Funksensor

Letztes Update 07.11.2002

14. Funksensor Adapter


14.1 Einleitung

Die Aufgabenstellung ist, einen Handelsüblichen Funksensor (wie er bei jeder Wetterstation dabei ist, oder auch als Einzelteil zu erwerben) so umzubauen, das ein beliebiges Eingangssignal mit linearer Kennlinie erfaßt werden kann.

Vorgabewerte:

Eingang: 0 bis 2,5 Volt

Ausgang: Anzeige der Feststation 0 bis 2,5 °C

Die Anzeige 'Grad' kann in der Station natürlich nicht geändert werden, aber vielleicht in der zugehörigen Software im PC. Es gibt noch einige weitere Randbedingungen:

14.2 Der Sensor

Bild 1: Platine des Sensors mit Lötaugen für den NTC (A2, A3)

Bild 2: Der Sensor

Bei dem Sensor handelt es sich um einen typischen NTC.

Bild 3

Zur Aufnahme der Kennlinie wurde der Sensor entfernt und durch einige Widerstände ersetzt. Die Tempertur wurde dann am Empfänger abgelesen (rote Punkte). Danach schnappt man sich die Gleichung für den NTC zur Berechnung des Widerstandes, gibt sie in eine Tabellenkalkulation ein und verändert so lange den B-Wert bis die roten Punkte so ungefähr reinpassen.

Gleichung zur Berechnung des Widerstandes

mit

Ts = Bezugstemperatur = 298 K = 25 °C
Rs = Bezugswiderstand bei 298 K = 10k Ohm
T = Temperatur in K
B = B-Wert

Für den B-Wert wurde 3245 ermittelt

14.3 Funktionsprinzip

Bild 4

Bild 4 zeigt den rekonstruierten Schaltplan des Sensorteils.

Bild 5

Bild 5 zeigt den Spannungsverlauf an Meßpunkt 1

Bild 6

Bild 6 zeigt den Spannungsverlauf an Meßpunkt 2

Daraus läßt sich folgender Meßvorgang ableiten:

  1. Über R2 wird der Kondensator C1 geladen. Die Spannung wird über Pin X2 und Pin X4 gemessen. Stimmen beide Messungen überein, dann ist der Sensor OK. Stimmt das Signal nicht mit X4 überein, dann ist der Sensor defekt oder nicht vorhanden und es wird eine entsprechende Meldung an die Station übertragen. Bei meinem Innen-/Außensensor erscheint in der Anzeige dann ein OFL. Zu beachten ist, das X4 hier als Eingang arbeitet.
  2. Über X1 wird T1 angesteuert und dadurch der Kondensator C1 entladen.
  3. X4 arbeitet jetzt als Ausgang. Über den NTC wird jetzt mit einer Spannung von 3Volt der Kondensator C1 geladen. In Bild 6 ist die typische Ladekurve zu sehen. Die Ladung erfolgt bis zu einem bestimmten Spannungpegel (ca.2,5V).
  4. Der Controller mißt die Zeit bis zu dieser Spannungsgrenze, berechnet daraus den Temperaturwert und überträgt den Wert zur Station.
  5. Über X1 wird jetzt nochmal T1 angesteuert und dadurch C1 entladen. Der Meßvorgang ist jetzt beendet und der Controller schaltet für ca. 1 Minute alles ab.

14.4 Umsetzung - 1. Möglichkeit

Die erste Idee der Manipulation zeigt Bild 7

Bild 7

Anstelle des NTC wird ein Feld-Effekt-Transistor als steuerbarer Widerstand eingesetzt. Eine analoge Eingangsspannung wird dann so aufbereitet, das ein vergleichbares Ausgangssignal übertragen wird, also z.B. 0 bis 2,5 Volt soll in der Anzeige als 0 bis 2,5 °C erscheinen.

Bild 8

Dazu wird aus der aufgenommenen Kennline des Sensors ein Stück ausgewählt, das folgende Kriterien erfüllen muß:

  1. Die Bereich der Gatespannung darf nicht so klein sein, das eine kleine Änderung, wie ein Störung, eine große Änderung des Ausgangssignal zur Folge hat.
  2. Für ein Änderung des Ausgangssignals von 2,5°C ist eine Änderung des Widerstandes von 3,2 kOhm notwendig.
  3. Das ausgewählte Kennlinienstück sollte so linear wie möglich sein.

Bild 9

Es wurde zu mehreren Kennlinienstücken der absolute Fehler berechnet. Das Stück mit dem kleinsten Fehler (siehe Bild 9) wurde ausgewählt.

Da die Eingangsspannung von 0 bis 2,5 gehen soll, die Kennline aber eine fallende Kurve ist, läßt sich zur Berechnung der Gatespannung Ug folgende Gleichung aufstellen:

mit Gd = Umin - Umax ergibt sich

Nach dieser Gleichung sind zwei Differenzverstärker notwendig. Die Gleichung wird deshalb aufgelöst nach

Der 2. und 3. Therm besteht aus Konstanten und kann zu einem Therm zusammengefaßt werden.

Daraus ergibt sich eine Schaltung mit nur einem Differenzverstärker. Da bei OP's und Transistoren Examplarstreuung der Kennlinien vorkommen, wird für die beiden konstanten Parameter zusätzlich ein Trimmer eingesetzt, um diese auszugleichen.

Bild 10

IC1a puffert das Eingangssignal. R5, R6 und P2 bilden den Dividierer umd die maximale Eingangsspannung von 2,5 Volt auf 0,11 Volt zu reduzieren. IC1b entkoppelt dieses Signal um den Eingang des Subtrahierers nicht zu beeinflussen. R1, R2 und P1 bilden einen Spannungsteiler. Dieses Spannung wird vom Eingangssignal durch IC3b subtrahiert um die Steuerspannung für den FET zu erzeugen. R9 entspricht beim NTC der Temperatur von 2,5°C Dazu wird dann die Widerstandsänderung von 3,2kOhm des FET bis zu 0°C addiert (das sind die beiden roten Punkte bei der 0°C Linie in Bild 3).

Ergebnis des ersten Versuchs: Es funktioniert nicht.

Auf dem Oszilloskop zeigt sich an Meßpunkt 2 folgendes Bild:

Bild 11

Ursache: Noch unbekannt.

Die Spannung am Gate ist korrekt.

Die Kennlinie (Bild 12) wurde jetzt komplett aufgenommen, d.h. Gatespannung einstellen und die Anzeige an der Station in °C ablesen.

Bild 12

Bild 13 zeigt den brauchbaren Ausschnitt für den Bereich von 0 bis 2,5 °C

Bild 13

Es zeigte sich, das die Gatespannung zu den berechneten Werten um 0,7 Volt höher liegt. Ursache: unbekannt. Das Ganze sieht nach einem Gesetz von Murphy aus, der den Zusammenhang zwischen Theorie und Praxis beschreibt.

Bild 14 zeigt den absoluten Fehler in %

Bild 14

Dieser Fehler ist unakzeptabel, aber es war eigentlich auch nichts anderes zu erwarten, wenn man mit zwei nichtlinearen Kennlinie arbeitet.

14.5 Umsetzung - 2. Möglichkeit

Da der Wiederstand des NTC mit steigender Temperatur sinkt, muß der Strom steigen um die Spannung am Kondensator auf 2,4V zu bringen. Diese Aussage ist zwar nicht ganz richtig, da der Kodensator über eine konstante Spannung geladen wird, er hilft aber, den Vorgang etwas besser zu verstehen. Das Entscheidende dabei ist die sich daraus abzuleitende Idee, das durch einen zusätzlich eingekoppelten steigenden Strom auch eine Steigerung der Temperaturanzeige abgeleitet werden kann.

Die Schaltung hätte noch einige zusätzliche Vorteile:

  1. Keine zweite krumme Kennlinie durch den FET
  2. Keine zusätzliche negative Versorgungsspannung
  3. Nur ein Operationsverstärker

Bild 15

Die Schaltung besteht aus einer Spannungsgesteuerten Stromquelle. Der Strom wird einfach mit auf den Kondensator (C1 in Bild 4) gegeben und addiert sich zu dem Strom, der durch den NTC fließt. Der NTC wird natürlich entfernt und durch R6 und P2 ersetzt. Der Abgleich ist realtiv einfach. Die Eingangsspannung wird auf 0V gedreht und P2 so lange verändert bis die Temperaturanzeige auf 0°C steht. Die Eingangsspannung wird dann auf 2,5V eingestellt und P1 so lange geändert bis die Temperatur auf 2,5°C oder 5°C steht, je nachdem welcher Bereich gewünscht wird.

Bild 16

Bild 16 zeigt Einstellungen der Stromquelle für unterschiedliche Temperaturbereiche. Man sieht deutlich die steigende Nichtlinearität je höher der Aussteuerungsbereich wird. Als Beispiel wird der noch einigermaßen lineare Bereich bis 5°C betrachtet.

Bild 17

Die rote Kurve ist die aus den Meßwerten berechnete Regressionsgerade. Bild 18 zeigt die Differenz zu den aufgenommenen Werten als absoluten Fehler in %.

Bild 18

Es zeigt sich ein wesentlich besseres Verhalten als bei der FET Lösung und das noch bei der doppelten Auflösung. Es zeigt sich auch, daß der Fehler am Anfang und am Ende des Bereiches am größten ist. Es sollte beim Abgleich mit P1 also am besten eine Eingangsspannung von 1,25V vorgegeben werden und der Ausgang dann auf 1,25°C bzw. 2,5°C eingestellt werden.

Um die Auflösung noch weiter zu steigern ist ein Kompensation der NTC Kennlinie notwendig, da der Meßfehler sonst zu groß wird.

Darüber denke ich nächstes Jahr mal nach.

Bild 19