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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Temperaturregelung - Aktor u. Sensor sind identisch


Autor: Sebastian S. (sebb)
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Hallo zusammen,

ich habe an der Uni einen alten Versuchsstand wieder zum Leben erweckt, 
der optimiert werden soll. Dazu wollte ich zunächst einen 
Temperaturregler entwickeln. In Abb. 1 habe ich versucht, den 
Sachverhalt etwas zu verdeutlichen.

Insgesamt sollen 2 Heizplatten mit je 9 Heizkreisen geregelt werden. Da 
die Anordnung und Größe der Heizkreise die Anbringung zusätzlicher 
Temperatursensoren unmöglich macht, soll von der Widerstandsänderung 
jedes einzelnen Heizkreises auf dessen Temperatur geschlossen werden.
Der Regler wird in Labview programmiert. Dieser erzeugt ein PWM Signal 
durch Ansteuerung der digitalen Ausgänge der Messkarte. Das Signal 
schaltet die BTS432E2 Leistungsschalter.
Im abgeschalteten Zustand (Netzteile gesperrt) soll der Spannungsabfall 
in Folge der Widerstandsänderung durch die Messkarte erfasst und 
softwareseitig weiterverarbeitet werden.
Da die Grundwiderstände R0 bei 23 °C fertigungsbedingt zw. 3 und 15 Ohm 
schwanken, wollte ich eine Messbrücke zur Kompensation verwenden.
In Abb. 2 ist mein dazu erstellter Simulationsufbau zu sehen 
(Stromquelle, ersatzweiser Mosfet für BTS432E2, Messbrücke und 
Verstärkerstufe)

Mein Problem ist, dass der Heizwiderstand abwechselnd durch den Last- 
und Messstrom belastet wird. Ich weiß nicht ob und wie ich den Messkreis 
bei Last entkoppeln kann, damit dieser nicht beschädigt wird.
Ich bin als Maschinenbaustudent nicht gerade mit Wissen in Sachen 
Elektrotechnik gesegnet. Die Schaltungen spiegeln etwa meinen in den 
letzten Wochen angelesenen Kenntnisstand wieder. Es wird also reichlich 
Verbesserungsbedarf bestehen.  :)

Die konkreten Fragen:
-  Ist der dargestellte Aufbau möglich und sinnvoll?
-  Falls ja: Muss der „Messkreis“ bei Last entkoppelt werden und  wie 
kann man das machen?
-  Gibt es einen sinnvolleren bzw. einfacheren Aufbau der die Funktion 
erfüllt?
-  Oder bin ich mit meinen Überlegungen völlig auf dem Holzweg?

Anforderungen:
-  Betriebstemperaturbereich ca. 80 – 150 °C
-  Die Temperatur soll auf etwa +- 3 K genau eingehalten werden
-  Kostengünstig
-  Kein SMD

Wenn ich etwas Wichtiges vergessen habe, versuche ich die Informationen 
schnellstmöglich zu vervollständigen.

Autor: Ulrich (Gast)
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So ganz unrealistisch ist das Vorhaben nicht. Man hat aber ein kleines 
Problem: Wenn die Heizung voll an ist, kann die Temperatur so nicht mehr 
gemessen werden. Man braucht für die Messung jeweils ein kurze Pause in 
der Heizung. Das kann ggf. die Pause im PWM Signal sein, oder ein 
zusätzliche Pause extra für die Messungen.  Wie lange die Pause sein 
muss hängt vom AD Wandler und dem Programm ab.
Es kommt noch auf das Material der Heizleiter an. Man nimmt da oft 
welche mit eher kleinem TK - das wäre für die Messung problematisch.


Die Konstantstromquellen kann man sich noch sparen und mit einer 
Konstanten Spannung von z.B. 20 V und Vorwiderstand zum Anregen der 
Brücken arbeiten.

Die Differenzverstärker kann man so aufbauen, dass auch die 27 V (oder 
auch 40 V) von der Heizung keinen Schaden anrichten. Je nach 
Versorgungsspannung geht das schon mit der gezeigten Schaltung. Der 
Ausgang geht bis an den Anschlag, aber mehr passiert dabei nicht.

Das Ausgangssignal ist aber relativ klein. Bei 10 mA durch 10 Ohm hat 
man bei der Messung etwa 100 mV an der Heizung. Wenn die Heizleiter 
einen hohen TK haben (0,3%/K), wären das also etwa 0,3 mV / K an Signal. 
Da wäre etwas mehr Verstärkung sinnvoll. Wenn der TK kleiner ist, wird 
das Signal noch kleiner !
Der LF411 ist da als OP keine gute Wahl - besser wäre da z.B. ein OP07 
oder ggf. LT1013. Das ist aber ein eher kleines Problem - die OPs sind 
leicht austauschbar.

Autor: Alexander D. (alexander_d)
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Hallo Sebastian,

grundsätzich ist es möglich, eine Temperatur so zu regeln. Bei manchen 
Lötstationen wird die Kolbentemperatur so geregelt (z. B. Ersa 
Resistronic), allerdings haben die Heizelemente eine starke 
PTC-Charakteristik. Beim Aufheizen kann man erkennen, dass der Heizstrom 
regfelmäßig kurz abgeschaltet wird, um den Widerstand des Heizelements 
zu messen.

Wenn du deine Heizwiderstände mit Konstantstrom beheizt, ist der 
Spannungsabfall direkt proportional zum Widerstand. Das würde dir eine 
Umschaltung zwischen Heiz- und Messstrom ersparen.

Die von die verwendeten Heizelemente haben, wie du selbst schreibst, 
eine große Toleranz. Ob du die gerforderte Genauigkeit von +/-3°C auf 
diese Weise erreichst, wage ich zu bezweifeln.
Was spricht denn dagegen, einen Temperaturfühler einzusetzen?

Gruß,
Alexander

Autor: Sebastian S. (sebb)
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Hallo!
Danke für die bisherigen Antworten.
Ich habe versucht die Vorschläge, wie im Anhang ersichtlich, umzusetzen.
D.h.:
-  Konstantstromquelle durch Spannungsquelle + Widerstand ersetzt
-  Messstrom erhöht
-  Verstärkung erhöht
-  LF411 gegen LT1014 (4 fach OP) ersetzt

Die Widerstände habe ich so gewählt, dass die Leistung weder bei 
zugeschaltetem Laststrom, noch bei der Pause für die Messung 0,6 W an 
den Widerständen übersteigt. Die höchste Leistung setzt der 1,3k Ohm 
Widerstand Rv mit etwa 0,45 W um. Durch das Poti zum Brückenabgleich, 
R13 und R14 werden beim Anlegen der 27 V ca. 0,1 W umgesetzt.

Ich hoffe das ist OK oder ist die Widerstandsänderung durch Erwärmung zu 
groß?

Als Spannungsquelle will ich ein 24 V DC Steckernetzteil mit 
entsprechender Leistung verwenden.
Mittels Spannungsregler sollen  5 V Versorgung für die Messkarte (5 V, 
350 mA max) und 10 V Betriebsspannung für die Operationsverstärker 
erzeugt werden. Die LEDs an den Ausgängen der LM317 habe ich eingesetzt 
um den minimalen Ausgangsstrom von 10 mA (irgendwo gelesen) zu 
gewährleisten.

Muss ich bei den Differenzverstärkern noch etwas beachten?

Der Messbereich der Messkarte ist +- 10 V, bei 10 V Versorgung der 
Operationsverstärker sind keine Schutzmaßnahmen nötig, oder?

Kann ich das Ganze so im EAGLE „aufbauen“ oder ist noch etwas zu ändern? 
(z.B. Kondensatoren an den Versorgungen der OPAMPs, Diode hinter Rv, 
usw.)

Danke.

Gruß Sebastian

Autor: Sebastian S. (sebb)
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Hallo nochmal.

Ich kann den Messaufbau auch noch in besserer Auflösung posten. Ich 
hatte den Beitrag gestern Abend nur schnell mit einem Netbook verfasst.

Zum Thema Beheizung der Heizelemente mit konstantem Strom. Ich soll die 
vorhandenen Netzteile (jeweils 90 W, 27 V, Strombegrenzung bei 3,8 
A)verwenden. Die arbeiten also bei Lasten bis etwa < 7 Ohm als 
Stromquelle und regeln die Spannung herunter. Über 7 Ohm ist dann die 
Spannung konstant bei 27 V. Dadurch bekomme ich also kein auswertbares 
Signal.

Externe Temperaturfühler:
Anbringung nur durch konstruktive Änderung des Versuchsstandes bzw. 
Funktionseinschränkung durch Anbringung an Funktionsflächen möglich. 
Temperaturfühler würden mir persönlich auch besser gefallen, größere 
Umbauten sind aber im aktuellen Stadium nicht erwünscht. - entfällt 
also.

Grüße.

Autor: Reinhard Kern (Gast)
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Hallo,

überleg dir mal Folgendes: auf einer Herdplatte erhitzt du einen Topf 
Wasser. der Normalfall ist, dass die Drähte in der Herdplatte rotglühend 
sind, also über 500 Grad heiss. Wenn du jetzt damit die Temperatur des 
Wassers im Topf bestimmen willst, musst du warten, bis sich die 
Heizwicklung bis auf diese Temperatur abgekühlt hat. Hast du einen 
Begriff davon, wie lang das dauert? Ich würde sagen, von einer 
Viertelstunde aufwärts. Die Empfehlungen hier mit einer kurzen Pause 
oder der Lücke im PWM-Signal sind physikalisch völlig unsinnig.

Dein Versuchsaufbau kann natürlich viel besser sein als eine Herdplatte, 
aber das grundsätzliche Problem wird damit nicht gelöst. Du kannst in 
keinem Fall erwarten, dass dein Heizelement innerhalb mSec die 
Temperatur des beheizten Mediums annimmt, also misst du eine 
Mondtemperatur, die viele Grade höher ist. Mit deiner Schaltung misst du 
grundsätzlich nur die Temperatur der Heizwicklung.

Gruss Reinhard

PS "größere Umbauten sind aber im aktuellen Stadium nicht erwünscht" - 
typisch Uni: völlig egal, ob es sich um totalen Blödsinn handelt, das 
wird durchgezogen. Ich würde bei euch sofort rausfliegen wegen 
Defätismus und Insubordination.

Autor: Ulrich (Gast)
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Die Spannung fürs Treiben der Messbrücken sollte manvermutlich besser 
von den geregelten 10 V nehmen als auf die 24 V vom Steckernetzteil zu 
vertrauen. Die extra Diode bei der Speisung ist nicht so verkehrt - 
einige Regler mögen es nicht wenn die Spannung am Ausgang höher als am 
Eingang wird. So sehr hoch sind die Anforderungen ja nicht. Ein LED als 
Grundlast (z.B. 20 mA)  für den Regler würde auch reichen.

Bei der Brücke sollte man den oberen Widerstand ruhig deutlich größer 
als 10 Ohm wählen. Bei 10 Ohm wie der Heizwiderstand verliert man schon 
die Hälfte des Signals.

Die 10 K Widerstände an Differenzverstärker sollten als Schutz für die 
OPs reichen.

Damit die Temperatur der Heizwiderstandes auch etwa der Platte 
entspricht, wird man schon ein paar Sekunden warten müssen - viel länger 
vermutlich aber auch nicht. Sonst wäre genug Platz für einen 
zusätzlichen Fühler. Wie lange das Dauert hängt aber von der Heizplatte 
ab, das müsste man nachmessen.

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