100°C

LM 135A,. LM 235ADie genausten Vertreter in ihrem Temperaturbereich
LM 135,LM 235, undLM 335A haben imjeweiligen Temperaturbereich identische technische Daten im Sinne der Genauigkeit.
LM 335ist der ungenaueste Vertreter der Gattung LM x35.

Hinweis: Falls Ausgewiesen, steht die Endung "Z" für das Plastikgehäuse.

Die abgeliefertePräzision bzw. der nutzbare Temperaturbereich steigt mitdem Preis; man sieht also, was eine spezielle Herstellung(Temperaturbereich), eine genaue Selektion oder ein genauerAbgleich kostet. In meiner Bastelkiste hatten sich ein paar LM 335angesammelt, und deshalb habe ich mit einem davon gearbeitet. Die hierdargestellten Überlegungen gelten aber für diegesamte Baureihe,deshalb die Bezeichnung LM x35. Es gibt diese auch im Metallgehäuse, dann steht der Gehäusesuffix H dafür (s. aber unten die Anmerkungen über Transistoren im Metallgehäuse.) Leider sind die LMx35er ICs nichtüberall erhältlich. Gibt es Beschaffungprobleme, dann.mussman eben versuchen, mit der unten genannten Transistorsonde zu arbeiten.

Das LM x35lieferteine mit der Temperatur um10 mV/K steigende Spannung. Es wird wie eine Zenerdiode beschaltet, s.nebenstehende Skizze. Der Nullpunkt ist auf den absoluten Nullpunkteingestellt, so dass, theoretisch, bei 0°C eine Spannung von2,7315 Van U_A anliegt. Misst man diese Spannung miteinem DMM, soliest man die Temperatur in K ab.

Der Vorschaltwiderstand richtet sich nach der Betriebsspannung U_b:Er wird so ausgelegt, dass ca 1mA (Datenblatt: 0,4 mA - 1,5mA) Messstrom durch den LM x35 fließt und errechnet sich mit (Ub- 2,7 V) /0,001 A. Geht man von einem Batteriebetrieb aus, dann sollte man dennächst niedrigeren Reihenwert der Widerstandsreihe nehmen.

Der Messstrom kann zum Problem werden: Über dem LM x35fällt eineelektrische Leistung an, die zwar recht gering ist, aber trotzdem zueiner gewissen Eigenerwärmung des Chips und damit zu einerFehlanzeigeführt, wenn z.B. Lufttemperaturen gemessen werden. Man kanndas nachdem Einschalten sehen: Die angezeigte Spannung steigt innerhalb wenigerSekunden um 3 mV ( = 0,3 K ) bis 5 mV ( = 0,5 K ) an.

In dieser Grundschaltung istdie absoluteund relative Genauigkeitgering: Anzeigefehler von mehreren K sind vorhanden und werden imDatenblatt auch angegeben. Sie ist deshalb nur für einüberschlägigesMessen geeignet. Außerdem kann die Temperaturnur in Kabgelesen werden.

Relative Genauigkeit:
Wie genau ist die Temperaturdifferenz zwischen zweiAnzeigewerten? Beispiel: sind die 4 K zwischen 22,5 °Cund 26,5 °Cwirklich 4 K, oder nur 3,8 K oder 4,2 K. D. h. verändert sichdieabsolute Genauigkeit mit der Temperatur ?

Absolute Genauigkeit:
Wie genau ist die angezeigte Temperatur im Vergleich zu einem absolutenWert? Beispiel: sind die angezeigten 25,2 °C wirklich25,2 °C und nicht24,6 °C oder 26,2 °C ?

LMx35 mit Justierung alsThermometer-Vorsatz


Die ICshabeneinen am dritten Beinherausgeführten Justierungsanschluss (Adjustment).Dieser wird lt.Datenblatt so wie nebenstehend beschaltet. Es wird von einem "One-SetAdjustment" gesprochen. Mit einer Einstellunglasse sich die Spannung U_Asoeinstellen, dass sie relativ genau der absoluten Temperatur / 100folgt. Man kann sich das Leben erleichtern, wen man für diesesPotieine Präzisionsbauform wählt. Die angebenen 10k sind ernst zu nehmen,mit höheren Werten scheint keine Steuerung mehreinzutreten. Im Zweifelsfall also eher etwas weniger Ohm als 10k fürdieses Poti. Der Grund für diese Hoffnung ist klar: Mit demJustierungsanschlusskann man die Verstärkung des IC-internen Verstärkerseinstellen, alsodie Steigung der Geraden bestimmen, mit der die Spannunggemäß deranliegenden Temperatur anwächst. Zu einem genauen Ergebnis käme man allerdings nur, wenn dieverlängerteGerade des Spannungsverlaufs bei y = 0 V die x-Achse bei -273,15°Cschneidet. Das ist leichtgesagt, aber offenbar schwer getan, denn es stellte sich heraus, dasses mitnichten damit getan ist, U_A bei25°C auf 2,98 V (2,73V + 0,25 V) einzustellen. Bei einer Abkühlung aufunter 10 °C wardieangezeigte Spannung schon mehr als 10 mV ( = 1 K ) neben der AnzeigedesReferenzthermometers. Diese noch einfache Beschaltung kann also höhereAnsprüche an Ablesegenauigkeit nicht erfüllen.Allerdings verbessert sichdie Genauigkeitenorm mit der im folgenden genannten einstellbaren Referenzspannung. Den Aufbau kann man zusammen mit der unten stehendenReferenzspannungsquelle leicht auf einer Lochstreifenplatine vornehmen.Zur Spannungsversorgung eignet sich eine 9 V - Blockbatterie. Ich habe,weil ich nicht jeden Tag messen werde, sogar eine Spannungsversorgungdurch ein Steckernetzteil vorgezogen, weil die Batterie sicher eher anAltersschwäche als an Erschöpfung ihren Dienstquittiert. Das IC wirdmit einem 3 - poligen dünnen Kabel angeschlossen.
Nun, werverlangt,dass wir die über dem LM x35 liegende Spannung immer gegenMasse, unddamit absolut, messen? Im Datenblatt gibt's eine Idee, sich eine Referenzspannung von2,73 V zuerzeugen, und dann U_A gegen diese Spannung zumessen. Unddiese Spannung muss, so das Datenblatt, genau auf 2,7315 V eingestelltwerden! Keine Panik, niemand muss jetzt ein Voltmeter mit einerAnzeigegenauigkeit von 5 Stellen kaufen! So hypergenau muss es nichtsein, und es wäre auch wieder nur eine Pseudogenauigkeit,siehe weiterunten. Diese Hifsspannung kann man recht einfach mit einem Spannungsregler LM317Lundnebenstehender Schaltungerzeugen. Die Referenzspannung kann damit zwischen 2,4 V und 3,2 Veingestellt werden. Vorsicht beim Umdimensionieren: Am Ausgang 3 desICs müssen ca. 3 mA abgenommen werden, damit dieStabilisierung richtig läuft. Eine Alternative zum LM 317 ist das TL 431 (s.u.). Es kommt schon mit 1 mA zum stabilen Arbeiten undkönnte, da die Stabilisierung etwas anders abläuftals mitdem LM 317, eine Batterie schonen.. Die genaue Einstellung auf 2,7315V führt nicht zu einer genauen Temperaturanzeige, weil dieinterneGenauigkeit des LM 335 Z(Zist die Ausführung imPlastikgehäuse) absolut unzureichend ist. Wir haben jetzt diebeiElektronikern gefürchtete"Multipotentiometerschaltung", und diese muss abgeglichen werden. Wiedieses relativ gut und verblüffend genau geht, dazu gleichmehr. Mit dieser einstellbaren Referenzspannung kommen wir zu einer sehr präzisenAblesegenauigkeit derTemperatur. (s. auch Schaltung mit TL 431 weiter unten)
Rechts die aufgebauteSchaltung auf Lochrasterplatine Oben der "externe" LM 335Z, der mit einem 100 cm langen Dreifachkabelmit der Schaltung verbunden ist. Der große schwarze IC ist eine weitere Alternative zu dengenannten Stabilisierungs-ICs, abernur beiVersorgungsspannungen über 12V: Der gute alte µA723. Davon wareneinige inder Bastelkiste. Wenn ich die Datenblätter richtig verstehe,dann hatdieser sogar eine wesentlich bessere Temperaturstabilitätfür dieReferenzspannung als der LM 317L. (Abb.: Deckel entfernt.)
Und noch 'ne Schaltung: DieErfahrungen und Neugier haben mich verleitet, einmal in einen teuren LM135 zu investieren. Außerdem wurde als Referenzelement für dieHilfsspannung von 2,7315 V auf den TL 431 zugegriffen. Die für das gesamte gültige Minimal-Schaltung siehe links. Die Erfahrungen: Stellt man hier mit dem 500 Ohm Poti U_refauf 2,73(15) V ein und justiert dann mit dem 10k-Poti auf einebeliebige Temperatur ein, dann liegt man auf Anhieb schon sehr vielnäher an den wirklich richtigen Werten als mit einem LM 335Z. Esscheint sich also schon auszuzahlen, in einen LM 335A, LM 235 oder LM135 zu investieren, so man diese bekommt. Zu Messergebnissen s. unten.
Abgleich mit hoher Präzision: DieEichung Der Abgleich einer Messeinrichtung bedeutet immer ein Beobachten undJustieren des Messgerätverhaltens an wohl definiertenPunkten. DerReferenzpunkt für 0 °C Für Temperaturen ist ein sehr gut definierter und sehr leichtherstellbarer Referenzpunkt der 0 °C Punkt (eigentlich ist esdersogenannte Tripelpunkt von 0,01°C , bei dem sich Wasserdampf,Wasserund Eis treffen, die drei Aggregatzustände). Diese Temperatur kann man wie folgt leicht herstellen: Man friert einkleine Menge(z. B. ein KB-Film-Döschen zu 7/8 voll) entmineralisierten Wassers ("DestilliertesWasser" aus dem nächsten Super- oder Drogeriemarkt) ein. Als Gefäß für die Lösung benutzenwir eine Thermoskanne,wie sie in vielenHaushalten zum Warmhalten von Kaffee zu finden ist, und die erst einmalgut ausgespült wird. Hier kommt der Eiszylinder ausdemineralisiertem Wasser hinein, und in etwa die selbe Menge(nicht vielmehr!) an demineralisiertem Wasser kommt hinterher. DieseEis-Wasser-Mischung wird dann ein paar Minuten lang durch Pendeln derKanne bewegt. Dann hat die Mischung mit hoher Genauigkeit 0 °Cerreichtund wird diese Temperatur lange halten. Bei mir dauerte esüber 2 h,bis der Eiswürfel geschmolzen war. Beim Messen die Kanne immerwiederpendelnd schütteln. Der Referenzpunkt fürca. 36 °C Nach Vergleichen mit so genannten "Präzisions-Thermometern" fürFarbfilm-Entwicklungsprozesse und immer stärker werdenden Zweifelnander Genauigkeit dieser Thermometer ist mir dann maleingefallen,dassmit hoher Wahrscheinlichkeit in den meisten Haushalten ein sehr genauesThermometer vorhanden ist. Meines trägt sogar eineEichbanderole: Ein Fieberthermometer!Der Eichort fürunseren Sensor istdie Achselhöhle, denn unser Körper liefert diepassende Temperatur unddie Achselhöhle ist unter normalen Umständen einrecht isothermer Ort.Also beim Eichen nicht unbedingt ständig Kniebeugen machen! Der IC wird eingepackt, wenn's in die Achselhöhle geht Der IC kann mit "nackten" Beinen, also noch unversiegelt (s.u.), ohneProbleme in die 0 °CReferenzlösung gesteckt werden: Demineralisiertes Wasser hateinen sehrgeringen Leitwert, der geringe Leitwert ist sogar eineQualitätsangabefür demineralisiertes Wasser. Wenn es aber in die Achselhöhle geht, dann sollte man den ICetwaseinpacken, ich habe dazu ein kleines Plastiktütchen benutzt.Grund: Derimmer vorhandene Schweiß ist chemisch recht aggressiv undauch ziemlichsalzig. DieseUmgebung, geringsteMengenreichen, bekommt"nackten"IC-Beinen und Lötstellen gar nicht. Sie korrodieren, und dasmanchmalerst sehr lange Zeit nach dem Kontakt mit den Schweiß. DasSalz führtzu einer elektrisch leitfähigen Umgebung und führtdeshalb zuFehlmessungen. Der Sensor am Draht bleibt natürlich untermArm wenndas Fieberthermometer herausgezogen wird. Zuerst die Steigung der Geradeneinstellen. Das ProblemdesAbgleichs ist, dass wir den Referenzpunkt des LM x335 nicht erreichenkönnen: Der absolute Nullpunkt ist nicht mal so nebenbei zuerreichen, nochwürde das IC dort arbeiten. Wir müssen alsoan beidenReferenzpunkten immer wieder messen, weil die Verstellung der Steigungsofort beide Messpunkte beeinflusst. Deshalb meine Empfehlung: Zuerst wird nur an derSteigung derGeraden gedreht, d. h. an dem 10k-Poti parallel zum LM x35, bis immerdie selbe Abweichungvon der "richtigen Temperatur" bei 0 °C und dem mitdenFieberthermometer gemessenen Wert eingestellt wurde. Dasbenötigt eineganze Reihe von Messungen im Eiswasser und unter der Achsel. Daraufachten, dass Fieberthermometer und LM x35 möglichst anderselben Stellein der Achselhöhle zu liegen kommen. Hat manschließlich dieEinstellung des 10k-Potis so hinbekommen, dass die Abweichung beibeiden Messpunkten die selbe ist, dann dreht man an einem der beidenPunkte an dem 500Ω-Poti der Referenzspannungserzeugung, bisder genaueTemperaturwert erreicht ist. Die Gerade wird dadurch nur in der Y-Achseverschoben, ein eher unkritischer Vorgang. Das Ergebnis: Ein hoch genauesThermometer Nach derJustierunghaben wir einen DMM-Vorsatz erhalten, mit dem wir Temperaturen vomTiefkühlfach bis zum kochenden Wasser eigentlich sehr genaumessenkönnen, jedenfalls sehr viel genauer, als mitgängigentraditionellen preiswerten Thermometern. Und da unserMessfühler klein und beweglich ist,könnenwir an Orten Temperaturen messen, die uns mit traditionellenThermometern verschlossen bleiben. Also eigentlich ein großerGewinn!

DieAlternative: Thermometer-Vorsatzmit Transistor als Sensor

NachdenErgebnissen mit dem LMx35 schien es interessant, auch malauszuprobieren, ob nicht auch ein normaler npn-Transistor alsWärmesensor zu brauchbaren Ergebnissen führt. DieBasis-Emitter-Spannung bei konstantem Basis-Emitter-Stromfällt um ca.-2 mV/K. Andere Quellen reden von -2,2 mV/K. Die geraden Linien inmanchen Datenblättern machen glauben, dass dieser Wert rechtlinear von der Temperatur abhängt. Leider ist demnicht so.

Die Schaltung (bei Bedarf Foto unten mit Doppelklick laden und Drucken)miteinem normalen npn-Transistor als Fühler ist zwaretwas aufwändiger als mit einem LMx35, ist dafür aberwesentlichleichter zu eichen. Auch diese Schaltung wurde als"Bastelkisten-Projekt" angegangen, d.h. es sollten keine speziellenTeile benutzt werden. Ein Nachbau sollte also ohne Problememöglichsein. Als Messtransistor kann jeder npn-Typ benutzt werden, bei mir wares ein BC238B bzw. später ein SMD-Transistor.

Die Auslegung erfolgt wieder auf einen Batteriebetrieb mit einer9V-Blockbatterie. Mit einem LM317L besorgen wir uns einen konstantenStrom von ca. 3 mA, dieser wird durch R1 eingestellt. DieBetriebsspannung für die Operationsverstärkerentnehmen wir direkt derBatterie. Die Verstärkung der OPVs ist nur in sehr geringemMaßeabhängig von Änderungen der Betriebsspannung, diesich mit der Zeitetwas reduziert. Die Schaltung sollte für Spannungen bis 7,2V einwandfrei laufen, ein Wert, den auch eine teilentleerte 9 V-Blockbatterie nicht unterschreiten sollte.

Der Spannungsteiler R1 - P1 - R2 - R3 legt die notwendigenReferenzspannungen fest:

Über R3 bleiben ca. 3 V stehen. Diese Spannung steuert dieum V1aufgebaute spannungsgesteuerte Konstantstromquelle. Über R4stehtdieselbe Spannung wie über R3. R4 ist mit 33k weitausgrößer als R3, sodass hier nur ca. 100 µA fließen. C1sollte dieSpannung glätten und Schwingungen verhindern. Das ging bei den OPsMC1458 und LM358 noch gut, bei den anderen unten genannten diente erjedoch dem Schwingungsaufbau! Weglassen, oder wer schon nachgebaut hat:rausnehmen! Je geringer dieStromstärke durch den Sensor,um so geringer die im Sensor erzeugte Eigenleistung. Diese macht in denLMx35 bei Messungen in z. B. Luft schon merkbare Probleme. Am Ausgangvon V1 bzw. den kurzgeschlossenen Basis-Kollektor-AnschlüssendesTransistors liegt also eine Spannung an, die mit ca. -2 mV/K sinkt.

R2 hebt den Fußpunkt des darüber liegenden Potis P1um ca. 360 mV an,während über dem Poti P1 ca. 300 mV stehen. DiesesPotenziometer dientdem Null-Abgleich.

DerSchleifer des Potis P1 liegt am nicht invertierenden Eingang desinvertierenden Verstärkers V2, dieser setzt die sinkendeSpannung amMesstransistor in eine steigenden Spannung von 10mV/K um. Mit dem PotiP2 wird genau die Steigung des Spannungsanstiegs eingestellt. DieSpannung U_R für 0 °C wird mitden "-"-Eingang desMessinstrumentsverbunden, der Ausgang des V2 (U_A) mit dem"+"-Eingang.

Der Nachbau geht wegen der geringen Teileanzahl recht gut aufLochrasterstreifenplatine (s. Foto unten). AlsOperationsverstärker V1/V2eignen sich viele 2-fach-Operationsverstärker, getestet wurden MC1458, LM 358, NE5532, TL072, TLC27L2(CP) (und damit war mein Vorrat am Ende.) Wiedie erste, ist auch diese Schaltung so klein, dass sich z. B.Schraubenkästchen als Gehäuse eignet.

Bei dem von mir verwendeten Transistor beträgt dieTemperaturabhängigkeit - 2,5 mV/K

Eine mit PSPICE gerechnete Nachprüfung (mit realemTransistormodell) zeigt die Tabelle. Für den weitenTemperaturbereich ist die Genauigkeit doch recht ansprechend.

Wie man weiter unten sehen kann, wurdemit mehrerenMessfühleranordnungen experimentiert.

Das Ergebnislässt sich so zusammenfassen:
DieLinearität desLM x35 lässt sich mit der angegebenen Schaltung mit demTransistorals Fühler nicht erreichen. In der Gleichung für dieBasis-Emitterspannung steht (leider) der Sperrstrom, und dieser istnicht-linear temperaturabhängig, und deshalb sind esdie realen Schaltungen noch mehr. Man kann sehen, dassfüreingeschränkte Temperaturbereiche die absolute und relativeGenauigkeit der Messung mit Transistor durchaus sehr gut sein kann,aber über den Bereichvon0 °C bis 100 °C schon mit erheblichen Abweichungen zurechnenist.

Geht es also um den vollen Temperatur-Bereich: "The Winner is LM x35"!.

Geht esaber um beschränkte Bereiche, um hoheAnsprechgeschwindigkeit, oder Messungen in Gasen mit geringenoderkeinen Bewegungen, dann kann es durchaus Sinn machen, mitSMD-Transistoren zu arbeiten, weil diese wegen der sehr geringenEigenmasse und der geringen Eigenerwärmung genauere Ergebnisseliefern. Notfalls muss man halt eine "Abweichungskurve" erstellen unddiese mit Programmen auswerten.

Nunsind Anfragen eingelaufen, wie man denn in einem engeren Bereich, z.B. von 20°C - 25°C mit einer hohen Auflösung
Temperaturen messen kann.Und dazu noch mit einer Spannungsversorgung von 5 V wie z. B. übereinen USB-Anschluss.

Dieses lässt sich mit einer leichten Variation derobigen Schaltung erreichen:

Diesesmal wird ein TL431A zur Erzeugung der Referenzspannungen benutzt. Die2,5 V des Referenzeingangs werden auch als Regelspannung für denKonstantstrom durch T1 u. R5 benutzt. Die an T1 der Temperaturentsprechend sinkende Basis-Spannung wird mit dem um Q2 aufgebauteninvertierenden Verstärker erheblich verstärkt (hier mit ca. 500). DerEinsetzpunkt des linear verstärkten Spannungsbereichs wird mit demSchleifer auf R9 eingestellt (Nullpunkt).

Der Versuchsaufbau auf einem Steckbrett lief sofort. Mit demgezeichneten Wert von 500k für R7 durchläuft der Ausgang den Bereichvon 0 V - 3,6 V für 21,7 °C bis 25,5 °C (gerechnet). Die praktischePrüfung zeigte: Der genannte Spannungsbereich wurde relatv schnell nachBeginn einer Bestrahlung mit einer 50 W Quarzlampe durchlaufen.

Das Poti R7 mit 500 k ist symbolisch zu verstehen. Die invertierende Verstärkungwird durch das Verhältnis R7 / R6 bestimmt. Es lässt sich deshalb inweiten Grenzen einstellen. Es kann sinnvoll sein, diese Poti durcheinen Festwert + Poti zu ersetzen, also z. B. 390 k Festwert + 200kPoti, um genauer einstellen zu können.

Zum Eichen, also zum Einstellen der Temperaturgrenzen, geht man so vor: Der Transistor T1 wird auf den unteren Wert desauszuwertenden Temperaturbereichs gebracht. Dann wird an R9 gedreht,bis ein Ansteigen von V_out festgestellt wird. Nun wird T1 auf denoberen Temperaturwert gebracht und an R7 gedreht, bis V_out leicht unterder Aussteuerungsgrenze steht.

Die Speisespannung kann auch höher als 5 V sein. Zu beachten ist dieWahl des Operationsverstärkers: Hier wurde ein LM 358 benutzt, dessenAusgangsspannung nicht größer als (Ub - 1,5 V) werden kann. Denkt manan eine Auswertung mit einem ADC, dann kann man die Spannung V_ref, diebei der gezeigten Dimensionierung bei ca. 3,6 V liegt, falls möglich,an den V_ref+-Eingang des ADCs legen, um die Auflösung zu erhöhen. Willman den "Swing" des Verstärkers erhöhen, setzt man einen Rail-to-RailVerstärker (TS 912, LT1498, ...) ein. Genaueres hier.

Diese Schaltung ist die "allgemeine" Lösung für eine Schaltung mit Null als Referenz für den Ausgang.

Anklickendes Fotos lädt ein Platinenlayoutund ein paar Bautipps.

DieEichung
Der Eichung ist viel einfacher als bei der Lösung mit demLMx35: Zuerstwird mit dem Eis-Wasser-Gemisch an P1 die Anzeige am Messgerätauf 0eingestellt. Dann wird mit dem Fieberthermometer gemessene Temperaturdurch Drehen an P2 auf die Anzeige des DMM gebracht. Also keinegroßeFummelei wie mit dem LM x35!
Allerdings gibt es dabei eines zu berücksichtigen: Ist einegroße absolute Genauigkeit, sagen wir im Bereich 0 °Cbis50 °C, gewünscht, dann sollte man die Eichung sovornehmen, dassdie mit dem Fieberthermometer gemessene Temperatur auch angezeigt wird.Wird man jedoch später eher im Bereich 0 °C bis 100°Cmessen, dann könnte es praktischer sein, dieKörpertemperatur0,2 K bis 0,3 K unter den mit dem Fieberthermometer angezeigten Werteinzuregeln. Wegen der durchhängenden Kennlinieerhält mandann bei höheren Temperaturen Meßwerte etwasnäher am"richtigen" Wert.

Versiegelung derLötanschlüsse anden Messfühlerbeinchen.
Der besondere Charme dieser elektronischen Thermometer ist, dass manTemperaturen in einem Bereich von -40 °C bis +100 °Cund mehr an Ortenmessen kann, die mit normalen Thermometern nicht zugänglichsind. Willman in Flüssigkeiten oder anderen Orten messen, die nichtgeradeZimmerbedingungen haben, muss man die Lötanschlüsseversiegeln. Wie man sehen kann, habe ich nach reiflicherÜberlegung die Beinchen des Transistors ( bei mir ein BC238B )unddes LM 335Z auf ca. 3mm gekürrzt. Die Lötstellenwurden dannmit Pattex Repair Extreme Power Kleber versiegelt.

Um zu sehen, ob die Ansprechgeschwindigkeit bei reduzierter Eigenmassedes Sensors angehoben werden kann, habe ich noch mit zwei ausgebautenSMD-Transistoren experimentiert. Der Erste wurdenoch aufein dreipoliges Kabel "geklebt". Und in der Tat war dieAnsprechgeschwindigkeit dieses Winzlings deutlich höher alsderbeiden "dicken" Kollegen. Die ultimativeEigenmassenreduzierungsieht man rechts: Der SMD-Transistor ist mit dünnem Draht (dieDrähtchen sind aus der Abschirmungswicklung eines Diodenkabelsgezupft ) angeschlossen. Deutlich kann man denEmitterabschluss unddieverbundenen Basis- und Kollektor-Anschlüsse sehen. Auch dieseAnordnung wird wieder mit dem genannten Kleber versiegelt, wobei dieobere und untere große Fläche desTransistorgehäusesfrei bleiben soll, um einen ungestörtenWärmeübergang zuerreichen. Wie auch noch zu sehen ist, habe ich versucht, die Ecken desTransistorgehäuses abzufeilen, allerdings ohnegroßen Erfolg, denn man stößtsofort auf dieBleche der Beinchen im Gehäuse. Der Freiraum zwischen KabelundTranstor musste beim Versiegeln mit Kleber noch mit eine klitzekleinenStück Glasfaserunterstützt werden, um eine ausreichende Stabillitätzuerreichen.

Es dürfte nicht sehr intelligentsein, dengesamten Messfühler mit z. B. Polyester oder2-Komponentenkleber zuumhüllen, weil dann der Masse erhöht und damit dieReaktionsgeschwindigkeit auf Temperaturänderungen reduziertwird. DieseReaktionsgeschwindigkeit kann man ggf. noch dadurch erhöhen,dass mandas Gehäuse mit einer Feile an der runden, im Fotohinteren, Seite "platt" feilt.AberVorsicht: Erwischt mandabei eines der hauchdünnen im Gehäuse eingegossenenAnschlussdrähtchen, dann ist der Fühlerhinüber.

Transistor mitMetallgehäuse? Besser nicht!
Beim ersten Aufbau der Schaltung habe ich versuchsweise einenTransistor mit Metallgehäuse (BC108) benutzt. DieWärmeleitung inMetall ist wesentlich besser als in Kunststoff, also eigentlich solltedie Messung schneller sein! Der erste Test wardann, den Finger auf das Gehäuse zu drücken. DieReaktion auf dieTemperaturänderung war aber wesentlich träger! Grund:Das Metallgehäusehat auch eine wesentlich höhereWärmekapazität als dasKunststoffgehäuse. Will man also Temperaturen in Gasen (Luft)messen,dann ist man offenbar mit dem Kunststoffgehäuse weitaus besserbedient.Überdies isoliert der Kunststoff elektrisch. DasMetallgehäuse würdeeinen metallischen Messgegenstand auch auf Kollektor-Basis-Potenziallegen, mit der Gefahr eines Kurzschlusses gegen Masse. Vieles sprichtalso für das Kunststoffgehäuse.

Transistoranschlüsseunbekannt? Soprüft man diese aus: Klicken!
PraktischeErfahrungen:

Mit beiden Schaltungen kommt man zu meines Erachtens sehrzuverlässigenMesswerten. Der LMx35 reagiert auf Temperaturwechsel sichtbar schnellerals der Messtransistor BC238, offenbar ist der WärmewiderstanddesGehäusesgeringer. Die SMD-Transistoren sind jedoch die Mess-Sprinter! Durch diehohe Genauigkeit der beiden Fixpunkte glaube ichden gemessenen Temperaturen wesentlich mehr als meinen klassischenThermometern.

Das Vergleichen mit Standardthermometern lehrt einiges überThermodynamik. Ich habe meine beiden Standardthermometer und dieSensoren mit etwas Klebeband zu einer Einheit verbunden, so dass dieThermometerspitzen und die Sensoren sich an etwa demselben Ortbefanden. Nach einer Weile hatten sich alle auf Raumtemperatureingestellt, wobei festzustellen ist, das der LMx35 eigentlich nursofort nach Spannungsaufgabe sich z.B. auf 23,2 °C einstellt,dann abernoch um 0,3 - 0,5 K anwächst, was auf dieEigenerwärmung durch denMessstrom von 1 mA zurückzuführen ist. Dieser Sensorist also fürkontinuierliche Messungen in Gasen mit geringer Bewegung eigentlichnicht geeignet. Man müsste ihn z. B. über einenMikroprozessoranfahren, in dem man einen Ausgang auf 1 legt, die Messungausführt,was nur wenige Millisekunden in Anspruch nimmt, und dann wiederfürmehrere Sekunden abschalten. Der Transistor ist wegen des geringerenMessstroms und der geringeren Spannung ( ca. 0,5 V) weitaus geringerdurch Eigenerwärmung belastet.

Legt man jetzt dieses Bündel z. B. auf einenZimmer-Heizkörper, dannsieht man, dass der LMx35 am schnellsten reagiert und dergroße Transistoretwas hinterherhinkt. Das Erreichen der Endtemperatur ist aber eineSache von nur wenigen Sekunden. Die Thermometer reagieren wesentlichträger auf die am Heizkörper aufsteigende Warmluft.Dieses ist auf diewesentlich höhere Wärmekapazität derThermometer, insbesondere einesmit Quecksilber gefüllten, zurückzuführen.Haben die Thermometer dieEndtemperatur erreicht, liegt der Messwert aber wesentlichhöher alsbei den elektronischen Kollegen. Warum? Das Glasgehäuse derThermometerhat Kontakt mit dem Heizkörper und nimmt deshalb durchWärmeleitungfast die Temperatur des Heizkörpers an. Die Sensoren liegenaber nur imStrom der aufsteigenden Warmluft, und diese hat nicht die Temperaturdes Heizkörpers erreicht. Legt man nun zuerst eineWärmeisolierung aufden Heizkörper, ich habe dazu eine leere CD-Hüllebenutzt, und lässtdie Thermometerspitzen samt Sensoren über den Randhinausragen, dannliegt alles im reinen Luftstrom und am Ende sind die Anzeigen fastgleich. Man sieht also deutlich: Eine Temperaturmessung ist einAusgleichsvorgang, bei dem das Messgerät die Temperatur des zumessenden Mediums annehmen muss. Und zur Beurteilung desMessergebnisses muss man sich schon etwas Gedanken über dieMessumgebung machen. Ist das Messgerät schwer, wie z.B. einQuecksilberthermometer, dann erfordert das eine merklicheWärmeaufnahmeaus der Umgebung, und das dauert seine Zeit, wenn die Umgebung nur einegeringe Wärmekapazität hat, wie z.B. Luft. Luft ist einguter Wärmeisolator mit geringer Wärmekapazität.

Linkseinige Messergebnisse: Opfer waren die beiden auf dieser Seite bishervorgestellten Schaltungen, ein normales Laborthermometer -10 °Cbis 150°Cund ein Thermometer für Farbfilmentwicklungsprozesse. Da ichnichtwissen kann, welches das korrekteste ist, habe ich für dieDarstellungmal die Abweichungen zur der mit dem LM 335 gemessenen Temperaturaufgetragen.

Was sieht man: Ich bin offenbar ein schlechter Thermometerableser, denndie Sprünge in der violetten Kurve machen nicht viel Sinn,aber es istauch schwierig, auf einer 1 °C-Skala Zwischenwerte abzulesen. DasTransistormessgerät hat leider einen exponentiellen Anstieg desMessfehlers im Bereich über 60°C, davor liegen dieWerte mit dem LM 335eigentlich gut zusammen. Und die Kurven beider traditionellenThermometer haben dieselbe, oder stark ähnliche, absteigendeTendenz.Das macht mich noch etwas nachdenklich. Sollte das LM335 u.U. selbsteine etwas steigende Tendenz haben? Dann wäre dasMessgerät mitdem Transistor eigentlich nicht mehr ein "präzises"Instrument. DieGrafik macht auch deutlich, was ich unter "präzise" verstehe:EineAbweichung unter 1K über einen weiten Temperaturbereich.

Einweiterer Mitstreiter: Bei ELV (elv.de) gab es früher mal einen"Temperaturmessvorsatz für Multimeter" als Bausatz für ca.€ 12. (Artikel-Nr: 6819177). Daten: von -20 °C bis +100 °C mit 10 mV/Kund einem "Linearitätsfehler des Sensors" von ± 0,1 K. Der Preiswar OK, angesichts einer gedruckten Platine und des Lieferumfangs.Allerdings kommt ein leichtes Stirnrunzeln angesichts der genanntenGenauigkeit hoch, denn der Sernsor basiert auf einem PTC-Fühler derBaureihe KTY 81-121.Das Datenblatt zeigt aber, dass der Widerstandsverlauf dieses Sensorsnun nicht linear mit der Temperatur ist. Tietze-Schenk liefert einrecht umfangreiches Kapitel über die mögliche Linearisierung diesesVerlaufs. Die ELV-Schaltung folgte diesen Vorschlägen recht genau. Damiterreichte man wahrscheinlich eine recht genaue Folge derAusgangsspannung bezogen auf den temperaturabhängigen Sensorwiderstand,aber die Spannung (bzw. deren Ablesung als Temperatur) kann nicht ± 0,1 K genau auf die tatsächlich vorliegende Temperatur sein. Manmuss eben genau hingucken, wie die Spezifikation lautet. Damit sollaber nun nicht gesagt sein, dass dieser Vorsatz unbrauchbar ist.
Ein paar Anmerkungen über die Linearisierung der KTY's auch hier.

DieKurven links zeigen nochmals Vergleichsmessungen: Die drei Teilnehmerwaren: Die oben gezeigte Schaltung gmit dem LM 135 / TL 431; DieBasisschaltung mit dem LM 335Z im roten Kästchen oben, und dieELV-Platine.

Die "neuen" Schaltungen (LM135 und ELV) wurden erst einmal wie obenbeschrieben bei 0 °C und ca. 36 °C geeicht und dann noch einmal ineinem Messzyklus von 0 °C bis 100 °C zusammen mit dem LM335Zunterworfen. Links sehen wir die Messungen bei ansteigender Temperatur,rechts, nachdem die ELV Schaltung bei kochendem Wasser auf denselbenWert wie die Anzeige des LM 135 nachjustiert worden war, Messungen imabkühlenden Wasser. Aufgetragen ist die Anzeigedifferenz zu derAnzeige des LM 135 .
Der Interpretation macht etwas nachdenklich: Genauigkeiten im Bereichvon zehntel Graden sind wohl nur sehr schwer herzustellen, schon dasgleichzeitige Ablesen von drei Messinstrumenten ist wohl schwierigerals gedacht. Die drei Sensoren befanden sich nahe beieinander, sagenwir mal, innerhalb des Volumens eines Zuckerwürfels. Die Kaffeekannemit dem Wasser und dem kleinen Tauchsieder wurde konstant geschwenkt,um ständig Bewegung und damit isotherme Verhältnisse in der Kanne zuhaben. Bei Temperaturen bis 60 °C wurde der Strom für den Tauchsiederimmer wieder für die Messung abgeschaltet und erst dann abgelesen, wenndie Anzeige für den LM 135 einn paar Sekunden konstant war, d.h. dieRestwärme des Tauchsieders nach dem Abschalten ins umgebende Wassergeflossen war. Bei höheren Temperaturen war der Energieverlust durchdie Öffnung der Kaffeekanne so groß. dass ein Stillstehen der Temperaturbei ausgeschaltetem Tauchsieder nicht mehr erreicht werden konnte; miteinem Dimmer wurde dann der Strom reduziert, bis die Temperatur einpaar Sekunden konstant blieb, und dann abgelesen. Der KTY81 zeigte einegroße Empfindlichkeit auf die Bewegung der Messanordnung: Solange dieKanne nicht bewegt wurde, zeigte dieser Fühler eine deutlich ( 1 bis 2 K )niedrigere Temperatur an als nach der Bewegung. Die LM x35 Kollegenwaren hier nicht so empfindlich.

Vergleicht man den Verlauf der oberen Kurven in beiden Diagrammen, dannsieht man die Schwierigkeit, reproduzierbar Temperaturen bestimmen zukönnen. An den Werten der Schaltung wurde nichts geändert: Das linkeBild zeigt die ansteigende Temperatur; der Tauchsieder wurde immerwieder für 12 sec eingeschaltet, was ca. 5 K Temperaturerhöhungbedeutete. bei 100 °C (Exakte Anzeige 100,3 °C) kochte das Wasser eineWeile. In dieser Zeit wurde das ELV Gerät nachjustiert (auf 100,3 °C).Danach zeigte das LM 335Z aber 100,8 °C an! (?). Auf dem rechtenDiagramm sehen wir dann die Abkühlung, es dauerte ca. 2 h bis in derThermoskanne die 40 °C vorhanden waren. Theoretisch sollte der Verlaufder beiden oberen Kurven in etwa gleich sein, er ist es aber nicht.Auch die starken Ausschläge des KTY 81 sind eigentlicht nicht sorichtig erklärbar.

Die alte Regel: Wer misst, misst Mist! gilt wohl auch wieder hier.Meine Schlüsse aus diesen ganzen "Forschungsarbeiten" sind:Temperaturen reproduzierbar zu messen istwohl alles andere als leicht, zumindest dann, wenn es auf's zehntelGrad genau sein soll, von höheren Genauigkeiten ganz zu schweigen. DieMessanordnung spielt eine sehr große Rolle. Die realen Genauigkeitender Sensoren sind von den in Datenblättern angegebenen wohl sehrverschieden. Im normalen Alltag spielt eine solch hohe absoluteGenauigkeit aber auch keine Rolle. Aber ich bin jetzt viel skeptischerals früher (wo ich schon immer als Pingel galt), wenn jemand auf'sThermometer guckt und sagt, wir haben 23,2 °C, oder 70,8 °C, oder ...Wieviel + und - hätten's denn gerne?


Version:1.34 Copyright: RolfSüßbrich,Dortmund, 13.04.2013

Quelle: http://www.suessbrich.info/elek/elektherm1.html#Erfahrung

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