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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Sehr hoch auflösender PT100 Messverstärker


Autor: Dennis Köhn (cruzader)
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Heyho!

Ich würde gerne für meine Arbeit an der Uni (Temperaturmessungen zwecks 
kalorimetrischer Auswertung) einen PT100 Messverstärker bauen. Bei den 
anfänglichen Fragen wurde mir im Usenet sehr toll geholfen, allerdings 
geht es inwzwischen doch immer mehr in Richtung integrierter 
Schaltkreise und auch Bildanhänge werden für weitere Fragestellungen 
immer wichtiger. Darum möchte ich das Projekt nun gerne mit euch weiter 
verfolgen... :-)

Erst einmal, worum es geht: Ich muß wie gesagt Temperaturen möglichst 
hoch aufgelöst messen, um aus den Änderungen dann auf die ein- oder 
ausgetragene Energie rückschließen zu können. Dafür verwende ich 
momentan einen analogen Messverstärker/Linearisierer, der ein PT100 im 
Bereich 0-200 °C als Signal von 0-10 V ausgibt. Dieses sample ich über 
eine Keithley KPCI-3116 und erreiche nach Mittelwertbildung (2000 Hz 
Samplefrequenz) etwa 0.001 K Auflösung. Diese reicht zwar zur Auswertung 
halbwegs, jedoch ist die Gesamtlösung recht unbefriedigend: Ich verwende 
eine Analogkiste mit 4 Potis und mindestens 50 anderen passiven 
Bauteilen pro Kanal (Driftgefahr!) , sample mit 16 bit und trickse dann 
über den Mittelwert usw.. Außerdem ist der Grundaufbau bald 20 Jahre 
alt, weshalb die Messverstärker auch mehr und mehr Marotten entwickeln. 
Also Selbstbau...

...Für den Selbstbau habe ich mich lange mit ADCs beschäftigt und auch 
in Richtung SPI und Mikrocontroller inzwischen einiges ausprobiert. Als 
Ideal hat sich immer wieder eine Kombination aus dem AD7793 und einem 
ATMEGA zum Sammeln und Übersetzen der Daten nach RS232 
herauskristallisiert. Dabei möchte ich nach dem Motto "keep it simple" 
auch auf MUX usw. verzichten und möglichst jedem Kanal einen eigenen ADC 
samt Spannungsversorgung und Referenzen zur Verfügung stellen. Mir ist 
schließlich die Auflösung weit mehr wert, als wenn ich nachher an der 
Kiste 50€ gespart hätte.

Nun zur Fragestellung. Momentan bin ich bei der Auslegung der Schaltung, 
um diese dann endlich zu erstellen und in eine Platine zu bannen. Bitte 
kommentiert bzw. verbessert wenn möglich meine Rechnungen:

Der ADC soll wie oben geschrieben ein AD7793 werden, weil dieser sowohl 
OpAmp, als auch Stromquellen integriert hat. Damit ergibt sich AFAIK als 
Dimensionierung:

- Ich möchte 1 mA Messtrom nutzen
- PT100 hat bei 0 °C 100 Ohm, also 0.10 V Spannungsabfall
- PT100 hat bei 210 °C etwa 180 Ohm, also 0.18 V Spannungsabfall
- Gain*16 ergibt 1.6 V bei 0°C und etwa 2.9 V bei 210°C, also ein delta 
von 1.3 V
- Die Referenzspannung wird ratiometrisch aus der zweiten Stromquelle 
erzeugt. Hier kommt dann 1.6K und 2.9K in Reihe, so daß 1.6 V und 2.9 V 
als  low bzw. high zur Verfügung stehen.

...Laut Datenblatt macht der AD7793 bei gain=16 mit externer Referenz 
19(21.5) Bit bipolar bei 1 Mikrovolt noise. Rechne ich mir die mit 
meinem Messbereich von 1.3V/210K durch, komme ich auf 0.0004 K bzw. 2.5 
Mikrovolt Auflösung, also richtig tolle Werte. Was meint ihr dazu?!

Liebe Grüße,
Dennis

Autor: Sven (Gast)
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Bis wieviel ºC nusst Du denn messen können ?

Autor: Dennis Köhn (cruzader)
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Die meisten Messungen finden so im Bereich 70-100 °C statt. Ich wollte 
mich aber wegen des bisherigen Bereiches von 0-200 °C nicht zu sehr 
festlegen und diesen ebenfalls realisieren. Unter 0 °C werden wir wohl 
nie etwas messen müssen und über 200 °C wird die Anlage auch rein 
Sicherheitstechnisch schon zu heikel. Es sollte also ganz gut passen.

Aber dran denken: Ich brauche relative Genauigkeit. Meinetwegen kann die 
Kiste bei 70 °C ihre 75 °C anzeigen. Eine Temperaturerhöhung UM 1 °C 
sollte hingegen nicht viel mehr als 0,1 % von der Realität abweichen, da 
ich mir sonst über die Dauer einen riesen Fehler zusammen integriere.

UNd bevor Unklarheiten entstehen: Der Messverstärker befindet sich 
natürlich außerhalb des Abzugs auf Raumtemperatur und ist über 2 m lange 
Strippen (4-adrig) mit den PT100 verbunden.

Autor: Stefan Salewski (Gast)
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http://groups.google.de/group/de.sci.electronics/b...

122 Postings in de.sci.electronics -- und immer noch Unklarheiten?

Und hier nochmals von vorne?

Autor: Hannes Jaeger (pnuebergang)
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Stefan Salewski wrote:
> 
http://groups.google.de/group/de.sci.electronics/b...
>
> 122 Postings in de.sci.electronics -- und immer noch Unklarheiten?
>
> Und hier nochmals von vorne?

Da kann man nur hoffen, das er seine Diplomarbeit bald fertig hat :-(

Autor: Sven (Gast)
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Ich habe mich einige Zeit mit der Erfassung von Temperturen (genaue 
Erfassung) beschäftigt, und bin im semiprofessionellen- bzw. hobby- 
Bereich auf eine Auflösung von 0.01 K gekommen. Im bereich von 
Differnzmessungen auf eine Auflösung von etwa 0.001 K. Das alles mit 
reletiv wenigen Bauteilen, um genau zu sein 3 primären Bauteilen, einer 
Referenzspannungsquelle, einen AD-Wandler und einem Temperatursensor.
Habe mich zurvor auch mit dem Thema befasst, und diverse analoge 
Bauteile verwendet (OP's, Differnzverstärker etc.), hat aber - ausser 
Aufwand - nicht viel gebracht.
"Eine Temperaturerhöhung UM 1 °C sollte hingegen nicht viel mehr als 0,1 
% von der Realität abweichen", ist machbar - wenn die Möglichkeit 
besteht die Messanordnung abzugleichen - z.B. in Eisawasser, wenn man 
dem glauben schenken will.
Ich habe meine Schaltung angewendet um die Energieeffizienz eines 
Wasserboilers, bzw. den Energieertrag eines Sonnoenkollektors zu 
ermitteln.

Autor: 3356 (Gast)
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Dennis, der Ansatz ist gut, aber etwas akademisch. Anstelle eines 
Stromes von 1mA wuerde ich einen Spannungsteiler benutzen.

Autor: Arc Net (arc)
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3356 wrote:
> Dennis, der Ansatz ist gut, aber etwas akademisch. Anstelle eines
> Stromes von 1mA wuerde ich einen Spannungsteiler benutzen.

Akademisch? Eher der Normalfall (da sich sonst der Strom durch den 
Messwiderstand und somit auch die Selbsterwärmung verändert).
http://www.hartscientific.com/publications/super-theory.htm

> - Die Referenzspannung wird ratiometrisch aus der zweiten Stromquelle
> erzeugt. Hier kommt dann 1.6K und 2.9K in Reihe, so daß 1.6 V und 2.9 V
> als  low bzw. high zur Verfügung stehen.

VCM ((AIN+ - AIN-)/ 2) muss >= 0.5 V sein. D.h. ich würde die Schaltung 
zum Testen so wie im Anhang aufbauen.

> ...Laut Datenblatt macht der AD7793 bei gain=16 mit externer Referenz
> 19(21.5) Bit bipolar bei 1 Mikrovolt noise. Rechne ich mir die mit
> meinem Messbereich von 1.3V/210K durch, komme ich auf 0.0004 K bzw. 2.5
> Mikrovolt Auflösung, also richtig tolle Werte. Was meint ihr dazu?!

0.4 mK?
PT100 ~ 100 Ohm * 0.00385 Ohm/Ohm/°C (näherungsweise zw. 0 °C - 100 °C) 
=
0.385 Ohm/°C

0.385 Ohm/°C * 1 mA = 385 uV / °C
1/1000 °C ~ 385 nV
RMS Noise bei Gain = 16 min 0.1 uV, bei 32 0.065 uV, bei 64 0.039 uV
macht rauschfrei 660 nV, 429 nV bzw. 257 nV (jeweils bei 4.17 Hz Update 
Rate).
D.h. ohne "Nachbehandlung" ist die Auflösung mit dem AD7793 und einem 
PT100 nicht < 1 mK.
Für höhere Auflösungen wären z.B. der CS5532 bzw. CS5534 besser 
geeignet.

Autor: Dennis Köhn (cruzader)
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Heyho!

@Stefan: Bitte den ersten Satz lesen, dann erübrigt sich eine Antwort 
eigentlich. Hier geht es nicht mehr um die Theorie, sondern um die 
Umsetzung selbiger in ein spezifisches Bauteil, sowie dessen Ansteuerung 
via Mikrocontroller.

@Hannes: Hat "er" längst abgeschlossen. Es ging bei dem Selbstbau schon 
immer um die Promotionsarbeit.

@3356: Wieso denn zu akademisch - gibts auch was anderes?! ;-) . Ich 
dachte, die Variante mit Konstantstrom wäre die gemeinhin übliche. Eine 
mit Spannungsteiler habe ich zwar auch mal irgendwo gesehen, wegen der 
vielen R's aber schnell wieder verworfen, da die dann ja ebenfalls sehr 
driftstabil und somit teuer sein müßten.

@Arc Net: Ja, hab' ich mich denn so sehr verguckt?! Ich war scht der 
Meinung, 1 mK wären 2.5 uV aber deine Rechnung ist richtig und 
nachvollziehbar. Na super - alles von vorn :-/ . Ich werde mir die von 
dir genannten typen gleich mal anschauen, denn in den nächsten Wochen 
sollte sich in Sachen PT100 hier schon langsam was tun. Danke für den 
Hinweis.

Liebe Grüße,
Dennis

Autor: 3356 (Gast)
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Als Widerstaende fuer einen Spannungsteiler gibt es zB die Vishay S102CT 
Serie, die hat eine Genauigkeit von 0.01% und eine Drift von 2ppm/K. 
kosten um die 8 Euro. Wahrscheinlich geht auch etwas Guenstigeres.

Autor: Dennis Köhn (cruzader)
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@3356: Ich hatte mich eigentlich in die Z-Fold Serie verguckt, wenn auch 
die Verfügbarkeit noch nicht geklärt ist. Die hätten dann sogar 0.2 PPM. 
Dennoch ist mir der Spannungsteiler nach wie vor unsympathisch, weil man 
ihn in keiner PT100 Beschreibung oder Referenzdesign findet. Ich habe 
eine solche Schaltung halt nur mal mit dem Kommentar "so würde es auch 
gehen" unter einer Standard-Konstantstrom-Variante gefunden.

@Arc Net: Uiuiui, da hatte ich mich aber ganz schön verschätzt. Ich habe 
die Berechnung nun endlich mal in ein Excel-Sheet gebannt und erhalte 
für den AD7793 1.1 mK Auflösung. Der CS5532-AS ist mit 0.29 mK deutlich 
besser und der -BS hat mit 0.15 mK noch einmal die Nase vorn. Bei 
letzterem müßte man jedoch wegen Preis und Verfügbarkeit schauen.

Noch eine Frage zu deiner Schaltung oben: Ich hatte genau diese Variante 
auch schon mal gefunden, jedoch nicht ganz durchblickt: Wird der Bereich 
VRef nicht durch RTD mit verschoben? RRef hängt ja hinter RTD und der 
Strom muß erstmal durch letzteres durch.
Ansonsten gefällt mir die Variante, da sie mit einer statt zwei 
Konstantstromquellen auskommt.

Autor: Daniel B. (inox5) Benutzerseite
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Für eine möglichst hohe Auflösung würde ich an deiner Stelle einen 
DeltaSigma ADC verwenden. 
http://www.sprut.de/electronic/pic/programm/compad...
Er hat hier die Verwendung bis 16bit Auflösung erklärt, das ist schon 
ziemlich heftig...

Inox5

Autor: Arc Net (arc)
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Daniel B. wrote:
> Für eine möglichst hohe Auflösung würde ich an deiner Stelle einen
> DeltaSigma ADC verwenden.
> http://www.sprut.de/electronic/pic/programm/compad...
> Er hat hier die Verwendung bis 16bit Auflösung erklärt, das ist schon
> ziemlich heftig...
>
> Inox5

Ohne hier jemandem zu Nahe treten zu vollen, aber das ist, verglichen 
mit den  vorgeschlagenen Delta-Sigma-Wandlern, absolut unbrauchbar.

Autor: ... (Gast)
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Der vorgeschlagene Wandler, der AD7793 macht 24bit, glaub ich ... wovon 
mehr als 20 zu erreichen schon als gut betrachtet werden kann.

Autor: Dennis Köhn (cruzader)
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Jupp, stimmt. So im Bereich 19-20 bit sollte ich schon landen, sonst 
macht das Ganze wenig Sinn. 16 Bit hängen momentan dran - die Sample ich 
dann mit 2000 Hz und verwende den Mittelwert. Geht auch, ist aber nur 
ein Provisorium...

Autor: Siegmar K. (ramgeis)
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Hallo
Ich habe mich vor einiger Zeit auch mit der Materie befaßt.
Allerdings rein theoretisch, da ich mit anderen Projekten befaßt bin.
Ich sehe einen guten Ansatz in der Verwendung von TDCs - Time-to-Digital 
Convertern . z.B http://www.acam.de .
Schau Dir mal die Applikationen an. Könnte ein neuer interessanter 
Ansatz sein.Hochgenauer Referenzwiderstand und Zeit messen. Auflösung im 
ps Bereich!!
Paßt jetzt zwar nicht mehr in die Rubrik Analogtechnik. Sorry, aber ...

Noch einen schönen Tag
Gruß
Siegmar

Autor: Arno H. (arno_h)
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Vielleicht hilft dir das hier etwas weiter:
http://www.hmi.de/events/SEI/archiv/2001-10/vortra...
Die im Literaturverzeichnis angegebene Dissertation ist wohl nur gegen 
Bares verfügbar.

Arno

Autor: Daniel B. (inox5) Benutzerseite
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Man kann den Delta-Sigma wahrscheinlich auch mit über 32bit aufbauen, 
nur dann wird die Wandlung wahrscheinlich vergleichsweise lange dauern 
>10s.
Aber 24bit wären auch drin...

Ich bin da nur drauf gestoßen als ich recherschiert hatte.

Autor: Dennis Köhn (cruzader)
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Ich schau' mir die beiden Links gleich mal an, besten Dank :-). Nun soll 
das Rad aber auch nicht nochmal neu erfunden werden und zumindest die 
Grundzüge der Schaltung sich endlich mal verfestigen. trotzdem könnten 
aber wertvolle Tipps drin stehen :)

LG,
Dennis

Autor: Rick Noname (rickstar)
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moin...

ist der thread noch aktiv...?
wenn ja würde ich den AD7190 empfehlen...
samples hab ich schon und versuche damit eine gleich so
gute auflösung, jedoch mit thermoelementen (Typ K (40uV/K)) als 
sensoren.
damit möchte ich die eigenerwärmung der PT "serie" ausschließen.

Mfg Rick...

Autor: Arc Net (arc)
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Rick Noname wrote:
> moin...
>
> ist der thread noch aktiv...?
> wenn ja würde ich den AD7190 empfehlen...
> samples hab ich schon und versuche damit eine gleich so
> gute auflösung, jedoch mit thermoelementen (Typ K (40uV/K)) als
> sensoren.
> damit möchte ich die eigenerwärmung der PT "serie" ausschließen.
>
> Mfg Rick...

Auflösung 1 mK d.h ~40 nV/mK
Der AD7190 hat im besten Fall ein Peak-To-Peak-Rauschen von 6.6 * 6 nV = 
39.6 nV. Dann einfach mal nachrechnen viele Wandlungen durchgeführt 
werden müssen, um das Rauschen des Wandlers so klein zu bekommen, das 
das Nutzsignal noch sauber herauskommt. Als nächstes die Anforderungen 
an die Referenz, Schaltung, Layout etc. bedenken und schonmal überlegen 
wo und wie man an entsprechende Referenzgeräte sprich Ölbäder, Sensoren, 
Thermometer u.a. herankommt.
Anders gesagt: Die Eigenerwärmung von PT100 liegt je nach Bauform z.B. 
in der Größenordnung 0.05 K/mW (üblicher Keramik-PT100) d.h. wenn man 
nur mit 100 uA (P = I^2 * R) arbeitet, kann man sich leicht ausrechnen 
welcher Fehler größer ist. Der durch die Selbsterwärmung oder der durch 
die Messschaltung?

Autor: Dirk S. (fusebit)
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Das Thermoelemente dafür prinzipiell ungeeignet sind wurde hier schon in 
einigen Threads durchgekaut.

Autor: Rick Noname (rickstar)
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hmm...

so langsam entscheide ich mich doch einen pt100 zu benutzen.

mit diesem thema beschäftige ich mich schon seit einiger zeit,
nur das es sich bei mir nicht um eine dauerhafte absolute
temperaturmessung handelt, sondern um eine messung mit 2 sensoren (zur 
zeit thermoelementen in einer differenzschaltung) zur selben zeit an 
zwei unterschiedlichen orten in einem bestimmten zeitraum ( ca. < 1min 
).
desshalbt spielt der offsetdrift bei mir
auch nicht so eine "grosse" rolle...

im anhang habe ich noch einen schaltplan meines derzeitigen prototyps.
die kaltstellenkompensation ist nicht dabei, da mich nur die differenz 
interessiert.

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