8.1.1 Temperatur

Letztes Update 27.09.2002


8.1.1.1 Übersicht

Es gibt 3 Temperaturmeßstellen.

Lufttemperatur Schatten

Sensorposition: Schattenbereich und Luftberuhigt

Benutzter Meßbereich: -20°C bis 50°C
Delta T = 70°C
Delta V = 0,7V
Ausgangsspannungsbereich Sensor: 2,5315..3,2315V
Ausgangsspannungsbereich Verstärker: 0,1723..4,0013V
Bei -2,5V Offset und V=5,47

Die normgerechte Position  des Sensors ist 2m über dem Boden.

Lufttemperatur Sonne

Sensorposition: Freie Position mit Sonneneinstrahlung

Benutzter Meßbereich: -20°C bis 70°C
Delta T = 90°C
Delta V = 0,9V
Ausgangsspannungsbereich Sensor: 2.5315..3.4315V
Ausgangsspannungsbereich Verstärker: 0,1351..3,9961V
Bei -2,5V Offset und V=4,29

Wird nur interessehalber gemessen um den Wert mit dem Stern-Pyranometer und einer Solarzelle zu vergleichen.

Bodentemperatur

Sensorposition: Im Boden eingebuddelt.

Benutzter Meßbereich: -20°C bis 30°C
Delta T = 50°C
Delta V = 0,5V
Ausgangsspannungsbereich Sensor: 2.5315..3.6315V
Ausgangsspannungsbereich Verstärker: 0,1115..4.0055V
Bei -2,5V Offset und V=3,54

Nach DWD wird die Bodentemperatur in 6 verschiedenen Tiefen gemessen

5 cm über dem Boden für Nachtfrost Erkennung
10 cm unter dem Boden
20 cm unter dem Boden
30 cm unter dem Boden
50 cm unter dem Boden
100 cm unter dem Boden

Sensor

Verwendeter Sensor: LM335Z von National Semiconductor
Meßbereich: -40°C bis 100°C
Arbeitsstrom: 400uA bis 5mA
Ausgangsspannung: 2.3315V bis 3.7315V

Laut Datenblatt besitzt der Temperatursensor eine Nichtlinearität im Meßbereich von 0.8125°C im Bereich von -55°C bis 125°C, d.h. wenn -55,375°C gemessen werden, ist die eigentliche Temperatur -55,0°C und wenn 125,4375°C gemessen werden, ist die eigentliche Temperatur 125,0°C.

Bild 1: Auszug aus Datenblatt

Die daraus resultierende Gleichung T = Tm[°C] * 0.995506 + 0.126167 wird in die Kalibriergleichung des Sensors mit eingerechnet.

Wichtig sind bei der Lufttemperatur die Werte um 07.00 Uhr, 14.00 Uhr und 21.00 Uhr Ortszeit. Aus diesen Werten wird das Tagesmittel, und daraus wieder das Monats- und Jahresmittel errechnet.

8.1.1.2 Schaltung

Bild 2

Die Grundschaltung besteht aus einem Subtrahierer (IC1b). Der untere Meßbereich beginnt bei -20°C. Das entspricht einer Spannung UT von 2,5315V. Von UT wird also erst mal 2,5V abgezogen. Die einzelnen Verstärkungsfaktoren werden über R4/R5 eingestellt und sind der Tabelle im Schaltplan zu entnehmen. Sie sind so gewählt, das der gewünschte Temperaturbereich bei ca. 4V landet. Zum Test wurde der LM335 mal durch eine Spannungsquelle ersetzt. Die Ergebnisse stehen in Tabelle 1.

T [°C]
Berechnet aus Datenblatt

UT [V]
Vorgegeben

Ua [V]
Gemessen

T [°C]
Berechnet

-18,36

2,550

0,257

-18,15

-8,31

2,650

0,816

-8,15

1,73

2,750

1,374

1,84

11,77

2,850

1,933

11,85

21,82

2,950

2,492

21,86

31,87

3,050

3,050

31,75

41,91

3,150

3,609

41,85

51,96

3,250

4,167

51,84

Tabelle 1

Um die ersten Kalibrierparameter zu erhalten werden die Werte von Spalte 1 und Spalte 3 durch die Gleichung für eine Lineare Regression geschickt. Als Ergebnis bekommt man die Koeffizienten für Offset B1 = -22,984690 und Scale A1 =17,983248 und es kann daraus T1 berechnet werden. Diese Temperaturen müssen jetzt noch durch die Ausgleichsgerade (Bild 1) korrigiert werden und ergeben die entgültigen Werte in Spalte 4.

Die beiden Kalibriergleichungen können auch zusammengefaßt werden:

T1 = Ua * A1 + B1

T = T1 * A2 + B2

T = (Ua * A1 + B1) * A2 + B2

T = Ua * (A1 * A2) + (A2 * B1 + B2)

T = Ua * A + B

A = A1 * A2 = 17,983248 * 0,995506 = 17,902431

B = A2 * B1 + B2 = 0,995506 * -22,984690 + 0,126167 = -22,755230

Mit dieser Gleichung kann ohne Kalibrierung des Sensors schon ein brauchbares Meßsignal erzeugt werden.

8.1.1.3 Steckerbelegung

8.1.1.4 Kalibrierung

Da sich der Sensor in seinem Meßbereich linear verhält, sollte eine einfache Zweipunkte Kalibrierung für genauere Messungen ausreichen.

Kalibrierpunkt 1 bei 0°C:

Hierzu wird eine Thermoskanne aus einem Gemisch von kleingetoßenen Eiswürfeln und Wasser bis zur Hälfte gefüllt. Es ist darauf zu achten, das nur mit destilliertes Wasser benutzt wird. Der Wasseranteil sollte 30% nicht überschreiten. Wird dieses Gemisch konntinuierlich gerührt (aber nicht zu schnell, da es sich sonst erwärmt), kann man davon ausgehen, das sich eine Temperatur von 0,00 °C einstellt. Der Sensor wird jetzt mindestens 5 cm eingetaucht. Er darf jedoch keinen Kontakt zum Rand der Thermoskanne bekommen. Auf dem Bildschirm wird sich der Meßwert jetzt ändern. Der Meßwert wird notiert wenn keine Änderung mehr stattfindet.

Kalibrierpunkt 2 bei Körpertemperatur:

Wenn kein geeichtes Thermometer zur Verfügung steht, kann man ein Fieberthermometer benutzen. Sie besitzen im allgemeinen eine Genauikkeit von 0,1 °C. Der Sensor wird dazu mit einem Klebestreifen an die Spitze des Fieberthermoters befestigt. Das ganze kann man sich dann so lange unter die Zunge schieben bis sich die Anzeige auf dem Bildschirm nicht mehr ändert. Es ist jedoch zu beachten, das die Quecksilbersäule des Fieberthermometers eine sehr große Reaktionszeit besitzt. Man sollte also mindestens 10 Minuten darauf rumnuckeln. Man kann auch die digitalen Fieberthermometer benutzen. Es ist jedoch darauf zu achten, das sie auch nur eine Genauigkeit von 0,1°C haben obwohl die Anzeige bis 0,01°C geht.

Achtung, die Messung wird mit den Kalibrierparametern A = 1,0 und B = 0,0 durchgeführt.

Kalibrierfaktoren berechnen:

y = A * x + B

A = (y2 - y1) / (x2 - x1)

B = y2 - A * x2

Achtung: Nicht die Verknüpfung mit der Korrekturgeraden vergessen.

8.1.1.5 Mechanik

8.1.1.6 Schaltplan und Layout

Schaltplan

Layout

8.1.1.7 Stückliste

Stückliste

8.1.1.8 Ergebnisse