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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Temperaturmessung mit IR-Photodioden


Autor: C. S. (chrisdask8)
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Hi @ all
zwecks meiner Facharbeit in Physik zum Thema "Berührungslose Aufname von 
Temperaturen heißer Oberflächen mithilfe von infrarotempfindlichen 
Dioden" habe ich ein par Fragen.
Ich habe verschiedene Photodioden bei conrad.de bestellt, wobei ich 
wahrscheinlich die "PHOTODIODE-PIN SFH2505FA" verwenden werde. Sie ist 
von 750 bis 1100nm empfindlich, also nur im sehr "nahen" IR-Bereich.
Mithilfe des Photostromes der Diode will ich dann Rückschlüsse auf die 
Wärmestrahlung des anvisierten Objekts schließen.
Der Photostrom liegt nach ersten, sehr groben Tests, wohl i.d. 
Größenordnung von ca. 1-100 MikroAmpere. Durch eine Op-Schaltung möchte 
ich nun eine proportionale Spannung in normalen Messbereichen abgreifen.
Sehr gut fände ich zb. eine Ausgangsspannung von 0 bis 10V.

1) Welcher OP, eignet sich für eine solche Schaltung?? Der 1. OP würde 
wenn ich richtig informiert bin als Transimpedanzverstärker 
funktionieren, und der 2.OP würde hier die Spannung nocheinmal um den 
Wert 10 verstärken, sowie das Vorzeichen der Spannung wieder auf + 
"drehen" oder?
Kann ich in einem solchen Fall 2mal den gleichen OP einsetzen?

2) Die Schaltung soll möglichst transportabel sein. Kann ich den/die 
OP's irgendwie per Batterie mit ihrer Betreibsspannung versorgen?!

3) wenn meine Schaltung zb. in einer Metallbox liegt, wie bekomme ich 
dann einen "Masse"-Anschluss zustande? Kann ich die Metallbox als 
"Masse" ansehen?

4) Die Verstärkung durch das Gegenkopplungsnetzwerk soll nach 
möglichkeit Variabel sein. Kann ich hier zb. einfach durch einen 
Schalter zwischen zb. 4 Wiederständen umschalten?

5) Muss ich in Betracht ziehen, die Offset-Spannung zu kompensieren? 
Wenn ja würde es dann genügen nur am 2. OP, am (+) Eingang mit einer 
entsprechenden Spannung zu kompensieren?

Ich danke für jede Hilfestellung!!!
mfg
Chris

Autor: Guido (Gast)
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Ist der KS zwischen Anschluss 4 und 5 bei U1 beabsichtigt?
Wie schnell soll die Schaltung arbeiten (Hz/kHz/Mhz)?

Autor: C. S. (chrisdask8)
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Hallo Guido,
du hast Recht, der Kontakt war natürlich nicht beabsichtigt!!
(verbessertes Bild im Anhang)
die Schaltung kann ruhig langsam arbeiten, ich möchte ja wie oben 
erklärt, nur die Wärmestrahlung von einem Objekt einfangen. Da diese 
ziemlich konstant sein sollte, kann die Schaltung langsam arbeiten 
(=>niedrige Frequenz???)

Autor: Ulrich (Gast)
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Der im Plan eingezeichnete TLC272 ist schon gar nicht so schlecht, aber 
nicht mit +-10 V, sondern höchstens +-8 V und eher wohl eher +-3 V oder 
+.4,5 V bei Batteriebetrieb. Das kann auch 2 mal der geliche OP sein, 
der TLC272 ist auch schon ein doppel OP, also 2 in einem Gehäuse.

Wenn man von der Batterie nur eine Spannung hat, kann man sich die Mitte 
auch duch einen Spannungsteiler erzeugen, braucht aber auch etwas Strom.

Es gibt auch noch andere geeignete OPs. z.B. TS912, MCP602 ,ICL7621 , um 
nur ein paar zu nennen.

Eine echte masse im Sinne von Erden braucht man nicht. Es ist aber 
sinnvoll ein Metallgehäuse mit einer Definierten Spannung (z.B. die 
Mitte der +-3 V) zu verbinden. Das dient dann als Abschirmung gegen 
Störungen.

Die Offsetspannung könnte auch am 2 ten OP kompensieren. Die Widerstände 
am 2 ten OP sollte größer sein für Battteriebetrieb.

Wenn die Schaltung langsam sein kann, sollte der Kondensator am 1.ten OP 
größer werden. Ein paar nF wären schon nicht schlecht. Wegen der 
Umschaltung der Widerstände hat man relativ viel Kapazität am Eingang 
und die Schaltung könnte sonst instabil werden.

Autor: Guido (Gast)
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Eine Ausgangsspannung von 0 bis 10 V bei einer Versorgungsspannung von 
+-10 V wird nicht ganz einfach (Hier wäre das Stichwort: Rail to Rail 
OP).

Wie wäre es mit einer Ausgangsspannung von 0 bis 5 V und einer 
Versorgungsspannung von +-7 V? In diesem Fall könntest Du die Spannung 
von zwei 9 V Blockbatterien über Linear-/Längsregler auf +-7 V 
herunterregeln. Ob dies Sinn macht hängt natürlich davon ab wie oft und 
wie lange mit dem Gerät gemessen wird. Schaltregler haben zwar einen 
besseren Wirkungsgrad, bei Messgeräten setze ich jedoch ganz gerne 
Längsregler ein. So "stört" zumindest die Spannungsversorgung nicht.

Autor: karadur (Gast)
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Hallo

dir ist aber schon klar ,dass die Temperatur sich schon im mehrere 100 
Gradbereich bewegen muß um bei den Wellenlängen ein Signal zu erzeugen.

Autor: Guido (Gast)
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@karadur
Ich verstehe Deinen Beitrag nicht. Entscheidend ist sicher auch die 
Größe der aktiven Fläche der PIN-Diode. Die Bestrahlungsempfindliche 
Fläche der o.g. Diode beträgt 1 qmm. Ob die Fläche ausreichend ist kann 
ich auf die Schnelle nicht beurteilen. Im Zweifel kann er jedoch mehrere 
Dioden parallel schalten. Die Schaltzeit erhöht sich dadurch allerdings.

@Christian
Wird eine PIN-Diode als Empfänger eingesetzt kann dies auf drei Arten 
erfolgen.
1.) Photovoltaisch: Diode im Leerlauf => Messen der Diodenspannung
2.) Kurzschluss-Betrieb: Diode kurzgeschlossen => Messen des 
Kurzschluss-Stroms
3.) Vorspannungs-Betrieb: Diode im Sperrbetrieb => Messen des Stroms

Hast Du Dir bereits Gedanken darüber gemacht, welche Methode die beste 
für Dich ist?

Autor: eh (Gast)
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IR Photodioden sind vielleicht zwischen 700 und 1500nm empfindlich. 
Gemaess dem Plankschen Strahlungsgesetz entsprechen diese Wellenlaengen 
Temperaturen von mehreren hundert Grad. Einstein hat fuer den 
Photoeffekt den Nobelpreis bekommen. Man kann mangelnde Temperatur nicht 
mit Intensitaet wettmachen.
Falls man sich fuer niedrigere Temperaturen interessiert, sollte man 
Thermopiles verwenden, die gehen bis auf Raumtemperatur runter. Die 
produzieren allerdings nur Mikrovolt, die man dann verstaerken muss.

Autor: B e r n d W. (smiley46)
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Normalerweise verwendet man Ir-Empfänger mit einem empfindlichen 
Wellenlängenbereich von z.B. 4 - 12µm.

Ein (schwarzer) Strahler gibt bei Raumtemperatur zuerst Energie im 
Bereich von 20µm und langwelliger ab. Erst bei ~700°C erreicht ein 
kleiner Teil der Kurve den sichtbaren Bereich, deshalb sieht man da 
Glühlampen erst ganz schwach glühen. [Planckschen Strahlungsgesetz]

Vorschlag:
Zeichne Dir mit Excel eine Planksche Strahlungskurve, um berechnen zu 
können, bei welcher Temperatur wieviel abgestrahlt wird. Das 
multiplizierst Du dann mit der Spektralen Empfindlichkeitskurve für die 
Fotodiode, um das ankommende Signal abschätzen zu können. Aber auch 
beachten, wieviel von der IR-Strahlung überhaupt den Empfänger erreicht. 
(Größe des Meßfleckes, Öfnungswinkel der Optik, Abstand zum Objekt)

Mfg. Bernd

Autor: B e r n d W. (smiley46)
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Siehe:
http://de.wikipedia.org/wiki/Plancksches_Strahlungsgesetz

Rechts unten gibts ein Bild:
Plancksche Strahlungsspektren für verschiedene Temperaturen...

Gruß, Bernd

Autor: yalu (Gast)
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Der Threaderöffner hat ja nicht geschrieben, in welchem Temperatur-
bereich er messen möchte. Er schreibt aber:

> Der Photostrom liegt nach ersten, sehr groben Tests, wohl i.d.
> Größenordnung von ca. 1-100 MikroAmpere.

Dafür muss der zu vermessende Körper nach eigenen Erfahrungen aber schon
rotglühend sein, was einer Temperatur von 700—800°C entspricht.

Wikipedia bestätigt dies:

  http://de.wikipedia.org/wiki/Pyrometer#Messwellenl.C3.A4nge

Danach kann mit Si-Fotodioden ab etwa 700°C, mit Ge-Fotodioden ab etwa
350°C gemessen werden.

Da Fotodioden aus etwas anderem als Si teuer und schwer zu beschaffen
sein dürften¹, bleibt wohl nur, sich bei den Versuchen auf glühende
Körper zu beschränken, was natürlich nicht ganz so spannend ist, da hier
die Temperatur auch mit dem Auge geschätzt werden kann.

Wenn der Begriff der "infrarotempfindlichen Dioden" im Titel der Fach-
arbeit etwas freier ausgelegt werden darf, gibt es noch eine interes-
sante Alternative:

Ein kostengünstiger PIR-Sensor², wie er auch in IR-Bewegungsmeldern
eingesetzt wird, reagiert auch niedrigere Temperaturen, allerdings nur
auf Änderungen der Intensität:

  http://de.wikipedia.org/wiki/Pyroelektrischer_Sensor

Er stellt somit keinen direkten Ersatz für eine Fotodiode dar. Um ihn
zur Temperaturmessung einzusetzen, muss das ankommende IR-Licht irgend-
wie moduliert werden. In diesem Artikel wird dazu ein "optical Chopper"
(rotierende Lochscheibe vor dem Sensor) vor dem Sensor montiert:

  http://140.128.95.1/bitstream/987654321/2003/1/200...

Dort sind auch ein paar Nachteile des Verfahrens beschrieben, die aber
in einem Schülerprojekt nicht so arg zum Tragen kommen.

—————————————————
¹) Ein Hersteller ist http://www.judsontechnologies.com/
²) Bei Reichelt ab 2,95€, nach "pyroelektrisch" suchen

Autor: C. S. (chrisdask8)
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hey, danke erstmal für eure Hilfe!

@Ullrich
das mit dem abschirmen des Metallgehäuses ist eine gute Idee. Aber wie 
genau meinstest du das jetzt mit dem Masseanschluss? Kann ich den 
einfach weglassen, und so zb. den (+) Eingang am 1.ten OP einfach "frei" 
lassen??

den TS912 finde auch auch sehr interessant, vorallem weil man ihn laut 
Datenblatt mit "Single Supply" betreiben kann. Dann müsste ich mir nicht 
die Mitte der Batteriespannung mit einem Spannungsteiler erzeugen, 
richtig?
Ergibt sich dadurch ein Problem, sodass der OP mit single Supply zb. nur 
noch einen Ausgang mit bestimmtem Vorzeichen erzeugen kann o.Ä.?

@Guido
Deine Idee mit dem Linear-/Längsregler werde ich mir auch mal anschauen.

Die Fotodiode will ich, wie hoffentlich aus dem Schaltplan hervorgeht im 
Kurzschluss betreiben, da sie hier einen über viele Größenordnungen 
linear von der Bestrahlungsstärke abhängigen Strom liefert.
Der Vorteil einer "Vorspannung" der Diode für meine Zwecke ist mir 
erstmal nicht ersichtlich. (??)

@ eh, Bernd, yalu
das Problem ist mir bekannt, dass meine Photodiode wohl erst bei höheren 
Temperaturen anspringt. Die Lösung, einfach einen der genannten, 
fertigen "IR-Sensoren" von Reichelt zu bestellen, wäre wohl leider nicht 
im Sinne der Facharbeit.
Die Grafik des Strahlungsgesetztes ist mir durchaus bekannt.
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0e...
Nur habe ich mir das bisher so vergestellt, dass ja bereits die 500K 
Kurve in den Bereich von 700-1100nm "ragt", sodass ich doch bei dieser 
Temperatur schon erste, sicherlich geringe, Photoströme messen könnte 
oder?
Die oben genannten 1-100 MikroAmpere, sind nur durch Richten der Diode 
auf eine Herdplatte entstanden, deren (sichtbare) Heitstäbe auch 
sicherlich gegelüht haben. Ich wollte nur ein grobes Gefühl für die 
Größenordnung des Stromes bekommen. Aber rein theoretisch wären doch 
auch kleinere Photoströme denkbar/ messbar/ verstärkbar?!
Mein Ziel wäre es gewesen so ab 200°-300° zu messen, bis ca. 1000°.
In der Themenstellung der Facharbeit ist ja auch von "heißen 
Oberflächen" die Rede. Der genannte Temperaturbereich wäre auch im Sinne 
meines LK-Lehrers.
Sicherlich wäre eine Photodiode mit einem anderen spektralen 
Empfindlichkeitsbereich dazu besser geeignet. Aber wo bekomme ich schon 
eine solche Diode her? Die Photoioden bei conrad und reichelt gehen 
allesamt nur bis ca. 1100nm.

Autor: eh (Gast)
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Nochmals. Der Sensor der Wahl nennt sich Thermopile. Gibts fuer 10 Euro. 
Das ist im wesentlichen ein integriertes Array von Theromcouples alle in 
Serie. Der vergleicht die Temperatur des Gehaeuses mit der Temperatur 
des Absorbers vornedrauf. Der Absorber vornedrauf sollte fuer die 
Wellenlaengen von sichtbar bis 10um schwarz sein. Dafuer gibt es dann 
Kurven.

Autor: Dieter Werner (dds5)
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> Mein Ziel wäre es gewesen so ab 200°-300° zu messen, bis ca. 1000°.

Das ist mit Siliziumdioden nicht möglich und selbst bei 500°C verfälscht 
jedes Krümel Sonnenlicht die Messung.

Du solltest auch nicht vergessen, dass u.U. nicht immer eine 
großflächige Strahlungsquelle gemessen werden soll und durch die nötige 
kleine Blende zum Erreichen eines kleinenn Messflecks geht nochmal 
einiges an einfallender Strahlung verloren.

Ab 300°C bieten sich InGaAs Fotodioden an, die haben ihre maximale 
Empfindlichkeit etwa zwischen 1100 und 1600 nm Wellenlänge.
Die Teile sind aber alles andere als handelsüblich und haben 
entsprechende Preise.

Eine recht gute Übersicht über Infrarotdetektoren gibt es hier
http://www.lasercomponents.com/de/detektoren.html

Autor: yalu (Gast)
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Christian Schörner schrieb:

> Die Lösung, einfach einen der genannten, fertigen "IR-Sensoren" von
> Reichelt zu bestellen, wäre wohl leider nicht im Sinne der Facharbeit.

Ich halte diese Sensoren weder für "fertig" noch für "einfach". Um
Missverständnisse auszuschließen: Ich meinte bspw. diesen hier:

  http://www.reichelt.de/?;ACTION=3;LA=444;GROUP=A54...

Um daraus ein funktionsfähiges IR-Thermometer aufzubauen, ist mehr
Aufwand erforderlich als bei einer Fotodiode (s. Link in meinem letzten
Beitrag), aber eben mit dem Vorteil, dass man auch "nichtglühende"
Temperaturen messen kann.

> Nur habe ich mir das bisher so vergestellt, dass ja bereits die 500K
> Kurve in den Bereich von 700-1100nm "ragt", sodass ich doch bei dieser
> Temperatur schon erste, sicherlich geringe, Photoströme messen könnte
> oder?

Ein Strom ist sicherlich noch vorhanden, aber so gering, dass er evtl.
von verschiedenen Dreckeffekten überdeckt wird. Auf jeden Fall solltest
du die Messung bei völliger Dunkelheit durchführen, so dass kein
störendes Fremdlicht auf die Fotodiode fällt. Du kannst weiterhin vor
der eigentlichen Messung einen Körper bekannter Temperatur vermessen, um
konstante und langsam driftende Fehler (Offsetspannung der OpAmps,
Kriechströme und Effekte von parasitären Thermoelementen in der
Schaltung u.ä.) kompensieren zu können. Es gibt aber auch noch
elektrischen und magnetischen Einstreuungen in die Schaltung, die gut
gefiltert werden müssen, um eine Übersteuerung der empfindlichen
Verstärker zu verhindern.

Ich habe die Spektren schwarzer Strahler unterschiedlicher Temperaturen
im Empfindlichkeitsbereich der Fotodiode geplottet (s. Anhang). Man
mache sich bewusst, dass die Strahlungsintensität zwischen 1000°C und
100°C in der Mitte dieses Bereichs um 12 Größenordnungen variiert.

> Die oben genannten 1-100 MikroAmpere, sind nur durch Richten der Diode
> auf eine Herdplatte entstanden, deren (sichtbare) Heitstäbe auch
> sicherlich gegelüht haben.

Die sichtbar glühenden Heizstäbe haben nach Wikipedia eine Temperatur
von 525°C bis 800°C:

  http://de.wikipedia.org/wiki/Glut_%28Lichtausstrahlung%29

Ich habe mal eine SFH205F (mit ähnlicher Empfindlichkeit wie deine
SFH2505FA) über einer alten Metallherdplatte bei 400°C ausprobiert. Mit
einem Multimeter (kleinste Anzeige 1µA) konnte ich überhaupt keinen
Fotostrom messen.

Ich habe dann, um überhaupt etwas zu sehen, die Spannung (also den durch
den Fotostrom erzeugten Spannungsabfall am 10MΩ-Innenwiderstand es
Multimeters) gemessen. Das Ergebnis waren etwa 50mV bei kalter Platte
(Umgebungslicht) und 250mV bei 400°C. Der durch die Wärmestrahlung
bedingte Fotostrom ist also (sehr grob) (250-50)mV/(10MΩ)=20nA.

Um dieses Ergebnis auf Plausibilität zu prüfen, kann man es auf deine
Messungen an den glühenden Heizstäben hochrechnen: Im Diagramm beträgt
der Unterschied zwischen der 400°C- und der 700°C-Kurve im
interessierenden Bereich um 1µm etwas Faktor 1000. Das würde bedeuten,
dass du bei deinen Versuchen bei 700° etwa 20µA gemessen hast. Du
schreibst etwas von 1-100µA, so dass das ganz gut hinkommt.

Auch wenn die Messungen und Überlegungen äußerst ungenau und vage sind,
lassen sie doch die Schätzung zu, dass du bei 400°C mit 10-100nA, bei
300°C mit 1-10nA und bei 200°C mit 100pA-1nA und bei 100°C noch mit
10-100pA rechnen kannst.

Leider reicht das im Datenblatt zu findende Diagramm der spektralen
Empfindlichkeit der Fotodiode nur bis 1,1µm, sonst könnte man den zu
erwartenden Fotostrom für unterschiedliche Temperaturen genauer
bestimmen.

Es ist auf jeden Fall nicht leicht, Temperaturen unter 500°C mit einer
gewöhnlichen Fotodiode halbwegs genau zu messen, dennoch hat diese
Methode einen Vorteil:

Vor den IR-Detektor sollte sinnvollerweise eine Optik montiert werden,
die dafür sorgt, dass nur Licht von der zu messenden Wärmequelle
empfangen wird. Nur dann ist die Messung weigehend unabhängig vom
Messabstand. Misst man im nahen IR-Bereich, kann man eine gewöhnliche
Linse aus Glas oder Kunststoff verwenden. Im längerwelligen Bereich
braucht man Linsen aus speziellen Materialien, die nur schwer zu
bekommen sind.

An deiner Stelle würde jetzt einfach mit dem Aufbau der Schaltung
beginnen und damit erste Erfahrungen sammeln, die du dann in ein
Redesign stecken kannst. Und wenn das Ganze dann erst ab 700°C oder
800°C richtig funktioniert, weißt du wenigstens, warum :)

Autor: Guido (Gast)
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@Dieter
Interessanter Link. Insbesondere der "Applikationsbibliothek für 
pyroelektrische Detektoren" dürfte für Christian von Interessen sein.
http://www.lasercomponents.com/de/applikationsberichte.html

Autor: Draco (Gast)
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Hab' hier nicht alles durchgelesen, aber vielleicht ist das hier 
interessant für Dich:
Master-Arbeit "Messung der Himmelstemperatur"
http://hep.physics.utoronto.ca/TeresaSpreitzer/the... 
http://www.atnf.csiro.au/pasa/15_3/clay/paper.pdf

Autor: karadur (Gast)
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Hallo

Linsen sind da nicht zu gebrauchen, besser ist ein Parabolspiegel.

Autor: Ulrich (Gast)
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Für Batteriebetrieb ist eine 0-10 V Ausgangsspannung eher unpraktisch, 
denn besser sollte man mit weniger Batteriespannung (z.B. +-3 V...+-6 V) 
arbeiten. Der TLC272 geht nur bis maximal +-8 V.  Eine Spannungsregelung 
braucht man in der Regel nicht - so super genau wird das ohnehin nicht.

Es würde theoretisch gehen den 1. OP mit einfacher Versorgung zu 
betreiben, also ohne eine negative Spannung. den 2 ten Verstärker müßte 
man dann aber nicht invertierend aufbauen. Allerdings sind die 
Eigenschaften der OPs ganz dicht an der Versorgung oft nicht so gut, und 
man kann Ärger mit Offsetspannungen und Brumstörungen kriegen. Es könnte 
also mit Single Supply gehen, ist aber schlechter und nicht unbedingt 
einfacher.

Man könnte trotzdem mit nur einer Batterie (z.B. 9V) arbeiten, wenn man 
sich über einen Spannungsteiler eine Hilfsspannung in der Mitte erzeugt, 
die die Masse ersetzt. Über die "Masse" fließen ja nur winzige Ströme, 
das meiste könnte der Ausgang sein.  Auch stört es nicht, wenn sich die 
Spannung etwas verschiebt.

Man darf den (+) Eingang natürlich nicht unbeschaltet lassen. Den sollte 
man schon die Mitte der +- Versorgung oder die Hilfsspannung legen, auch 
wenn da fast kein Strom fleißt.

Autor: C. S. (chrisdask8)
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Hey wie yalu gesagt hat, werde ich jetzt einfach mal so vorgehen, wie 
ich es anfangs geplant hatte. Mir ist bewusst, dass meine Tests unter 
500°  wohl sehr ernüchternd verlaufen werden.
Ich interessiere mich ja für die genannten InGaAs Fotodioden, oder vllt. 
Ge-Photodioden wären auch schon besser, konnte diese aber nirgends zum 
kaufen finden. WO GIBT ES SOLCHE DIODEN ZU KAUFEN??? wieviel würden 
diese kosten??
aber jetzt zur Schaltung:
hab mir jetzt nochmal Gedanken über einen neuen, möglichen 
Schaltungsaufbau gemacht. (s. Anhang) Da ich die Teile erst bestellen 
muss, sollte das ganze schon so grob funktionieren dann.
Ich habe jetzt 2 OP's gefunden, die extra 2 Anschlüsse zur 
Offsetspannungskompensation haben. Das wären der LF 356 (1,18Euro) bzw. 
der LF 357 (3,54Euro) bei conrad. Im Datenblatt ist ersichtlich, dass 
ich zur Offsetabstimmung nur ein 25k-Poti an diese beiden Anschlüsse 
anschließen muss, und den Schleiferanschluss, an die positive 
Versorgungsspannung.
Diese Lösung finde ich besonders elegant.

1) Wie ist eure Meinung dazu? Sind die Op's geeignet? zb. 2mal der LF 
357?

2) Und nachdem der Offsetabgleich recht genau erfolgen soll. Würde 2mal 
das Poti "POTI 25K TYP 249" von conrad für je 5,32Euro taugen?

3) Gibt es grundlegende Fehler in meiner Schaltskizze?
Kondensator an OP 1 ist durch Rat von Ullrich auf 1nF gestiegen (wegen 
der Umschaltung der Wiederstände, so sein Argument) . Kondensator 2 hat 
einen Wert von 10pF, den ich schon öfter gelesen habe bei ähnichen 
Schaltungen.

4) Als Schalter, könnte ich da den Schiebeschalter "SCHIEBESCH. E-E-E-E 
6(3)A-10(1)A/250V" von conrad verwenden??

5a) Die Dimensionierung der Wiederstände wäre die ok?
besonders @yalu:
du sagst bei 300° so 1-10nA, und bei 700° (meine Messung) 20µA
so nehme ich mir als Ziel zwischen 1nA und 100µA zu "messen".

Eine ganz einfache Rechnung von mir:
Schalterstellung 1MOhm als "untere Grenze"
Ua1 = -I * 10MOhm = -1nA * 10MOhm = 0,01 V
durch weitere 10fache Verstärkung von OP 2
Ua2 = (10kOhm / 1kOhm) * 0,01V = 0,1V

das läge in sinnvollen Großenordnungen, wohl aber auch die Fehler, die 
bei diesen niedrigen Temperatur genannt wurden.

ALs "obere Grenze" Schalterstellung 10kOhm.
Ua1 = 100µA * 10000Ohm = 1 V
durch weitere 10fache Verstärkung an OP 2
Ua2 = (10kOhm/1kOhm) * 1V = 10V

wäre jetzt nur zum groben Einschätzen der Wiederstände soweit ok, oder?

5b) oder wäre es sinnvoller eine 100er Verstärkung an OP 2 zu machen, 
und die Wiederstände am Schalter dafür jew. um den Faktor 10 zu 
verkleinern? Damit OP1 nicht allein fast komplett, einen so großen 
Verstärkungsfaktor hat?!

6) kann mir jemand mit einfachem Schaltbild erklären, wie ich von zb. 
einem 9V Block die positive. und seperat, die negative 9V Spannung 
abgreife?? Die Frage ist mir schon fast peinlich, aber ich bitte um 
Antwort.

Danke für eure Hilfe!!!

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Was soll ein Offsetabgleich ? Das mach heute niemand mehr.  Ein FET 
OpAmp ist eine gute Wahl. Der LF357 ist aber nur ab gain 10 stabil. Ich 
wuerd mal den LF356 nehmen. Wenn man die Photodiode negaiv vorspannt, 
wird der ausgang immer positiv. Allenfalls kann man sich ueberlegen, den 
Dunkelstrom zu kompensieren.

Autor: C. S. (chrisdask8)
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Hi no way,
ich denke nicht, dass ich hier die Offsetkompensation weglassen kann.
Da sich die Offsetspannung auch mit verstärkt, wird sie im Endeffekt 
villeicht ziemlich störend?! Weil ich ja einen rel. hohen 
Verstärkungsgrad habe.

weiß jemand zu den anderen Fragen bescheid?
ich wäre dankbar für alle Antworten

mfg Chris

Autor: Hauke Radtki (lafkaschar) Benutzerseite
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Vielleicht ist ein Chopper opamp für dich interessant?
Das ist quasi eine Schaltungsvariante (gibts aber auch schon als 
integrierte bauteile) bei der man das Messsignal in eine Wechselspannung 
wandelt und sich der oder die Opamps selbst den Offset kalibrieren 
können.

Den "Nachteil" den man sich damit erkauft ist eben eine begrenztere 
bandbreite und eine gewisse Störfrequenz (die sich aber filtern lässt, 
durch die filterung verliert man aber eben bandbreite), dafür bekommt 
man eine Zero-Drift (so werden sie auch genannt) verstärker, bei dem man 
sich keine sorgen mehr um Offsets machen muss.

Autor: Michael Förtsch (the_new_number_2)
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Christian Schörner schrieb:
> Hi no way,
> ich denke nicht, dass ich hier die Offsetkompensation weglassen kann.
> Da sich die Offsetspannung auch mit verstärkt, wird sie im Endeffekt
> villeicht ziemlich störend?! Weil ich ja einen rel. hohen
> Verstärkungsgrad habe.

Nein, du hast eine Spannungsverstärkung von 10 (V_OFF_TIA=V_OFF_OPA1 
ohne Berücksichtigung von Eingangs- oder Dunkel-Strömen). Im schlimmsten 
Fall hast du eine Ausgangs-Offsetspannung von 200mV.


Be seeing you.

Autor: Ulrich (Gast)
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Wenn man einen OP wählt, der keinen großen Offset hat (z.B. TC279, oder 
ein Chopper OP), kann man auch auf den Offsetabgleich verzichten. Man 
kann den Offset aber auch nur am 2 ten OP abgleichen, und ggf. auch 
einfach am (+) Eingang, also auch bei einem OP ohne extra Eingänge. Dann 
kann man einen Doppel OP nehmen.

Bei Batteriebetrieb sollte man bei der Leistung sparen und eher ein 
niedreige Spannung wählen, denn viel moderne OPs sind nur bis etwa 15 V 
weniger vorgesehen. Man braucht auch keinen schnellen OP, lieber etwas 
langsamer und sparsamer, da hat man es auch leicher mit der Stabilität. 
Wenn man +-9 V haben will, braucht man 2 Batterien, eine für die +9 V 
und eine für -9V.

Der Widerstand am Eingang kann auch ruhig größer als 1 M sein. 10 MOhm 
in der Rückkopplung sind bei Fotodioden durchaus üblich. Als Verstärkung 
der 2 ten Stufe ist ein Wert von 10 schon ausreichend. Bei der 
niedriegen Frequenz hat der 1.te OP keine Probleme mit einer hohen 
Verstärkung.
Der Kondensator in der 2 ten Stufe kann auch größer, man will ja keine 
hohe Bandbreite.

Autor: yalu (Gast)
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@Christian Schörner:

Weil ich das Theme sehr interessant finde, habe ich mal etwas
zusammengesteckt und hoffe, dir dadurch den Spaß am selber Ausprobieren
nicht zu hemen  :)

Damit kann ich auch deine obigen Fragen etwas präziser beantworten:

> 1) Wie ist eure Meinung dazu? Sind die Op's geeignet? zb. 2mal der LF
> 357?

Wie No Way geschrieben hat, scheint der LF357 für Verstärkungen von >5
oder >10 kompensiert zu sein. Für den Strom-Spannungs-Wandler brauchst
du aber einen für Verstärkung 1, also z.B. den LF356. Ich habe aus den
folgenden Gründen (mit aufsteigender Wichtigkeit) stattdessen einen
TLC272 genommen:

- Der Eingangsruhestrom (0,6pA) ist noch geringer als beim LF356 (30pA).
- Die Offsetspannung (1,1mV) ist geringer als beim LF356 (3mV).
- Er ist billiger (0,26€) als zwei LF356 (0,92€) (bei Reichelt).
- Er braucht weniger Strom (1,4mA) als zwei LF356 (10mA).
- Er vereint in einem Gehäuse gleich beide benötigten OpAmps.
- Er ist single-supply, d.h. Ein- und Ausgangsspannung reichen bis zur
  negativen Versorgungsspannung herab, weswegen man leichter mit einer
  einzelnen 9V-Quelle auskommt.
- Ich hatte gerade einen davon herumliegen ;-)

> 2) Und nachdem der Offsetabgleich recht genau erfolgen soll. Würde 2mal
> das Poti "POTI 25K TYP 249" von conrad für je 5,32Euro taugen?

Ich habe die Offseteinstellung weggelassen, da der Offsetfehler nicht
sehr ins Gewicht fällt. Wie Michael schrieb, wird die Offsetspannung der
beiden OpAmps jeweils um den Verstärkungsfaktor der zweiten Stufe (bei
meiner Schaltung ist er 11) verstärkt, so dass man bei etwa 20mV am
Ausgang landet. Bei den niedrigen Temperaturen, wo dies eine Rolle
spielen würde, ist die Messgenauigkeit schon aus anderen Gründen sehr
schlecht.

> 3) Gibt es grundlegende Fehler in meiner Schaltskizze?
> Kondensator an OP 1 ist durch Rat von Ullrich auf 1nF gestiegen (wegen
> der Umschaltung der Wiederstände, so sein Argument) . Kondensator 2 hat
> einen Wert von 10pF, den ich schon öfter gelesen habe bei ähnichen
> Schaltungen.

Grobe Fehler kann ich keine erkennen. In meiner Schaltung habe ich die
Fotodiode umgedreht und die zweite Verstärkerstufe nichtinvertierend
gemacht, so dass keine negativen Spannungen verarbeitet werden müssen.
C1 ist noch etwas größer, damit er 50Hz-Einstreuungen besser wegfiltert.
Den Kondensator in der Gegenkopplung der zweiten Stufe habe ich
weggelassen (ein Schwingen des OpAmps ist bei dieser Beschaltung nicht
zu befürchten), dafür habe ich dem IC noch den Stützkondensator C2
spendiert.

> 4) Als Schalter, könnte ich da den Schiebeschalter "SCHIEBESCH. E-E-E-E
> 6(3)A-10(1)A/250V" von conrad verwenden??

Ja, der sollte gehen. Ich habe zwar auf den Umschalter verzichtet,
allerdings ist dadurch Messbereich nach oben fix auf etwa 350-400°C
beschränkt.

> 5a) Die Dimensionierung der Wiederstände wäre die ok?
> besonders @yalu:
> du sagst bei 300° so 1-10nA, und bei 700° (meine Messung) 20µA
> so nehme ich mir als Ziel zwischen 1nA und 100µA zu "messen".

Meine ins Blaue gemachte Schätzung war erstaunlicherweise gar nicht so
schlecht: Bei 300°C ist der gemessene Fotostrom etwas 4nA. Damit ist
auch die von dir vorgesehene Dimensionierung in Ordnung.

> 5b) oder wäre es sinnvoller eine 100er Verstärkung an OP 2 zu machen,
> und die Wiederstände am Schalter dafür jew. um den Faktor 10 zu
> verkleinern? Damit OP1 nicht allein fast komplett, einen so großen
> Verstärkungsfaktor hat?!

Da der OpAmp einen vernachlässigbaren kleinen Eingangsstrom hat, sind
die 10MΩ als maximaler Gegenkopplungswiderstand und damit die
Verstärkung von 10 für die zweite Stufe schon ok. Bei mir ist sie 11,
weil das "rundere" Widerstandswerte ergibt.

> 6) kann mir jemand mit einfachem Schaltbild erklären, wie ich von zb.
> einem 9V Block die positive. und seperat, die negative 9V Spannung
> abgreife?? Die Frage ist mir schon fast peinlich, aber ich bitte um
> Antwort.

Alternative 1: Du schaltest zwei 9V-Batterien in Reihe und greifst in
der Mitte die Masse ab.

Alternative 2: Du nimmst nur eine Batterie und richtest eine virtuelle
Masse mit einem Spannungsteiler ein. Die nichtinvertierenden Eingänge
belasten diesen Spannungsteiler nicht. Damit er auch nicht vom Fotostrom
belastet wird, würde ich die Kathode der Fotodiode an +9V statt an Masse
anschließen.

Im Anhang findest du neben der Schaltung das Diagramm einer Testmessung.
Ich habe die oben bereits erwähnte Herdplatte von Zimmertemperatur auf
ca. 400°C aufgeheizt und die Fotodiode in etwa 5cm Abstand darüber
fixiert. Damit ist sichergestellt, dass sie über den gesamten Öffnungs-
winkel etwa die gleiche Temperatur sieht. Die von dir vorgschlagene
SFH2505FA ist in dieser Hinsicht aufgrund ihres deutlich kleineren
Öffnungswinkels besser geeignet als meine SFH205F.

Als Referenz habe ich parallel dazu die Temperatur mit einem käuflichen
IR-Thermometer gemessen.

Für die Messung habe ich den Raum verdunkelt und zum Ablesen der
Instrumente eine Taschenlampe mit bläulichen LEDs verwendet, auf die die
Fotodiode praktisch nicht reagiert.

Ich habe sowohl beim Aufheizen als auch beim Abkühlen der Platte alle
10°C die Ausgangsspannung der Schaltung gemessen und die Mittelwerte der
beiden jeweils zusammengehörenden Messungen gebildet. Die Ausgangsspan-
nung bei kühler Platte betrug etwa 19mV und kann durch die Offsetspan-
nungen der beiden OpAmps erklärt werden. Im Diagramm habe ich diese 19mV
bereits subtrahiert.

Ab etwa 190°C kann ein Anstieg der Ausgangsspannung beobachtet werden,
ab etwa 270°C sind die Messungen halbwegs reproduzierbar. Bei etwa 380°C
liefert die Schaltung die maximal mögliche Ausgangsspannung von 8,1V. Um
höhere Temperaturen zu messen, muss R1 geeignet verkleinert werden, was
du ja mit dem Schiebeschalter schon vorgesehen hast.

Die Messwerte während des Aufheizens der Platte sind etwa 20% niedriger
als während des Abkühlens. Das liegt vermutlich an der (zeitlich ver-
zögerten) Erwärmung der Fotodiode, die einen zusätzliche (ungewollten)
Diodenstrom erzeugt. Für genauere Messungen sollte die Fotodiode
deswegen immer nur kurz dem heißen Körper ausgesetzt werden, so dass
sich ihre Eigentemperatur nur unwesentlich ändert.

Der Fotostrom scheint näherungsweise exponentiell mit der Temperatur der
Platte zu wachsen. Damit sollte es leicht möglich sein, die abgelesenen
Spannungswerte in die entsprechende Temperatur umzurechnen. Diese
Umrechnung könnte auch ein nachgeschalteter logarithmischer Verstärker
übernehmen, so dass das Voltmeter die Temperatur direkt in °C anzeigt.

Der gemessene Stromverbrauch der Schaltung liegt bei <1mA, so dass ein
9V-Block viele Stunden halten dürfte.

Sicher hast du noch weitere Ideen für Zusatzfeatures und Verbesserungen
der Schaltung. Es wäre schön, wenn du den endgültigen Aufbau zusammen
mit Testergebnissen hier veröffentlichen könntest.

Dann bleibt nur noch, dir viel Spaß und Erfolg beim Basteln und Messen
zu wünschen :)

Autor: yalu (Gast)
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Nachtrag:

> Diese Umrechnung könnte auch ein nachgeschalteter logarithmischer
> Verstärker übernehmen, ...

Alternativ könnte die zweite Verstärkerstufe logarithmisch ausgelegt
werden, so dass sich der Bauteilaufwand nur minimal erhöht.

Autor: C. S. (chrisdask8)
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hey yalu,
vielen Dank für dein Interesse am Thema!!!!
Du hast mir wirklich geholfen, und die Idee mit dem nachgeschaltetem 
Logarithmierer ist genial!!
Mir ist zwar momentan noch nicht ganz klar, warum es exponentiell 
ansteigt.
Aber es scheint wirklich so zu sein (näherungsweise).
Eine Auswertung von Messwerten einer ähnlichen Arbeit, hat das nochmals 
bestätigt.
Es wird wohl trotzdem schwierig werden, da die Temperaturanzeige, ja 
ebenfals mit einem 2. Schalter umgeschaltet werden müsste, wenn ich am 
1. Schalter umschalte. aber das wird schon irgendwie werden..
Man könnte auch mit einem Potentiometer noch versuchen, die 
Termometeranzeige für verschiedene Emmissionsgrade zu "rüsten".

Das sind so die "Features" die mir noch einfallen.

Ich werde mir mal Gedanken machen wie ich das realisieren werde, und 
halte euch auf dem Laufenden.

beste Grüße
Chris

Autor: yalu (Gast)
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Christian Schörner schrieb:

> Mir ist zwar momentan noch nicht ganz klar, warum es exponentiell
> ansteigt.
> Aber es scheint wirklich so zu sein (näherungsweise).
> Eine Auswertung von Messwerten einer ähnlichen Arbeit, hat das nochmals
> bestätigt.

Ich gehe davon aus, dass die e-Funktion wirklich nur eine Näherung ist.
Der wirkliche Zusammenhang ist sicher viel komplizierter, allein schon
wegen der krummen Kennlinie der Fotodiode. Da aber das geplante IR-
Thermometer schon aus anderen Gründen eher ein Schätzeisen wird, kann
eine solche Näherung trotzdem ganz brauchbar sein. Es geht ja, wenn ich
das richtig verstanden habe, auch nicht darum, ein Präzisionsmessgerät
zu bauen, sondern zu zeigen, dass man mit einem einfachen IR-Detektor
berührungslos Temperaturen messen kann.

> Es wird wohl trotzdem schwierig werden, da die Temperaturanzeige, ja
> ebenfals mit einem 2. Schalter umgeschaltet werden müsste, wenn ich am
> 1. Schalter umschalte.

Im Gegenteil: Es wird sogar einfacher, weil durch die Logarithmierung
der nutzbare Messbereich immens vegrößert wird, so dass du überhaupt
keine Messbereichsumschaltung mehr brauchst.

> Man könnte auch mit einem Potentiometer noch versuchen, die
> Termometeranzeige für verschiedene Emmissionsgrade zu "rüsten".

Gute Idee. Das fehlt bei den einfachen käuflichen Messgeräten meist, so
dass du damit (zumindest feature-mäßig) schon in der nächsthöheren Liga
spielst :)

Ich habe übrigens mal auf primitive Art und Weise etwas Logarithmus in
Form eines Transistors (Q1 anstelle von R1) in die Schaltung gebracht
(Bild ir-thermometer2.png) und eine weitere Messung damit gemacht (Bild
messung2.png). Im Diagramm sind die direkt gemessenen Ausgangsspannungen
(ohne Offsetkorrektur) als rote Kurve aufgetragen.

Dabei entsprechen die Werte in mV erstaunlich gut den Temperaturen in °C
(die grüne Kurve stellt den Idealverlauf dar). Die Steigung der Kurve
und damit die Verstärkung der zweiten Stufe passt zufälligerweise ganz
gut, obwohl ich an der Dimensionierung nichts geändert habe. Auch die
Linearität ist für Temperaturen ab 180°C ganz passabel. Lediglich der
Offset von etwa 25°C stört etwas.

Den Offset bekommt man durch einen zusätzlichen Widerstand R4 (Bild
ir-thermometer3.png) weg. Er senkt die Ausgangsspannung des zweiten OPV
um einen konstanten Wert ab. R1 addiert näherungsweise eine e-Funktion
zur Messkurve, so dass man damit die ab 230°C leicht nach unten
gekrümmte Kurve wieder nach oben biegen kann. Beide Widerstände
beeinflussen die Gesamtverstärkung der Schaltung, so dass auch das
Verhältnis von R2 zu R3 angepasst werden muss.

Ich habe die Schaltung mit R1 und R4 nicht aufgebaut, geschweige denn
dimensioniert und vermessen. Um trotzdem ein Gefühl für die zu erwarten-
de Verbesserung zu bekommen, habe ich rechnerisch zur Messkurve eine
leichtgekrümmte e-Funktion addiert (Einfluss von R1) und das Ergebnis
mit einer geeigneten Verstärkung (Einfluss von R2 und R3) und einem
konstanten Offset (Einfluss von R4) versehen. Die damit korrigierte
Kurve ist in messung3.png zu sehen. Gar nicht so schlecht, oder? ;-)

Da die Ausgangsspannung der Schaltung bis etwa 8V steigen kann, sind —
zumindest, was den Messbereich betrifft — Messungen bis 8000°C möglich.
Es wird aber kaum möglich sein, die Linearität über einen so großen
Bereich in akzeptablen Grenzen zu halten, zumal die Empfindlichkeit der
Fotodiode bei kürzeren Wellenlängen wieder deutlich abnimmt. Bis 1000°C
oder vielleicht sogar bis 2000°C könnte die Schaltung aber noch ganz gut
funktionieren. Das wäre der Bereich, in dem mit einem gewöhnlichen
Multimeter am Ausgang im 2V-Bereich noch mit einer Auflösung von 1°C
gemessen werden kann, so dass eine Messbereichsumschaltung definitiv
nicht erforderlich ist. Ich kann für höhere Temperaturen leider keine
weiteren Versuche machen, da ich keine flächige Wärmequelle mit deutlich
mehr als 400°C habe.

Autor: lustich (Gast)
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>Es geht ja, wenn ich
>das richtig verstanden habe, auch nicht darum, ein Präzisionsmessgerät
>zu bauen, sondern zu zeigen, dass man mit einem einfachen IR-Detektor
>berührungslos Temperaturen messen kann.

Die hier präsentierten Messwerte beweisen eindrucksvoll dass das nicht 
geht. Die Photodiode misst Licht und damit Punkt. Mit einem 
Temperatursensor im eigentlichen hat das ganze nichts zu tun. Kein 
Mensch hat angezweifelt, dass Photodioden den Bereich der 
Schwarzkörperstrahlung messen können, der im sichtbaren oder nahen IR 
liegt. Totaler Quatsch, könnt ihr gleich eine "Themokamera" bauen, indem 
ihr aus eurer Pocketknipse den IR Filter rausbrecht.

Autor: yalu (Gast)
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lustich schrieb:

>> Es geht ja, wenn ich das richtig verstanden habe, auch nicht darum,
>> ein Präzisionsmessgerät zu bauen, sondern zu zeigen, dass man mit
>> einem einfachen IR-Detektor berührungslos Temperaturen messen kann.
>
> Die hier präsentierten Messwerte beweisen eindrucksvoll dass das nicht
> geht.

Dass was nicht geht? Mit einem IR-Detektor berührungslos Temperaturen zu
messen? Diesen "Beweis" kann trotz genauen Hinschauens nicht finden,
ganz im Gegenteil.

> Die Photodiode misst Licht und damit Punkt.

Das ist richtig, wenn man die erweiterte Definition von "Licht" als
elektromagnetische Strahlung (ohne die Beschränkung auf den für das
menschliche Auge sichtbaren Spektralbereich) zugrunde legt. Aber was
möchtest du damit aussagen?

> Mit einem Temperatursensor im eigentlichen hat das ganze nichts zu
> tun.

Was verstehst du unter einem "Temperatursensor im eigentlichen"?
Natürlich wird die Temperatur nicht direkt, sondern indirekt über die
abgegebene IR-Strahlung gemessen, was ja gerade das Wesen der
berührungslosen Temperaturmessung ist.

> Kein Mensch hat angezweifelt, dass Photodioden den Bereich der
> Schwarzkörperstrahlung messen können, der im sichtbaren oder nahen IR
> liegt.

Und? Reicht das nicht aus? Sicher nicht, um die Temperatur im Gefrier-
schrank zu messen, aber für Temperaturen ab 200°C oder 300°C scheint die
Messung mit der Fotodiode ganz gut zu funktionieren, obwohl ich dies
anfangs ebenfalls stark angezweifelt habe.

Um es noch einmal klarzustellen: Hier geht es nicht um die Entwicklung
eines konkurrenzfähigen Produkts (dafür gibt es besser geeignete
Sensorkomponenten), sondern um die Demonstration des Messprinzips mit
einfachsten Mitteln. Dafür ist es völlig unerheblich, ob die Messung im
1µm- oder 10µm-Bereich erfolgt. Dass dabei Messbereich und -genauigkeit
eingeschränkt sind, ist in diesem Fall akzeptabel und wird vom Thread-
eröffner offensichtlich auch akzeptiert.

> Totaler Quatsch, könnt ihr gleich eine "Themokamera" bauen, indem ihr
> aus eurer Pocketknipse den IR Filter rausbrecht.

Warum nicht? Vermutlich wird aber das Rauschen handelsüblicher Bild-
sensoren deutlich über dem durch die IR-Strahlung erzeugten Nutzsignal
liegen, so dass man schon etwas tiefer in die Signalkonditionierung der
Kamera eingreifen müsste, um halbwegs brauchbare Ergebnisse zu erhalten.

Autor: Karl Otto (knorke)
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Hmm, ich halte die Schaltungsidee auch für Blödzinn. Geht vielleicht 
irgendwie, nur wo soll da auch nur der geringste Nutzen sein? Das ist 
wie in einem von Karnickeln gezogenen Wagen um die Welt fahren. Klar, 
geht irgendwie, ist nur vollkommener Scheiss.
Aber noch ein paar detailliertere Anmerkungen:

-Bist Du sicher, dass Deine Kurven nicht auf Bauteilerwärmung 
zurückgehen? Hast Du mal einen IR Filter dazwischen gehalten?

-Eine Messung einer Größe muss nicht nur genau, sondern auch spezifisch 
sein. Sonst ist es keine Temperaturmessung, sondern eine Messung 
elektromagnetischer Strahlung. Wie lichtunempfindlich ist diese 
"Messung".
Ich glaube dass ist, worauf lustich hinauswollte.

-Gibt es eine rechnerische Erklärung für die gemessenen Werte? Wie 
verhält sich das Integral der Schnittfläche von 
Schwarzkörperstrahlungskurve mit der Sensitivität der Diode über das 
Spektrum?

-Gibt es eine Hysterese? Das würde auf unspezifische Effekte hinweisen.

Autor: C. S. (chrisdask8)
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@lustich und Karl Otto:
Es geht mir auch nicht darum, die "beste" Schaltung zum Temperaturmessen 
zu entwerfen. Auch nicht um bestmöglichen "Nutzen". Dies kann man wie 
oft genug angemerkt wurde anders, besser, genauer etc. machen.
Allerdings solltet ihr euch mal meinen eigentlichen Grund, warum ich 
eben mit IR-Photodioden arbeite, anschauen. Es ist einfach so in meiner 
Themenstellung zur Facharbeit vorgegeben!!
Ich danke produktiven Leuten wie yalu, die mich dabei unterstützen, und 
verstanden haben worum es geht!
Ob ihr unsere bisherigen Schaltungsentwürfe für völligen "Scheiß" haltet 
ist eure Sache, aber wie würdet ihr es denn machen??
Eure Kritik war bisher auch nicht gerade stichhaltig begründet...

Außerdem sollte euch klar sein, dass sogar manche käuflichen Pyrometer 
Photodioden als Detektor einsetzten, soweit ich weiß.
Und sicher messen wir keine Temperatur direkt, sondern die Intensität 
elektromagnetischer Strahlung im Empfindlichkeitsbereich der Photodiode.
Und damit lassen sich sehr wohl Rückschlüsse auf die Temperatur, des 
anvisierten Objektes schließen.
Der genaue Zusammenhang scheint wirklich erstmal kompliziert zu sein, da 
wir nicht über ganzen Spektralbereich messen. Aber durch eine 
Vergleichsmessung können wir unseren Messwerten ja die eigentliche 
Temperatur zuordnen!

Die Idee mit dem Integral von dir Karl ist mir auch schon gekommen, und 
ich werde demnächst mal versuchen, das bestimmte Integral über die 
Schnittfläche auszurechnen, in Abhängigkeit von der Temperatur.
Villeicht ergibt sich ja wirklich nährerungsweise ein exponentieller 
Anstieg des Integral-Wertes mit zunehmender Temperatur.

man wird sehen, die Teile zum Schaltungsaufbau habe ich jedenfals 
gestern bestellt ;-) Leider habe ich für den Logarithmierer erstmal nur 
die Dioden 1N4148 bzw. BAT54C mal mitbestellt.
Ein Transistor wie bei dir yalu, wäre wohl besser geeignet gewesen.
Muss man beim Kauf eines Transistors für einen Logarithmirer auf 
irgendwas speziell achten?

mfg

Autor: yalu (Gast)
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Karl Otto schrieb:

> Hmm, ich halte die Schaltungsidee auch für Blödzinn.

Das ist eine Frage der Perspektive. Aus der Sicht eines Topmanagers
eines Großunternehmens ist garantiert jedes "Projekt" das hier in diesem
Forum diskutiert wird, maximalster Blödsinn: Die Leute hier stecken Geld
und vor allem viel Zeit in eine Entwicklung, die wenig Neues bietet und
dem Vergleich mit kommerziellen Geräten nie standhalten kann.

Gründe, warum so etwas doch gemacht wird, und die der Topmanager (der
außer Golfspielen keine Hobbys hat (und auch Golfspielen ist Blödsinn))
nie verstehen wird sind bspw.:

- Freude am Basteln
- Erfolgserlebnis
- Suche nach Herausforderungen
- Erkenntnisgewinn
- Weiterbildung
- Arbeiten für Schule oder Studium

Wenn man nicht die Arbeitszeit, sondern nur die Materialkosten rechnet,
kann man mitunter sogar etwas Geld sparen, nimmt dafür aber meist
entsprechende Qualitätseinbußen des entstehenden "Produkts" in Kauf.

In diesem Fall geht es primär um eine Facharbeit für die Schule, wobei
aus den Beiträgen des Thread-Eröffners zu entnehmen ist, dass auch
andere der o.g. Gründe für ihn eine wichtige Rolle spielen.

Ich selber finde es einfach mal unterhaltsam herauszufinden, wie weit
man bei der berührungslosen Temperaturmessung mit einfachsten Bastler-
mitteln und ohne teure Spezialbauteile kommen kann, und wurde sogar
positiv überascht. Als angenehmen Nebeneffekt weiß ich hinterher ein
wenig mehr über Wärmestrahlung, Fotodioden, analoge Linearisierungs-
schaltungen usw.

Der Nutzen der enstehenden Schaltung als solche ist für mich null, da
ich schon glücklicher Besitzer eines IR-Thermometers bin :)

Zu deinen Fragen:

> -Bist Du sicher, dass Deine Kurven nicht auf Bauteilerwärmung
> zurückgehen? Hast Du mal einen IR Filter dazwischen gehalten?

Auch ;-)

Der Effekt der detektierten Strahlung ist aber deutlich größer als der
der Bauteilerwärmung. Wenn ich bspw. eine Metallplatte zwischen Foto-
diode und Wärmequelle halte und somit den Strahlungsfluss unterbreche,
geht das Signal augenblicklich zurück, obwohl die Fotodiode auf Grund
ihrer relativ hohen Wärmekapazität nur langsam abkühlt.

Da in der vorliegenden Einfachstschaltung keine Temperaturkompensation
vorgesehen ist, muss man Messungen eben darauf achten, dass die Foto-
diode und auch der Rest der Schaltung nicht oder nur kurzzeitig der
Wärmestrahlung ausgesetzt sind.

> -Eine Messung einer Größe muss nicht nur genau, sondern auch
> spezifisch sein. Sonst ist es keine Temperaturmessung, sondern eine
> Messung elektromagnetischer Strahlung. Wie lichtunempfindlich ist
> diese "Messung".

Kaum ;-)

Das bedeutet, dass man nur bei Dunkelheit oder bei Umgebungslicht mit
geringem Rotanteil messen kann. Dass so ein "System" für ca. 1€ plus
Multimeter Einschränkungen gegenüber einem kommerziellen Gerät für 50€
hat, war nicht anders zu erwarten :)

> -Gibt es eine rechnerische Erklärung für die gemessenen Werte? Wie
> verhält sich das Integral der Schnittfläche von
> Schwarzkörperstrahlungskurve mit der Sensitivität der Diode über das
> Spektrum?

Ich würde das Ganze gerne durchrechnen, leider fehlen mir Informationen:
Die Schwarzkörperstrahlungskurve ist zwar gegeben, nicht aber der voll-
ständige Verlauf der spektralen Empfindlichkeit der Fotodiode. Die im
Datenblatt angegebene Kurve hört leider an der Stelle auf, wo sie
beginnt, interessant zu werden.

> -Gibt es eine Hysterese? Das würde auf unspezifische Effekte
> hinweisen.

Die einzige Hysterese, die ich beobachten konnte, ist durch die 
Erwärmung
der Fotodiode bedingt. Sorgt man dafür, dass sich die Fotodiode nicht
erwärmt ihre Temperatur nicht ändert, sind die Messwerte gut
reproduzierbar.

Autor: yalu (Gast)
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Chris -- schrieb:

> Leider habe ich für den Logarithmierer erstmal nur die Dioden 1N4148
> bzw. BAT54C mal mitbestellt.

Mit einer Diode (1N4148) habe ich es gestern zuerst auch ausprobiert,
wohlwissend, dass Transistoren für diesen Zweck i.Allg. besser geeignet
sind. Ich dachte mir aber, der Bahnwiderstand der Diode spielt bei den
geringen Strömen keine Rolle, dafür erhält man ein stärkeres Ausgangs-
signal, so dass eine Diode vielleicht doch die bessere Wahl ist. Diese
Gedanken haben sich zwar als richtig erwiesen, allerdings kommt bei Tem-
peraturen unter 300°C der Diodenstrom wohl schon in die Größenordnung
des Sättigungssperrstroms IS, wo die Diodenkennlinie keine saubere Expo-
nentialfunktion mehr ist, was wiederum in einer starken Nichtlinearität
des Ausgangssignals in diesem Bereich resultiert (s. Bild).

Da eine Schottky-Diode wie die BAT54 ein wesentlich größeres IS als eine
PN-Diode hat, sind hier die Ergebnisse vermutlich noch schlechter. Da du
aber die Diode sowieso bestellt hast, kannst du sie ja trotzdem mal
ausprobieren.

> Muss man beim Kauf eines Transistors für einen Logarithmirer auf
> irgendwas speziell achten?

Ein beliebiger PNP-Kleinleistungstransistor sollte passen. Der BC557 ist
so ziemlich das Gewöhnlichste in dieser Kategorie, so dass er mir bei
den Versuchen als erster aus der Schublade entgegen sprang :)

Autor: mhh (Gast)
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Ein Transistor (Basis mit Emitter verbunden) als Diode benutzt, hat i.A. 
geringere Restströme als die Dioden. Ist vllt. auch einen Versuch wert.

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