# Aufbau eines Prüf- und Kalibrierplatzes für eine Temperaturmesssonde

### Zeit- und Arbeitsplan

| Datum | Ziel |
| -------- | ------------------- |
| 22.01.21 | Schaltung verstehen |
| 29.01.21 | benötigtes Material ermitteln |
| 05.02.21 | Schaltung mit FluidSim simulieren |
| 12.02.21 | Protokoll erstellen |
| 19.02.21 | Prüfung der Arbeitsergebnisse |

#### Meilensteine

##### 22.01.21
Schaltung und Komponenten verstehen, Wirkungsweise der Bauteile. Datenblatt nachschlagen
##### 29.01.21
Benötigtes Material und deren Funktion ermitteln
Definition ermitteln von "Kalibrieren"
##### 05.02.21
Simulation der Schaltung in FluidSim, Schaltung messen
##### 12.02.21
Ergebnisse formulieren und protokollieren
##### 19.02.21
Prüfung aller Ergebnisse, evtl. berichtigen

### 22.01.2021 Schaltung analysieren und verstehen

#### Komponenten und ihre Funktion

##### Spannungsquelle
Versorgt die Schaltung mit Spannung von 12V - 15V.
##### D2 Diode 1N4148

-Wird üblicherweise in Durchlassrichtung betrieben
-Hochgeschwindigkeits-Kleinsignal-Umschaltdiode
-Stabilisiert Eingangsspannung ab 0,7V bei veränderlichem Strom
-Kann Temperaturen von -50°C bis +200C° ab
-Maximale Spannung von 100V

##### R3 Widerstand von 120 Ohm

-Der Widerstand R3 dient als Vorwiderstand um die Eingangspannung zu begrenzen.
##### P1 Potentiometer 0 Ohm - 20k Ohm

-Veränderbarer Widerstand, lässt sich von 0 Ohm bis 22k Ohm einstellen.
-Besitzt 3 Anschlüsse, zwei für den Widerstand, einen für den Abgriff.
-Dient zur Schaltungsanpassung

##### NTC1 Widerstand mit Negativem Temperaturkoeffizient

-Heißleiter
-Leitet den elektrischen Strom bei hohen Temperaturen besser als bei tiefen Temperaturen
-Geringe Toleranz
-Halbleiter
-NTCs aus Metalloxiden bestehen üblicherweise aus mit Bindemitteln versetzten, gepressten und gesinterten Metalloxiden von Mangan, Nickel, Kobalt, Eisen, Kupfer oder Titan
-NTCs dienen als Temperatursensor, werden aber auch zur Einschaltstrombegrenzung verwendet

##### R2 Widerstand mit 22k Ohm

-Der Widerstand R2 dient zur Begrenzung der Ausgangsspannung.
##### R4 Widerstand mit 15k Ohm

-Der Widerstand R4 dient zur Begrenzung der Ausgangsspannung.
##### D1 Z-Diode

-Wird in Sperrrichtung betrieben
-Stabilisiert die Spannung bei großen Stromänderungen oder bei Lastschwankungen
-Beginnt in umgekehrter Richtung zu leiten sobald die Sperrspannung einen vorgegebenen Wert erreicht
-Bei Übersteigung der Nennspannung des angeschlossenen Geräts tritt in der Halbleiterschicht der Zener-Diode der Lawinendurchbruch auf, der den Spannungsanstieg begrenzt
-Stabiler Spannungspunkt der Diode wird Zener-Spannung genannt

##### OUT+ und OUT-
-Abgriffe zur Messung der Spannung

#### Funktion der Schaltung

##### Skizze

##### Funktionsbeschreibung
Der Spannungsquelle werden 12 - 15 Volt entnommen. Die 1N4148 Diode leitet den Strom zum Widerstand R3, der die Spannung als Vorwiderstand begrenzt. Der NTC ändert seinen Widerstandswert in Abhängigkeit der Temperatur die gemessen wird. Mit dem Potentiometer lässt sich die Spannung am OUT- Abgriff abgeichen. Die Spannungsänderung kann an den beiden Abgriffen OUT+ und OUT - gemessen werden, daraus ergibt sich dann die geänderte / gemessene Temperatur. Die Widerstände R2 und R4 begrenzen die Spannungsänderung und die Z-Diode stabilisiert die Spannung nach R3 konstant auf 9,1 Volt.

### 29.01.2021 Benötigtes Material ermitteln, Definition von Kalibrieren

##### Definition von "Kalibrieren"

Kalibrieren beschreibt einen Messprozess zur Feststellung und Dokumentation der Abweichung eines Messgerätes gegenüber einem anderen Gerät, die in diesem Fall als Normal bezeichnet werden.

##### Vorgehensweise einer Kalibrierung

-Definition des Messprozesses
-Umgebungsbedingungen
-erforderliche Normale
-Vorgehensweise
-Erstellung eines Modells zur Auswertung
-Durchführung der Kalibrierung
-Erstellung eines Kalibrierprotokolls inklusive Abweichung und Kalibrierunsicherheit

Die Kalibrierung der Temperaturmesssonde ist bestehend aus dem Prüfen der Normalwerte dieses Gerätes und das anschließende Vergleichen der Werte mit einem bereits geprüften Gerät. Dazu ist das Berücksichtigen der Umgebungsbedingungen erforderlich. Dies beinhaltet das Messen der Raumtemperatur am Arbeitsplatz mit einem Thermometer.
Mit der bereits kalibrierten Temperaturmesssonde werden nun die Normalwerte aufgenommen und dokumentiert. Anschließend wird die Messung mit der zu kalibrierenden Temperaturmesssonde durchgeführt. Abweichungen werden im Kalibrierprotokoll dokumentiert. Anschließend beginnt, bei Abweichungen, die Fehlersuche. Dazu werden die einzelnen Bauteile der zu kalibrierenden Temperaturmesssonde mittels Messung geprüft. Hierfür wird ein Vielfachinstrument / Multimeter benutzt. Es können einzelne Ströme, Spannungen und Widerstände ermittelt werden. Die Ergebnisse und Abweichungen werden anschließend im Protokoll erfasst. Sollten bei einem Bauteil gar keine Messwerte, bzw. extrem abweichende Werte auftreten, so ist zusätzlich das Prüfen der Lötstellen auf Risse oder Beschädigungen vorzunehmen. Bei Auffälligkeiten einer Lötstelle ist diese zu erneuern.

##### Benötigte Materialien

- zu kalibrierendes Gerät (Temperaturmesssonde)
- Vergleichsgerät
- 2 Vielfachinstrumente / Multimeter
- ausreichend Bananenkabel
- Spannungsquelle
- Thermometer zur Raumtemperaturmessung
- Kalibrierprotokoll zur Dokumentation

### 05.02.2021 Simulieren der Schaltung in FluidSim

#### Daten des NTC Widerstandes aus Datenblatt

Nennwiderstand bei 25°C: 47k-Ohm
Temperaturkoeffizient bei 25°C: -4.46%/K
Farbcodierung: gelb/violett/orange/gold
Temperaturbereich (P0): -40°C bis +125°C
Temperaturbereich (Pmax): 0°C bis +55°C
Wärmeleitwert: 7mW/K
Ansprechzeit: ca. 1.2s, 63.2% (Luft: 25°C, Oel: 85°C)
Abkühlzeitkonstante: ca. 11s
Nennleistung: 0.25W
R-Toleranz: ±5% bei 25°C

Bei einer Temperatur von 22°C ist folgende Messung erfolgt:


Nun kann man mit folgenden Formeln berechnen und kalibrieren:

Mit Temperaturveränderung: $$ ΔT= ϑw-ϑk $$

Mit Veränderung des Widerstandes: $$ ΔR= α·R_{20}·ΔT $$

Potentialberechnung: $$ U_{AB}=Δφ_{AB}=φ_{A}-φ_{B} $$

### 12.02.2021 Prüf- und Kalibrierprotokoll erstellen

##### Messprotokoll

Lüneburg (Homeschool), 12.02.21
Protokollanten Denise Knobloch, Kameran Alali

###### Materialien

- Temperaturmesssonde
- Multimeter
- Bananenkabel
- Spannungsquelle

###### Grund der Messung

Die Temperaturmesssonde soll kalibriert werden. Dafür ist es notwendig verschiedene Messungen durchzuführen. Der Widerstandswert des Heißleiters wird dafür in 20°C Schritten gemessen und Das Potentiometer wird in Zehnerschritten verstellt. So ist es uns möglich festzustellen ob Abweichungen vorhanden sind.

###### Durchführung:

Schaltung nach Schaltplan aufgebaut bzw. in FluidSim simuluiert, NTC auf verschiedene Temperaturen in 20°C Schritten und Potentiometer in Zehnerschritten eingestellt und gemessene Werte in Tabelle notiert.
Gemessen wird das Potenzial φ. Das Potenzial ist die Fähigkeit eines elektrischen Feldes elektrische Arbeit zu verrichten. Es ist die Spannungsdifferenz und bezieht sich auf Masse und nicht auf ein Bauteil, wie bei der Spannungsmessung.

| | 0% | 10% | 20% | 30% | 40% | 50% | 60% | 70% | 80% | 90% | 100% |
| ----- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
| -40°C | -8,81 |-7,72 | -6,91 | -5,68 | -5,68 | -5,21 | -4,81 | -4,47 | -4,17 | -3,91 | -3,68 |
| -20°C | -8,55 | -7,42 | -6,65 | -5,97 | -5,41 |-4,94 | -4,55 | -4,20 | -3,90 | -3,64 |-3,41 |
| 0°C |-7,87 |-6,78 |-5,94 |-5,27 |-4,71 |-4,24 |-3,84 |-3,50 |-3,20 |-2,94 |-2,70 |
| 20°C |-5,42 |-5,37 |-4,59 |-3,89 |-3,32 |-2,85 |-2,44 |-2,10 |-1,80 |-1,53 |-1,30 |
| 40°C |-4,77 |-3,54 |-2,64 |-1,97 |-1,41 |-0,937 |-0,537 |-0,194 |0,106 |0,368 |0,601 |
| 60°C |-1,79 |-1,81 |-1,13 |-0,468 |0,085 |0,553 |0,952 |1,30 |1,60 |1,86 |2,09 |
| 80°C |-1,79 |-0,759 |0,007 |0,759 |1,32 |1,79 |2,19 |2,54 |-2,84 |3,10 |3,34 |
| 100°C |-1,01 |0,057 |0,847 |1,52 |2,09 |2,56 |2,96 |3,30 |3,60 |3,86 |4,10 |
| 120°C |-0,635 |0,442 |1,28 |1,96 |2,53 |3,00 |3,40 |3,74 |4,04 |4,31 |4,56 |
| 140°C |-0,387 |0,690 |1,53 |2,21 |2,78 |3,25 |3,65 |3,99 |4,29 |4,56 |4,79 |
| | | | | | | | | | | | |

##### Beobachtung / Auswertung
Der gemessene Spannungswert ändert sich in Abhängigkeit zur Temperatur des NTC Widerstands und der Einstellung des Potentiometers.

### 19.02.2021 Prüfung der Arbeitsergebnisse

-Protokoll ergänzt und korrigiert