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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Temperaturmessung mit Schwingquarz


Autor: Michael S. (forestjump)
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Hallo,
im Sinne einer Schularbeit möchte ich eine Temperaturmessung mit einem 
Schwingquarz durchführen. Durch Internetrecherche bin ich auf folgenden 
Quarz gestoßen: 
http://www.kvg-gmbh.de/fileadmin/Bilder/Produkte/Q...

Nun will diesen Schwingquarz an eine Wechselspannung + Oszilloskop 
anschließen, um dann eine variierende Resonanzfrequenz zu beobachten.

Kann ich diesen Versuchsaufbau durchführen, oder ist aufgrund meiner 
rudimentären Elektrokenntnisse das oben Beschriebene komplett falsch ?

Leider ergeben jegliche Suchanfragen sehr oberflächliche Antworten, 
weshalb ich mich nun an dieses Forum wende.

Danke
 Michael

Autor: Klaus2 (Gast)
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wie in der kurve angegeben einen quarzoszilator für 14Mhz bauen (das ist 
o.P. machbar) und dann die frequenz messen. abweichungen gibt es aber 
sicherlich zudem durch die temp.abhängigkeit der gesamten schaltung - 
die könnte man aer experimentell ermitteln (quarz extern, nur schaltung 
erwärmen).

Klaus.

Autor: Gast (Gast)
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Ein guter Schwingquarz zeichnet sich dadurch aus, daß er möglichst wenig 
driftet, wenn sich die Temperatur ändert. Insofern ist Dein Vorhaben 
"ungewöhnlich", wenn nicht sogar unsinnig.
Gibt es einen besonderen Grund, eine derartige Schaltung aufzubauen?

Autor: Klaus2 (Gast)
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...guck dir lieber erstmal das datenblatt an, cheffe!

Klaus.

Autor: Michael S. (forestjump)
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In meiner Arbeit geht es darum verschiedene Arten Temperaturmessysteme 
zu beschreiben. Unter anderem befasse ich mich noch mit Heißleitern, 
PT100 und Thermoelementen. Den Schwerpunkt (+ Praxisteil) möchte ich 
eben auf die sehr "ungewöhnliche" Schwingquarzmethode setzen.

Eignet sich die letzte Schaltung auf dieser Seite, um den Quarz zum 
schwingen anzuregen ? : 
http://www.mikrocontroller.net/articles/Oszillator

Michael

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (christoph_kessler)
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Normale Quarze haben alles andere als linear ansteigende 
Temperaturabhängigkeit. Je nach Schnittwinkel ist das eine S-Kurve. Die 
Messung funktioniert nur mit diesem Spezialquarz.

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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>Eignet sich die letzte Schaltung
Da gibt es einfachere mit einem Logikgatter als Verstärker.

Aber ich glaube nicht, dass das viel Sinn macht, die Frequenzänderung 
eines Quartzes zur Temperaturmessung heranzuziehen. Du musst diese 
geringen Änderungen (in deinem DB 1,5%) ja auch erstmal messtechnisch 
ermitteln. Also ob die Schwingfrequenz nun gerade 10,000000MHz oder und 
150kHz drüber oder drunter ist. Dazu hast du ja nur zwei Mlglichkeiten:

Frequenzimpulse pro Sekunde zählen: => Woher eine Zeit von 
1,0000000Sekunden holen? Quartz? ;-)

Periodendauer messen. Dazu müsstest du aber wohl 1,4ns (Diff in T von 
10,15MHz und 10MHz) entsprechend genau auflösen!

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (christoph_kessler)
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Zu Quarzoszillatoren ist das Quarzkochbuch die beste Quelle:
http://www.axtal.com/info/buch.html
speziell das Kapitel zu Oszillatorschaltungen:
http://www.axtal.com/data/buch/Kap6.pdf

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (christoph_kessler)
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Man kann auch zwei identische Quarzoszillatoren schwingen lassen und die 
Differenzfrequenz auswerten. Das ist dann eine Messung im 
Niederfrequenzbereich.

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Matthias Lipinsky wrote:
>>Eignet sich die letzte Schaltung
> Da gibt es einfachere mit einem Logikgatter als Verstärker.
>

Wenn man den Quarz kräftig übersteuern will, ist das Logikgatter die 
erste Wahl.
Intelligente Meßtechniker nehmen andere Oszillatorschaltungen für den 
Quarz.
Hält dne drive level in akzeptablen Grenzen und der Temperatureffekt 
kommt gut raus.

> Aber ich glaube nicht, dass das viel Sinn macht, die Frequenzänderung
> eines Quartzes zur Temperaturmessung heranzuziehen.

Ist eine typische Aufgabe im Praktikum Experimentalphysik. Funzt also 
1A und ermöglicht Auflösung von wenigne hunderstel Kelvin (vulgo Grad 
Celsius).

> Du musst diese
> geringen Änderungen (in deinem DB 1,5%) ja auch erstmal messtechnisch
> ermitteln. Also ob die Schwingfrequenz nun gerade 10,000000MHz oder und
> 150kHz drüber oder drunter ist. Dazu hast du ja nur zwei Mlglichkeiten:
>
> Frequenzimpulse pro Sekunde zählen: => Woher eine Zeit von
> 1,0000000Sekunden holen? Quartz? ;-)

Du kannst mit dem Racal Dana 1992 was anfangen?


>
> Periodendauer messen. Dazu müsstest du aber wohl 1,4ns (Diff in T von
> 10,15MHz und 10MHz) entsprechend genau auflösen!

Jeder bessere Multifunktionszähler Baujahr 1980 und neuer schafft das 
quasi nebenbei.


BTDT.


hth,
Andrew

Autor: Michael S. (forestjump)
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Die Theorie mit den 2 Quarzen bei denen einer Temperaturunabhängig sein 
muss, leuchtet mir ein. Welche Schaltung verwendet sich um solche 
Frequenzen zu vergleichen ? Kennt jemand Suchwörter oder Links ?

Michael

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Michael S. wrote:
> Die Theorie mit den 2 Quarzen bei denen einer Temperaturunabhängig sein
> muss, leuchtet mir ein. Welche Schaltung verwendet sich um solche
> Frequenzen zu vergleichen ? Kennt jemand zufällig Suchwörter oder Links
> ?
>
> Michael

Mischer; frequency converter; mixer.

Um einige Suchworte zu nennen.


Macht die Sache aber sinnlos kompliziert, das ganze ins NF Gebiet zu 
verlagern. 10-15 MHz sind nun wirklich nix wildes...

Denn Du mußt die Oszillatoren 2x aufbauen. Und dabei die 
Oszillatorschaltungen mit deren Temperaturkoeffizient sauber derart 
optimieren, das eben wirklich der Qurz im Temperaturbad/-Meßstelle das 
wesentliche bleibt.

Glaub mir, ein guter Frequenzzähler (Philips, Racal, HP, etc.) mit 
OCXO-Zeitbasis und damit Deinen Temperaturquarz vermessen -- für einen 
Schulversuch mehr als gut.

Mach's Dir halt nicht zu schwer mit der Hausaufgabe :)


hth,
Andrew

Autor: Michael S. (forestjump)
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Hier nochmal eine Zusammenfassung um zu prüfen ob ich alles kapiert 
habe:

Ich suche mir eine Ozillatorschaltung (welche ?) für den Schwingquarz, 
und baue diese entsprechen für 14 MHz auf. Diese schließen ich an den 
Frequenzzähler an, und führe meine Messungen durch.

 Michael

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Yepp, so ist es.

tipp: Die Webseite/link von KVG hatte neben den Quarzen früher auch mal 
Beispielschaltungen für Oszilatoren -- könnte ja sein das es heute....

Autor: Michael S. (forestjump)
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Ich wollte mich sowieso noch mit der Firma in Kontakt setzten. Ich hoffe 
sie können mir Infomaterial schicken.

Danke für die Hilfe

 Michael

Autor: vielleicht so (Gast)
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Das Problem mit diesen Quarzen ist der Temperaturuebertrag. Zum Einen 
sollte ein Quarz eine hohe Guete haben, zum Anderen sollte die 
Temperatur auch gemessen werden. Eine Temperaturmessung bedingt ein Gas 
um den Quarz, je mehr je besser. Auf die andere Seite nimmt die Guete 
mit dem Gas ab. Das Gas bremst den Quarz. Wie gross ist denn die 
Zeitkonstante des Sensors ?

Autor: Gast (Gast)
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>möchte ich eben auf die sehr "ungewöhnliche" Schwingquarzmethode setzen.

Es geht Dir also in erster Linie um die Darstellung des Verfahrens. Dann 
wirst Du auch keine hochpräzise Schaltung entwickeln müssen, wie es nur 
"intelligente Meßtechniker" schaffen, sondern kannst Deinen Oszillator 
mit einfachen Mitteln aufbauen.

Suche Dir eine Schaltung die schwingt und werte die Frequenz aus. Wenn 
Du Dich bei der Auswertung auf die wichtigen Frequenzänderungen 
beschränkst, kannst Du im einfachsten Fall irgendeinen z.B. 16Bit Zähler 
mit einer festen Torzeit die Eingangsimpulse zählen lassen. Dabei werden 
die Überläufe nicht beachtet. Der für die Messung signifikante Rest im 
Zähler muß verrechnet werden, um einen Temperaturwert zu erhalten.

Eine besonders einfache Schaltung könnte ich mir vorstellen, bei der der 
Meßquarz die Taktfrequenz eines AVR erzeugt. Timer1 wird als 16Bit 
Zähler konfiguriert. Die Torzeitimpulse werden an ICP1 angelegt und 
stehen dann im Capture1-Register zur Auswertung bereit, die ebenfalls 
vom AVR eledigt werden kann.
Mit ein bißchen Geschick kann man die Torzeit im selben AVR mit einem 
32kHz Quarz erzeugen.....

Soweit mein Vorschlag. Die Details mußt Du Dir selbst erarbeiten:-)

Autor: Michael S. (forestjump)
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Leider AVR-Kenntnisse so gut wie garnicht vorhanden. Dennoch habe ich 
mich mal eben eingelesen. Hier mal wieder eine Zusammenfassung 
meinerseits ( ob ich es auch wirklich verstanden habe ;-) )

Der Temperaturmessquarz wird mit einer Oszillatorschaltung zum Schwingen 
angeregt und als Taktgeber für den AVR verwendet ( Sind 14 MHz nicht zu 
viel ? ).
Anschließend wird ein 16 Bit Zähler erstellt der ein Register mit Werten 
vollschreibt. Dieses Register wird mit einer Wertetabelle in der Werte 
(entnommen aus dem Quarz-Datenblatt) verglichen. -> Temperaturwert

Michael

Autor: Gast (Gast)
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Die AVRs kann man bis 20MHz betreiben (z.B. ATmega48).
Den 16Bit Timer brauchst Du nicht groß aufzubauen, sondern kannst den 
internen Timer1 des AVR nehmen. Diesen kann man so einstellen, daß er 
freilaufend mit der Taktfrequenz hochzählt.
Bei einer Sekunde Torzeit und 14MHz hat dieser Zähler einen Stand von 
40832 und ist insgesamt 213 mal übergelaufen. Diesen Zählerstand erhält 
man, wenn der Zähler bei 0 begonnen hat und der Quarz genau mit 14MHz 
schwingt und die Torzeit exakt 1Sekunde beträgt. Die Überläufe kann man 
ignorieren.

Nun muß man herangehen und aus dem Zählerstand die Frequenz errechnen 
und daraus wiederum die Temperatur. Eine Wertetabelle könnte man auch 
erstellen; diese wird aber nur grobe Werte liefern.

Mit einem Torzeitimpuls an ICP1 wird der momentane Zählerstand von T1 in 
ein separates Register übernommen und kann in Ruhe ausgelesen und 
verarbeitet werden.

Gut, wenn Du keine AVR-Kenntnisse hast, ist diese Vorgehensweise 
wahrscheinlich eine Nummer zu groß. Aber vielleicht hast Du eine 
Anregung bekommen, daß Du nur die Taktimpulse verwerten muß, die von der 
Nennfrequenz 14MHz abweichen.

Interessant wäre auch die schon vorgeschlagene Lösung, zwei Oszillatoren 
mit 14MHz zu betreiben und diese Signale zu mischen. Als Ergebnis der 
Mischung erhält man u.a. die Summe und die Differenz der beiden 
Frequenzen. Konzentriert man sich auf die Differenz, erhält man ein 
Signal im Hörbereich. Über einen Lautsprecher könnte man deutlich 
wahrnehmbar die Frequenzänderungen demonstrieren.

Autor: Michael S. (forestjump)
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Leider muss ich diesen alten Thread wiederbeleben, da ich extreme 
Schwierigkeiten habe einen Oszillator zu finden der diesen Schwingquarz 
zum schwingen anregt.

Ich habe mich bereits durch das Quarzkochbuch gekämpft, doch sind fehlen 
dort größtenteils die Angaben für die Widerstände, Kondensatoren, etc.

Kennt jemand gute Literatur/Webseiten zum Thema Osziallatoren für Quarze 
bei der auch die Dimensionierung der Bauteile erklärt ist ?

Danke
 Michael

Autor: mors (Gast)
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Hi!

Zufällig war mir die Möglichkeit der Temperaturmessung mit Quarzen 
bekannt, da ich in der Uni mal einen Versuch dazu besucht hatte. Habe da 
das Skript dazu:

http://www.ltfd.rwth-aachen.de/CES/Skript_Temperat...

schweigt sich zwar zu Bezugsquellen und generell zu Details zu Quarzen 
ziemlich aus, aber vielleicht ist das auch sonst im Rahmen deiner Arbeit 
interssant und ggf. kannst du da am Institut ja mal fragen.

Vllt hilfts..

Autor: Exe (Gast)
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Hi Matthias
Das Vorhaben ist schlicht eine mission impossible.
Die Tks der Quarze liegen zwischen 10 exp -6 bis typisch 10 exp -8.
Da wird auch eine "Zählung", wie sie Andrew vorschlägt schwierig bis 
aussichtslos. Andrew hat auch nicht berücksichtigt dass die Abhängigkeit 
der F(T) einer Parabel 3. Ordnung folgt, also einer Art Achterbahn die 
gnadenlos verbogen ist.
Wer soll das Gerät eichen?
Andrew hat allerdings Recht dass eine Mischung ein Weg ist. Die 
entstehende doppelte Frequenz wird per Tiefpass aussortiert und die 
Differenzfrequenz bewegt sich zum Bleistift im NF-Gebiet.
Das Problem der Eichung bleibt wegen der groben Unlinearität.
Zudem müssen beide Generatoren, der Refgen, wie der Messgen identisch 
sein und der Refgen sollte thermisch stabilisiert werden. Der Mischer 
freilich auch.
Absolut jenseits von gut und böse.
Andrew hat oft sehr gute Ansätze nur arbeitet er sie nicht bis zum Ende 
durch sodass nicht so viel zählbares herauskommt wie im Ansatz verborgen 
ist.

Autor: Gerhard O. (gerhard_)
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Hi Michael,

seh Dir mal diese links an:

The Linear Quartz Thermometer - a New Tool for Measuring Absolute and 
Difference Temperatures

http://www.hparchive.com/Journals/HPJ-1965-03.pdf

1) Quartz crystal-based remote thermometer features direct Celsius 
readout
http://www.edn.com/contents/images/509579.pdf

2) Quartz Crystal Thermometry
http://books.google.ca/books?id=EWayBGyk9tEC&pg=PA...

3) Temperature measurement device
http://www.freepatentsonline.com/4986670.html
http://www.freepatentsonline.com/4437773.html

4) HP 2804A Quartz Thermometer. The HP 2804A Quartz Thermometer
http://www.metrictest.com/catalog/pdfs/product_pdf...

Vielleicht hilft Dir das weiter. Bin zwar der Ansicht dass die 
Herstellung eines Quarzthermometers nur fuer die Industrie machbar ist. 
Trotzdem ist es manchmal besser wenn man nicht weiss dass etwas nicht 
moeglich ist;-)
Unter Umstaenden findet sich eine brauchbare ALternativloesung.

mfg,
Gerhard

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