Temperatuurregeling scheiding van een temperatuursensor

Een ruimtelijke scheiding van een temperatuursensor uit een verwarming is één van de oorzaken  van het optreden van thermische fouten. Deze fout wordt gecreëerd door de weerstand tussen de temperatuursensor en de verwarming wat een vertraging in de temperatuur controle met zich mee brengt. Dit resulteert in het op treden van de zones met een temperatuur van meer als de gewenste temperatuur.

Weliswaar, moeten er dan ook 2 filmen worden gegroeid voor het verkrijgen van dit systeem. De dikte neemt toe, er is extra tijd nodig om deze tweede laag te laten groeien. En dit alles resulteert in een grotere kost wat nadelig is voor een latere commerciële kant van het uiteindelijk product.

Daarom werd er op zoek gegaan naar een eenvoudige en meer accurate manier met maar één enkel diamantfilm.

Als de maximale operationele temperatuur van diamantfilm 150-180°C overstijgt, kunnen de bovenstaande problemen worden opgelost door een combinatie van beide functies in een weerstand/verwarmingsbron element. De meting van de temperatuur en verwarming gebeuren door één enkel component. Naar deze toepassing was men naar opzoek.

Een schema van deze temperatuursregeling, met combineerde temperatuurmeting en verwarming in één component, wordt in de onderstaande figuur weergeven.

Het schema bevat een meetbrug gebaseerd op en temeparatuursensor - verwarmings Rt, weerstanden R1 t.e.m. R3 en een oparationele versterker (OA) M1.Het circuit bestaat verder uit een comparator die op basis van een OA M2 is gebaseerd, een monster - and - hold circuit (SHC) verwezenlijk m.b.v. M3,een gated comparator gebaseerd op een integraal comparator M4 samen met een geopende uitgang van de collector en een transistor Q3 en tot slot twee transistors als schakelaars Q1 en Q2.

Dit circuit wordt bedient vanuit de ingang G door een rechthoekgepulste generator. Deze generator zorgt ervoor dat de temperatuurmeter - en de verwarmingsmode constant afgewisseld wordt, deze kunnen niet samen gedaan worden wegens het optreden van mismetingen in dat geval. Wanneer de ingang G hoog is, is de temperatuurmetermode actief. In dit gaval, gaat het niet gebalanceerd signaal van de meetbrug gevoed worden aan de ingang van comparator M2. Dit signaal wordt vertrekt door deze comparator en wordt vervolgens bijgehouden door de SHC die in de bemonsteringmode is geschakeld. De uitgang van comparator M4 staat in de hoge impedantiemode geschakeld. Dit is te wijten aan het hoge niveau van de strobe spanning. De transistor Q1 staat dan in de "openmode" geschakeld wat het werkingsprincipe van de meetbrug niet beïnvloed.

Wanneer nu de ingang G laag wordt het hele circuit in verwarmingsmode geschakeld. Dit houdt in dat de SHC in hold mode komt in plaats van bemonsteringmode, en de transistor Q2 komt in de cut-off ( niet in geleiding). In het eerste moment zal de capaciteit C1 zich ontladen tot bijna 0 volt waarop deze begint op te laden door weerstand R4. In het geval dat de voltage van de SHC uitgang, de voltage van de capaciteit overstijgt,op dezelfde tijd,dan schakelt comparator naar lage impedantie. M.a.w. uitgang 9 van de comparator wordt laag. Door het laag worden van uitgang 9 gaat de transistor Q1 overgang naar de verzadigde toestand (een gesloten schakelaar). De stroom Ih van de energiebron (+12v) loopt dan door temperatuursensor / verwarmingselement en de diode D1.Met het gevolg dat deze verwarmt wordt. Op hetzelfde tijdstip, dankzij diode D2, is de uitgang van de comparator afgesloten van de temperatuursensor / verwarmingselement en de collector van transistor Q1. Dit is van doen om de uitgang van comparator Q1 te beschermen tegen overbelasting.

Wanneer nu de voltage van de capaciteit C1 de waarde bereikt van de SHC uitgang, dan schakelt de comparator M4 naar de hoge impedantie. De transistor Q1 wordt in de cut-off stand gedwongen, de stroom Ih stopt met vloeien door temperatuursensor / verwarmingselement, het verwarmingsproces valt stil. Het interval, wanneer er verwarmt of niet verwarmt moet worden, word bepaald door het voltageniveau dat opgenomen is door de SHC in de temperatuurmetermode. Het interval wordt dus bepaald door het temperatuursensor / verwarmingselement. Wanneer nu bij de verschijning van een laag signaal aan de ingang G, de uitgangsspanning van SHC lager is dan de aanvankelijke spanning van de capaciteit C1, zal er geen verwarming plaatsvinden. De comparator M4 blijft tijdens de verwarmingsmode constant hoog. Dit is de situatie die voorkomt wanneer de temperatuur van het temperatuursensor / verwarmingselement zick boven de nominale temperatuur bevindt.

Afhankelijk van de pulsbreedte en de pulsfrequentie kan de nauwkeurigheid en gevoeligheid van de schakeling regelt worden. De comparator M2 draagt bij tot deze nauwkeurigheid en zorgt ook voor  de fout compensatie. Deze fouten worden veroorzaakt door het SHC en de comparator M4. De comparator M2 is zonder negatieve feedback waardoor de absolute fout kan worden bepaald door rekening te houden met de onvolmaaktheid van de versterking qua versterkingsfactor.

De spanning aan de uitgang van de comparator kan variëren tussen 0 volt en de maximum voltage van de voedingsbron afhankelijk van de warmte-uitwisseling tussen de temperatuursensor / verwarmingselement en de omgeving. Dit leidt tot een spreiding van de ingangsspanning van de comparator gebaseerd op een oparationele versterker M2 dit is tevens de uitgangsspanning van de brug van oparationele versterker M1. Dit ingangssignaal kan eenvoudig berekent worden aan de hand van de versterkingsfactor K van M2 met de volgende formule:

Uout(M2)K(M2)

Deze spanning drukt de temperatuurverschil uit tussen de gewenste waarde en de effectieve waarde van de temperatuur, de fout als het ware. Aan de hand van deze spanning kan men ?T bepalen.

?T=Uout(M2)K(M2)·R2+R3R2·R1E1·1?                      (1)

? :               temperatuursgevoeligheid van het temperatuursensor / verwarmingselement in ?/K

R1 - R3 : weerstanden van de meetbrug in ?

K :               versterkingsfactor

Uout :               uitgangsspanning in volt

Als er wordt aangenomen dat Uout (M2) = E1 en dat R2 >> R3 kan de formules vereenvoudigd worden tot:

?T=R1K(M2)·1?

De meetbrug

Het principe van dit werkingsschema heeft al veel malen bewezen dat het betrouwbaar en goede nauwkeurigheid kan afleveren. Maar om deze toepast te krijgen in ons doel, uiteindelijk een handdevice te maken, moet er worden ingezoomd op de meetbrug. Zoals hier boven werd aangehaald bestaat de meetbrug, ook wel de brug van wheatstone genoemd, uit 4 weerstanden R1,R2,R3 en Rt. Een overzichtelijk schema van de meetbrug, waarbij de 4 weerstanden in een ruit staan geschakeld, wordt hieronder weergeven (fig.1).

De brug van wheatstone is speciaal ontwikkeld voor het meten van een onbekende weerstand, Rt in dit geval en met behulp van de volgende formule kan deze berekend worden.

Rt=R1R3R2                                                              2

Een andere toepassing van de brug van wheatstone is wanneer één van de weerstanden wordt vervangen door een sensorweerstand die een fysische grootheid, zoals druk, temperatuur,licht,enz., omzet in een kleine weerstandvariatie. De meetbrug zal deze weerstandvariatie omzetten in een spanning over de diagonaal van de meetbrug. Deze kleine verschilspanning moet versterkt worden omwille van de kleine waardes die deze spanning kan aannemen. In veel gevallen moet de instelspanning van de sensorweerstand verwijderd worden. Dit wordt ook het ijken van de meetbrug genoemd. Door een tweede weerstand van de brug uit te voeren als een potentiometer kunt u de brug ijken voor een bepaald nulpunt. Dit is wanneer voltmeter Vg (fig ???) nul aangeeft dan is de meetbrug gebalanceerd. De brug is stabiel waardoor de volgende formule geld:

R3Rt=R2R1                                                           (3)

Met behulp van de bovenstaande en de onderstaande formule kunnen dan alle weerstanden berekent worden wanneer 2 van de 4 weerstanden bekent zijn.

VAB=IABC·R2=VinR2+R3R2                    (4)

VAD=IADC·R1=VinR1+RtR1                    (5)

Nu de werking van de meetbrug onder de loep is genomen, kan men deze gaan toepassing op een temperatuurregeling met behulp van diamant. De sensorweerstand in de voorgaande verklaring van de meetbrug wordt vervangen door onze diamantfilm. Een fysische grootheid die zijn weerstand verandert in functie van de temperatuur. Bij het plaatsen van deze diamantfilm in de meetbrug moet er rekening gehouden worden met een aantal zaken. Ten eerste, de meetstroom moet binnen  een bepaald interval liggen. Wanneer deze stroom te hoog wordt, gaat de diamantfilm een bepaalde warmte ontwikkelen (P=I2R ) die niet meer volledig aan de omgeving kan af gegeven worden. Met als resultaat dat de diamantfilm opwarmt waardoor de weerstand van de diamantfilm kleiner is dan de werkelijke waarde. Met als gevolg dat er een foute lezing van de temperatuur gebeurt. Wanneer deze stroom te laag is, kan deze niet volledig door de "te grote" weerstand dringen waardoor een veel grotere weerstand waarde wordt bekomen dan de werkelijke waarde. Met opnieuw een foute temperatuurslezing tot gevolg. Proefondervindelijk werd een stroomsterkte van 10 µA gevonden, die ruimschoots tussen deze twee grenzen ligt waardoor de nadelige effecten uitgesloten worden. Ten tweede, omdat men de temperatuur constant op 37° graden moet worden gehouden, bepaalde moleculen van veel actiever op 37°graden dan op kamertemperatuur, moeten de weerstanden berekent worden op basis van de diamantfilm bij 37° graden(Rt37). Met deze voorwaardes in achterhoofd kan men de berekening maken voor de meetbrug te construeren.

Ø Hieronder wordt een berekening weergeven met een diamantfilm die op 37°graden een weerstand heeft van 450?.

Aan de hand van de voorwaardes kan er worden gesteld dat de meetstroom IADC ( zie fig bovenstaand) 10 µA bedraagt. En de voedingsspanning is 12 volt.

* IADC               = 10µA

* Rt37               = 450?

* Vin              =12 volt

Uit formules (5) kan men de weerstand R1 halen mits deze de enige onbekende is.

IADC=VinR1+Rt37     

R1+Rt37=VinIADC     

R1=VinIADC-Rt37 

Ingevuld geeft dit:

R1=12v10µA-450O

Omdat 12v10µA>> 450O kan er gesteld worden:

R1=12v10µA=1,2 MO

Nu 2 van de 4 weerstanden bekent zijn kan en de andere weerstanden gaan bepalen, met de formule(3), ter vollediging van de meetbrug.

R3450O=R21,2 MO

R3R2=450O1,2 MO=38000

R3/R2moet dus een verhouding hebben van 3/8000.

R2 = 78,7k? +  1,3k? = 80k? (in serie)

Als deze metingen voltooid zijn is de brug bij juist 37°graden gebalanceerd. Bij een afwijking van deze 37 °graden gaat de weerstand waarde van de diamantfilm variëren. M.a.w. de meetbrug is uit balans wat een zich uit in een verschilspanning. Afhankelijk van deze verschil spanning gaat het circuit verwarmen of niet. 

Rechthoekgepulste generator

Nu het meet/verwarmingscircuit via de meetbrug is aangepast aan onze doelstellingen moet de rechthoekgepulste generator nog onder de loep worden genomen.

In de onderstaande figuur ( 255533 ) wordt rechthoekige golf weergeven van een onstabiele circuit zijn uitgang. In één cyclus wordt er een lage en hoge puls genereert. De tijd waarbij dit gebuikt noemt men de periode. De periode is direct verbonden met de frequentie via de formule:

F=1T

F:frequentie in hz

T: periode tijd in s

Deze laatste waarde van duty cycle kan men gebruiken bij temperatuurregeling omwille dat de verwarmingspuls iets langer mag plaats vinden,dit heeft immers meer tijd nodig om de diamantfilm warm te stoken dan de temperatuurspuls. Deze kan met een relatieve korte mark periode een werkelijk temperatuursmeting doen.

De fig 21 geeft het schema weer van een veel toegepaste pulsgenerator. Om de bovenstaande stelling te kunnen realiseren gaat men de weerstanden R1, R2 en de capaciteit C moeten berekenen. Deze zijn als het ware de parameters van de rechthoekige golf, de frequentie en duty cycle. Via de onderstaande formules kan men de parameters berekenen.

Tmark=0,7R1+R2C     (6)

Tmark=0,7R2C                   (7)

F=1,44R1+2R2C                (8)

Ø Berekening van een pulsgenerator met een verwarmingsperiode van 1 sec en 0,1 sec voor de temperatuur te meten.

Tmark               = 0,1sec

Tspace               = 1sec

Deze kan men toepassen in de formule (6) en (7). De onbekende capaciteit C kan men zelf kiezen zodat dan de bekomen waarden van weerstanden realistisch en verkrijgbaar zijn op de markt. Men neemt een capaciteit van 10µF bij deze toepassing waardoor de bekomen weerstanden ruimschoots binnen de accepterende grens vallen.

R2=Tspace0,7C

R2=0,1s0,7·10·10-6F=14285,7?

R2=14,3k?

Nu R2 bekend is kan men via formule (6) R1 bepalen.

R1=Tmark0,7C-R2

R1=1s0,7·10·10-6F-14,3·103?=128557,1?

R1=130k?

Via formule (8) vindt men voor de frequentie

F=1,44130·103?+2·14,3·103?10·10-6F=0,9079Hz

T=1F=10,9079Hz˜1,1s=Tmark+Tspace

Prijsanalyse

Nog te vervolledigen

De weerstanden gebruikt bij het samenstellen van dit circuit kunnen van verschillende nauwkeurigheid en kwaliteit zijn. Afhankelijk van deze nauwkeurig moet er een meerwaarde in prijs worden gegeven.

De nauwkeurigheid van een weerstand wordt uitgedrukt in percenten van toleranties. Dit is de maximale afwijking die de weerstand kan hebben ten opzichte van de gegeven waarde. Deze afwijkingen worden in een E-reeks weergeven van E3, de grootste toleranties, tot E192.

De meetbrug moet uiterst nauwkeurig zijn voor het waarnemen van de kleinste weerstandvariaties van de diamantfilm. Doorvoor worden er weerstanden gekozen met zo'n klein mogelijke tolerantie, met de prijs in het ooghoudend. De weerstanden van de E192 reeks worden hier het best voor gebruikt omdat deze weerstanden maar maximum 0,5% afwijken.

De weerstanden voor de pulsgenerator moeten niet van zo'n hoge kwaliteit zijn. Als deze beetje meer afwijken als normaal, heeft dit geen cruciale gevolgen op de werking en zijn precisie van het circuit.

Bronnen

Zie ook twee papers

http://www.hobbyelektronica.nu