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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Pt1000-Versärkerschaltung funktioniert das so?


Autor: ...alias... (Gast)
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Hallo!
Nach langem Suchen hab ich mir jetzt meine ersehnte 
Pt1000-Versärkerschaltung zusammengebaut. Allerdings: Die 
herauskommenden Werte sind, gelinde gesagt, schwachsinnig. Ich hab alles 
überprüft, die Bauteile müssten funktionieren. Könnte sich das einer von 
euch mal schnell durchschauen, ob die Schaltung prinzipiell richtig ist? 
Damit wär mir sehr geholfen!

Noch ein paar zusätzliche Angaben:
Links ist eine Wheatstone-Brücke zu sehen. Sie ist bei genau -50°C 
ausgeglichen; der Pt1000 hat bei -50°C 803,06 Ohm Widerstand.

Die Maximaltemperatur beträgt +200°C; hier besitzt der Pt1000 genau 
1758,56 Ohm.

Die Ausgangsspannung soll zwischen 0 und 2,4 Volt betragen, für den 
AD-Wandler.

Rechts ist dann die Verstärkerschaltung. (Dazu noch ne Frage: Könnte ich 
die Widerstände R_6A..R_6D auch weglassen?

Vielen Dank schon mal!

Autor: Di Pi (drpepper) Benutzerseite
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du hast dir einen instrumentenverstärker diskret nachgebaut. das kannst 
du auch integriert haben, wobei du den R_4 extern anschließen kannst.

ansonsten siehts gut aus, die werte hab ich jetzt aber nicht 
nachgerechnet.

Autor: ...alias... (Gast)
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Danke für deine Antwort.

Wie siehts aus, zwischen Pt1000 und R_1 müsste doch ein niedrigeres 
Potential sein als zwischen R_2 und R_3.
Wird hier jetzt der untere Zweig vom oberen abgezogen, oder anders rum?
Das würde vielleicht erklären, dass ich falsche Werte herausbekomme.

Autor: Di Pi (drpepper) Benutzerseite
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in deiner schaltung wird die spannung über dem Pt1000 von der spannung 
zwischen den festen widerständen abgezogen.

Der INA114 ist ein Integrierter Instrumentenverstärker (ca 9€): 
http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/ina114.pdf

Autor: Sven (Gast)
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Die Abgriffe von der Brücke tauschen, sonst wird die Ausgangsspannung 
(theoretisch) negativ. Was Du beachten solltest:

Der OP07 arbeitet laut Datenblatt erst ab +/-3V, also 6V 
Betriebsspannung. Der OP07 ist kein Rail-to-Rail-OPV, anderen verwenden.

Über den PT1000 fließen 3mA, das ist für manche schon ausserhalb des 
zugelassenen Maximalstromes. Da passiert noch nichts, aber je nach Größe 
des PT1000 führt das durch die Eigenerwärmung zu falschen Messungen.

Zusätzlich zur Krümmung der Kennlinie des PT1000 ist die Kalibrierkurve 
stark gekrümmt, weil die Brücke nur bei -50°C im abgeglichenen Zustand 
ist. Muss der Controller rausrechnen. Vielleicht erklärt das die 
Abweichung von Deinen erwarteten Werten.

Da der Controller eh korrigieren muss, kannst Du Dir die 
0.1%-Widerstände sparen, 1%-Metallfilm sollten reichen. Oder einen 
fertigen Instrumentenverstärker nehmen, INA118 oder so.

Außerdem solltest Du im Interesse von Stromverbrauch und Eigenerwärmung 
für die Brücke die Spannung runterteilen, mit C stabilisieren und gleich 
als Referenz für den ADC nehmen, dann bleiben Spannungschwankungen 
aussen vor.

Die übrigen Widerstände im Bereich 10k ansiedeln. Die Eigenerwärmung 
sorgt sonst für Messwertdriften beim Einschalten, bis sich ein 
thermisches Gleichgewicht an den Widerständen eingestellt hat.

Das Poti RX kannst Du Dir sparen, was soll das dort machen?

Autor: ...alias... (Gast)
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Das Poti ist für die genaue Kalibrierung der zu erwartenden Messwerte 
bei 0 und 100°C (über Eiswasser und kochendes Wasser).

3mA? verdammt, das hab ich gar nicht berücksichtigt...
Dann nehm ich besser 2,5Volt, oder?

Die Referenzspannung des ADC kann ich nicht verändern, weil da an andren 
Kanälen noch 3 andre Thermometer dranhängen.

OK, Einen andren OPV. Welchen würdest du mir vorschlagen?

Vielen Dank für Deine ausführliche Antwort!

Autor: Di Pi (drpepper) Benutzerseite
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Da Pep wrote:

> Der INA114 ist ein Integrierter Instrumentenverstärker (ca 9€):
> http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/ina114.pdf

Autor: ...alias... (Gast)
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Ach ja, 9 Euros sind mir eigentlich zu teuer...  Der INA114 schaut aber 
trotzdem ganz gut aus. Vielleicht bau ich den ja nach ;)

Autor: Eddy Current (Gast)
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Du könntest noch näher beschreiben, was Du mit "schwachsinnigen Werten" 
meinst. So tappt man ja doch sehr im Dunkeln, ob Dein Aufbau oder die 
Schaltung an sich das Problem ist.

Autor: ...alias... (Gast)
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Naja mit schwachsinnigen Werten mein ich, dass immer viel zu hohe 
Spannungen rausgekommen sind; 1,5 Volt bei 0° und ca 4 Volt bei 100°C.
Doppelt schwachsinnig vor der Tatsache, dass eigentlich negative Werte 
herauskommen hätten müssen...

Ich hab natürlich auch direkt an der Brücke mal nachgemessen; hier ist 
alles in Ordnung, ich hab nach etwas Justieren genau die zu erwartenden 
Werte bekommen; bei 0°C ca. 0,27 Volt und ca. 0,9V bei 100°C. Allerdings 
gabs ziemlich krasse Abweichungen von an die 0,15 Volt bei 0°C. Dies hab 
ich nur verhindern können, wenn ich das Wasser um den Sensor umgerührt 
hab... jetz weiß ich ja, warum :) Über 5mA sag ich nur... Hätt ich 
eigentlich selber draufkommen können!

So, und aus dem Ganzen hab ich dann geschlossen, dass der Fehler in der 
Verstärkung liegen muss. Wahrscheinlich liegts am fehlenden 
Rail-to-Rail. Ich denk mal ich nehm den LMC6484, der hat sogar 4 OPVs 
und kostet nur 2,35€.

Mehr Kopfzerbrechen bereitet mir dann eher die krasse Eigenerwärmung. 
Soll ich jetz einen Spannungsteiler nehmen, oder gleich eine 
Referenzspannung mit nem LM336-2,5? Oder noch weniger als 2,5?

Autor: Sven (Gast)
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Das Poti an der Stelle bringt nichts. Vielleicht falsch eingezeichnet.

Wenn die Brücke nicht abgeglichen ist (alles über -50°C), geht die 
Referenzspannung in die Messung ein. Woher bekommt der ADC seine 
Referenz. Vielleicht kannst Du die abgreifen und über einen 
Spannungsfolger (OPV mit Verstärkung 1) abnehmen oder über einen 
Spannungsteiler runterteilen und mit OPV puffern.

Als OPV würd ich OPA2340 oder OPA347 nehmen, aber Achtung! Nur bis 5.5V!

Den INA bekommst Du eventuell als Sample, dauert nur ein bißchen. Aber 
diskret aufbauen ist auch in Ordnung, lernt man was bei...

Btw, Du kannst auch die Brücke anders aufbauen: Obere Widerstände je 
3.3k..10k, untere Widerstände PT1000 und 750ohm. Mit den 750ohm 
verschiebt sich Dein -50°C Wert etwas, so dass der OPV nicht bis GND 
runter muss, mit den 10k wird die Krümmung der Kalibriergeraden stärker. 
Aber der Controller muss eh kompensieren. Dann kannst Du die Brücke 
direkt an 5V hängen, es fließen nur 0.5..1mA, das sollte gehen.

Autor: ...alias... (Gast)
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Der µC kriegt seine Referenz von... keine Ahnung :) Irgendwo von der 
Platine her, wo er drauf ist. Aber ich könnt sie schon abgreifen, da 
gibts nen extra Anschluss für, hab ich grad im Datenblatt gesehn, gute 
Idee!
Aber das zweite scheint mir fast einfacher...
Der µC muss eh nix rechnen, der schickt bloß die digitalen 
Spannungswerte an den PC. Der darf dann rechnen.
Ich werde das auf jeden Fall mal ausprobieren, und sag Bescheid, obs 
geklappt hat!

Autor: Jadeclaw Dinosaur (jadeclaw)
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...alias... wrote:
> Das Poti ist für die genaue Kalibrierung der zu erwartenden Messwerte
> bei 0 und 100°C (über Eiswasser und kochendes Wasser).
Eiswasser? PT1000-Thermometer werden mit Festwiderständen abgeglichen 
und nicht durch Wasserpanschen. Die entsprechenden Werte sind hier drin:
http://www.ephy-mess.de/deutsch/daten/pt1000d.pdf
Widerstandswert ablesen, anklemmen, die dazugehörende Temperatur muß vom
Meßgerät angezeigt werden. PT100/PT1000-Emulatoren sind nichts anderes 
als einstellbare Widerstandsdekaden.

> 3mA? verdammt, das hab ich gar nicht berücksichtigt...
> Dann nehm ich besser 2,5Volt, oder?
Bißchen viel, würde ich sagen.

> Allerdings gabs ziemlich krasse Abweichungen von an die 0,15 Volt bei 0°C.
> Dies hab ich nur verhindern können, wenn ich das Wasser um den Sensor
> umgerührt hab... jetz weiß ich ja, warum :) Über 5mA sag ich nur...
> Hätt ich eigentlich selber draufkommen können!
Bißchen sehr viel. Konstantstromquelle mit 0.1mA paßt da schon eher. 
Angesichts einer Sensorgröße von 2*2 mm (M222-Sensor von Heraeus) ist es 
zwangsweise notwendig, deutlich unter 1 mA zu bleiben. Wenn die 
Linearisierung softwareseitig erfolgen soll, geht anstatt einer 
Konstantstromquelle auch einfach ein Vorwiderstand von 47kOhm. Nur muß 
dann die Kennlinie aufgenommen werden.

Hier findet sich noch mehr zum Thema DIN-genormte Sensoren:
http://www.ephy-mess.de/deutsch/daten/tdframe.htm

Gruß
Jadeclaw.

Autor: Sven (Gast)
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Naja, ein Sensor, den er in Wasser taucht, hat hoffentlich ein 
Metallgehäuseund damit eine ausreichend hohe Wärmekapazität / 
Wärmeleitung zu Umgebung. Unter 0.2mA würde ich nicht gehen, sonst 
werden die Spannungen zu klein und OPV-Driften machen sich zu stark 
bemerkbar.

Oder hat er einen blanken Sensor in Wasser getaucht? Hat er...?

Das mit dem Abgleich stimmt, dafür sind die PT1000 ja genormt und 
austauschbar. Geht ausserdem vieeel schneller als die Wasser-Messung.

Autor: Frank B. (frankman)
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Tut mir leid, wenn ich das so sage, aber Deine Schaltung ist am Ziel 
vorbeigeschossen!

Du hast Deinen PT1000 mühsam zu einer Messbrücke ergänzt, die du mit 
einem mühsam aufgebauten Instrumentenverstärker verstärkst.


ABER:
Du brauchst für den PT1000 nur eine kleine STROMQUELLE(!!!) Damit wäre 
dann den Ausgangssignal linear zur Temperatur, welche Du dann sehr 
einfach mit einem yC berechnen könntest.

Mit Deiner Schaltung bekommst Du trotz Deiner Mühe eine quadratische 
Abhängigkeit deines Ausgangssignals zur Temperatur, damit kannst du die 
Temperatur nicht mehr so einfach berechnen, ( es sei denn, dein yC kann 
quadratische Gleichungen lösen...) ggv. mußt du sogar mit einer Tabelle 
arbeiten, aus der Du den richtigen Temperaturwert ermitteln kannst.

Dann könntest du aber gleich einen primitiven Spannungsteiler nehmen, 
den du, falls nötig auch nur mit einem OPAMP verstärken kannst.

Autor: aha (Gast)
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Das Ganze geht viel einfacher. Eine 2.5V Referenz, einen 10k 0.1% in 
Serie zum PT1k, das Ganze radiometrisch an einen 24bit ADC und gut ist. 
Den Rest braucht man nicht.

Autor: Di Pi (drpepper) Benutzerseite
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klar, 24bit ADCs liegen auch in jeder schublade so rum... ;)

Autor: aha (Gast)
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Es gibt ja keine anderen mehr. Frueher gabs noch die 7109, die wurden 
alle durch die 24bitter ersetzt. Dass man einen Contoller internen 
10bitter nicht nehmen kann sollte wohl klar sein.

Autor: Di Pi (drpepper) Benutzerseite
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warum sollte das klar sein?

dT: 250K
Schritte: ~1000
Schrittweite: 0,25K

Rauschen: 1bit ->

Auflösung: 0,5K

Wenn das reicht, ists doch OK...

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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Hier stehen PT100/1000 Messchaltung drin

Beitrag "Temperaturmessschaltung möglichst genau?"

Gruss Helmi

Autor: Pauli der Längsregler (Gast)
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> Das Ganze geht viel einfacher. Eine 2.5V Referenz, einen 10k 0.1% in
> Serie zum PT1k, das Ganze radiometrisch an einen 24bit ADC und gut ist.
> Den Rest braucht man nicht.

Gibt es hier eine Fehlerberechnung zu?

Autor: Frank B. (frankman)
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Pauli der Längsregler wrote:
>> Das Ganze geht viel einfacher. Eine 2.5V Referenz, einen 10k 0.1% in
>> Serie zum PT1k, das Ganze radiometrisch an einen 24bit ADC und gut ist.
>> Den Rest braucht man nicht.
>
> Gibt es hier eine Fehlerberechnung zu?!

Wie gesagt, es geht, aber das Ausgangssignal ist nich linear!
Denn:
ändert sich der Widerstand des PT1000 dann ändert sich auch der Strom 
durch den PT 1000 bzw. Spannungsteiler!

Deshalb: Strom konstant halten, mit Spannungsquelle, dann ist das 
Ausgangssignal proportional zur Temperatur.

Die Auflösung des ADC hängt natürlich von der benötigten Genauigkeit 
ab.Also sind nicht automatisch 24 bit notwendig.

Ich selbst habe mit einer Tabelle gearbeitet, und mit einem einfachen 
Spannungsteiler.
Ich habe mir die ADC-Schritte ausgerechnet und lasse den yC nach der ADC 
Wandlung aus der Tabelle zuerst einen Index ermitteln, dann aus dem 
Index und einer zweiten Tabelle die passende Temperatur.

Autor: Sven (Gast)
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Was werden denn hier für Halbwahrheiten verbreitet?

Ein PT1000 ist IMMER nichtlinear, auch mit Stromquelle. Die 
Widerstandskennlinie ist angenähert eine quadratische Funktion, je 
größer der Messbereich, desto größer die Abweichungen. Man KANN 
versuchen, die Nichtlinearität durch eine Stromquelle mit negativem 
Innenwiderstand einigermaßen auszugleichen, muss man aber nicht. 
Eleganter macht das der µC.

Die Messbrücke ist so schlecht nicht, weil bei einer Lösung mit 
Konstantstromquelle die Drift der Stromquelle (temperaturabhängig) 
direkt mit gemessen wird.

Ohne Angaben zur geforderten Genauigkeit zu haben, kann man eigentlich 
keine Aussage treffen, ob vielleicht ein einfacher Spannungsteiler mit 
direktem Abgriff zum ADC auch ausreicht. In den meisten Fällen würde er 
das wohl.

24bit-ADC sind im Bastelbereich was für Nerds, die sich Widerstände auf 
12 Stellen nach dem Komma ausrechnen. Was soll der Schwachsinn? Alles ab 
16bit Auflösung ist nur mit hohem Aufwand beherrschbar, schon allein an 
einer ausreichend stabilen Referenzspannung scheitert das Ganze.

Quadratische Gleichungen einen µC lösen lassen: Wozu? Ein Lookup-Table 
mit Werten in 2, 5 oder 10K-Schritten, dazwischen wird linear 
interpoliert. Geht schnell, ist einfach zu programmieren und die 
Stützpunkte gibt es für PT1000 zuhauf im Internet. Offset und 
Verstärkung natürlich mit einrechnen.

Autor: ...alias... (Gast)
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LOL, 24 Bit- ADC. Hab gar ned gewusst dass es sowas gibt!

Nein, ich hab 12 Bit zur Verfügung. Mir ist auch klar, dass ein Pt1000 
NICHT linear ist! Und: Der µC muss überhaupt nix berechnen, sondern bloß 
den digitalen Spannungswert an den PC schicken. (Mehr Code würd ich eh 
nicht draufkriegen, da ich eine 2k - Grenze vom Compiler her hab)

Den Sensor hab ich natürlich nicht blank ins Wasser getan ^^

Und am Ziel vorbei geschossen würd ich mal nicht sagen... Eine gescheite 
Konstantstromquelle ist mit Sicherheit mindestens so aufwendig! (Eine 
richtig gute für unter 1mA hab ich sowieso noch nie gesehn.)

Ich könnte locker mit den 4096 Unterteilungen eine Auflösung von 0,1K 
erreichen, rein von der Auflösung her (auch am anderen Ende der Skala, 
wo es nicht mehr ansatzweise linear ist). Mir ist natürlich klar, dass 
ich das nie so genau hinkriegen werde - aber das muss ja mein 
Physik-Lehrer nicht wissen :D (Facharbeit.)

Aber so 0,25-0,5K wäre schon schön.

Autor: Sven (Gast)
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Höhö, die Wandlung und Umrechnung bekommst Du locker rein, 1k für den 
Code, 1k für die Lookup-Table. Assembler heisst das Zauberwort. Aber 
klar kann die Umrechnung auch der PC machen, dann kann der auch den 
Offset- und Verstärkungsabgleich rechnen.

Mach das mal so, ist schon in Ordnung.

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