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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Messverstärker PT1000 Vierleiter


Autor: P. Wassi (wassipaul)
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Hallo liebes Forum!

Im Anhang wieder mal ein Messverstärker für einen PT1000. Diesmal aber 
in Vierleitertechnik. Fällt zwar bei PT1000 weniger ins Gewicht als beim 
PT100; trotzdem verwende ich hier die Vierleiterversion in Kombination 
mit einer Konstantstromquelle.

Eins vorweg: dass OP1 verkehrt eingezeichnet ist, habe ich schon bemerkt 
;-)

Meine Überlegungen waren folgende:
OP1 stellt mit Außenbeschaltung eine Konstantstromquelle dar, die 
konstant 1mA durch den PT1000 fließen lassen. OP2, OP3 und OP5 sind ein 
Instrumentierungsverstärker, der nebenbei gleich einen Offset, der von 
OP4 erzeugt wird, vom Signal abzieht. Als "Endverstärker" dient OP6, der 
das offset-korrigierte Signal auf z.B. 0-5V für einen ADC verstärkt.
Mittels zwei Potis ist der Offset und die letzte Verstärkerstufe 
einstellbar, wodurch die Schaltung universell verwendbar werden soll.
Später kommt dann noch eine Erweiterung dazu, mit der mehrere 
PT1000-Eingänge auf diesen Verstärker gemuxt werden können.

In der Simulation funktioniert alles hervorragend; bevor ich nun aber 
die Teile bestelle, habe ich noch ein paar Fragen dazu:

 - Ich wollte die OPs mit +12V bis -5V versorgen, die neg. Spannung aus 
einer Ladungspumpe TC7660. Muss ich mir davon gröbere Störungen 
erwarten; bzw. reicht es im Fehlerfall diese mit LC zu entstören?

 - Welche OPs soll ich verwenden? Normalen Wald-und-Wiesen LM324, oder 
etwas "Besseres"? ;-)

 - Gibt es zur Dimensionierung der Widerstände etwas zu sagen, oder kann 
ich das so lassen?

 - Der Punkt, der mit am wichtigsten ist: welche Schutzschaltung soll 
ich an den Anschlussklemmen vorsehen? Reichen Varistoren, oder auf was 
soll ich da zurückgreifen? In den Messleitungen (die ohne signifikantem 
Strom) habe ich je 1k platziert, in der Hoffnung dadurch eben schon ein 
bisschen geschützt zu sein. Weiters: wo soll ich Kondensatoren 
einsetzen? Parallel zu den Strom-Anschlüssen, par. zum eigentlichen 
Eingang, welche OP-Ausgänge soll ich mit einem C puffern?

Freue mich über jede beantwortete Frage und wünsche noch einen schönen 
Abend,
Paul

Autor: Raucher (Gast)
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> - Welche OPs soll ich verwenden? Normalen Wald-und-Wiesen LM324, oder
> etwas "Besseres"? ;-)
Wie genau soll es werden? Was darf es kosten? Wie stark darf es driften 
(Temperatur, Zeit)? Vergleich mal die Datenblätter vom LM324 (günstig, 
schlechter) mit einem LTC1014 (teurer, besser).

> - Gibt es zur Dimensionierung der Widerstände etwas zu sagen, oder kann
> ich das so lassen?
Lass mich wissen wo do die 2k5 findest, die suche ich auch schon lange. 
Hast du eine neue Exxx Reihe erfunden? Kommt auch auf deine Opamp Wahl 
an.
Beim Instrumentenverstärker sollte die "paarung" gut sein, kleiner 0.1% 
wenn du eine hohes CMRR willst.

> - Der Punkt, der mit am wichtigsten ist: welche Schutzschaltung soll
> ich an den Anschlussklemmen vorsehen?
Wo wird die Schaltung eingesetzt? Kann man nicht generell sagen.

> In der Simulation funktioniert alles hervorragend;
Was hast du den simuliert?

Warum machst du deine "Hauptverstärkung" nach dem 
Instrumentenverstärker?

Funktioniert die Stromquelle so?

Cheers

Autor: P. Wassi (wassipaul)
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> Wie genau soll es werden? Was darf es kosten? Wie stark darf es driften
> (Temperatur, Zeit)? Vergleich mal die Datenblätter vom LM324 (günstig,
> schlechter) mit einem LTC1014 (teurer, besser).
Meinst du den LT1014? Der ist halt preislich, wie du schon angemerkt 
hast, doch etwas hoch angesiedelt. Auflösung soll am Schluss (am µC) 
0,1°C sein.
Wird dann noch mit ein paar Referenzen abgeglichen. Driftet der LM324 
wirklich so stark? Der Drift soll natürlich möglichst gegen 0 gehen ;-)

> Lass mich wissen wo do die 2k5 findest, die suche ich auch schon lange.
> Hast du eine neue Exxx Reihe erfunden? Kommt auch auf deine Opamp Wahl
> an.
Wird durch Parallel- oder Serienschaltung erreicht.

> Beim Instrumentenverstärker sollte die "paarung" gut sein, kleiner 0.1%
> wenn du eine hohes CMRR willst.
Sollte ich besser auf einen fertigen Instrumentierungsverst. 
zurückgreifen?

> Wo wird die Schaltung eingesetzt?
Schaltschrank; Heizungstechnik
Die Fühler werden mit 2x2x0.8 angeschlossen. - Ah ja - nächste Frage: 
den Schirm direkt auf Masse, oder mit C od. R an Masse legen?
In der Umgebung können sich durchaus FUs befinden, meistens werden 
Motoren zwischen 2 und 20 kW aus demselben Schaltschrank bedient.

> Was hast du den simuliert?
Den angehängten Schaltplan. War eh nur ein durchprobieren verschiedener 
Temperaturen -> Reaktion des Verstärkers simuliert.

> Warum machst du deine "Hauptverstärkung" nach dem Instrumentenverstärker?
Da der Offset sonst auch mitverstärkt werden müsste, mir aber nur -5V 
zur Verfügung stehen. Deswegen ziehe ich zuerst den "kleinen" Offset ab, 
und verstärke dann nochmals.

> Funktioniert die Stromquelle so?
Wie gesagt, OP ist verkehrt herum, sonst aber schon; ja!

Autor: Raucher (Gast)
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>LT1014?
ja, nicht LTCxxxx

>0,1°C
ist ganz sportlich für den LM324

>Driftet der LM324 wirklich so stark?
Wie schon gesagt, vergleich die Datasheets und rechne

>Wird durch Parallel- oder Serienschaltung erreicht.
Das ganze funktioniert auch mit 2k4

>Sollte ich besser auf einen fertigen Instrumentierungsverst.
>zurückgreifen?
0.1% geht auch mit guten Opamps, Rs, und PCBs

>Reaktion des Verstärkers simuliert
Welche Parameter, welche Analysen?

>Da der Offset sonst auch
Was ist das für ein Offset? Von wo kommt der?

Autor: P. Wassi (wassipaul)
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> Was ist das für ein Offset? Von wo kommt der?
Offset ist für mich der untere Bereich, den ich im Ergebnis nicht 
benötige.
Da ich nur bis ca. -30°C messen muss, reicht es, wenn mein Signal am 
Ausgang erst ab 880 Ohm am Eingang zu steigen beginnt. Ich schiebe mir 
also den Nullpunkt vom Ausgang auf eine (beliebige) Temperatur 
(Widerstand).

Zu den OPs: hab jetzt drei davon gefunden, die ja von den Werten her 
alle nicht ganz so schlecht sein sollten; jedenfalls besser als der 
LM324:
AD8604, TLC27L4, TLC2264

Wie schauts denn mit Schutzbeschaltung und Kondensatoren aus? Parallel 
zum PT1000 100n? Und von den Eingängen gegen Masse (nach R9 und R10) 
auch welche?

Danke,
Paul

Autor: CM (Gast)
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TLC27L4 hab ich schon vor 18 Jahren für 4-20mA Drucksensoren (0.1%) 
eingesetzt. Ist sicher auch nicht schlecht.

Deine Stromquelle wird so leider nicht funktionieren.. Da fehlt noch ein 
R..

Autor: P. Wassi (wassipaul)
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> TLC27L4 hab ich schon vor 18 Jahren für 4-20mA Drucksensoren (0.1%)
> eingesetzt. Ist sicher auch nicht schlecht.
D.h. Du würdest ihn wieder einsetzen?

> Deine Stromquelle wird so leider nicht funktionieren.. Da fehlt noch ein
> R..
Die Stromquelle ist hier entnommen:
http://de.wikipedia.org/wiki/Konstantstromquelle#M...
Hat ja, wie gesagt, in der Simulation funktioniert; bin aber gerne 
bereit noch einen R einzubauen, wenns nötig ist ;-)

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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Zu deiner Stromquelle:

Die funktioniert nur sauber wenn deine Widerstaende im richtigen 
Verhaeltnis stehen. Also  R2:R1 = R5:R3.  Das fordert hier sehr eng 
tolerierte Widerstaende. Aber normalerweise braucht man den PT1000 nicht 
auf Masse zu legen sondern kann ihn in die Gegenkopplung von dem OP 
legen. Damit wird die Stromquelle einfacher. Da du ohnehin einen 
Differenzverstaerker hast spielt das keine Rolle.

Zu deinen beiden Potis P1 und P2.

Die beiden Potis haben einen so grossen Einstellbereich das es schwer 
wird deinen Verstaerker zu justieren. Auch von der Temperaturdrift sind 
Potis nicht gerade das gelbe vom Ei. Darum begrenze den Einstellbereich 
von diesen beiden Potis.

Abgleichfreie Loesung:

Da du ja vor deinem Verstaerker einen Multiplexer vorschalten willst 
zwecks abfrage von mehreren PT1000 kannst du ihn auch noch mit zum 
Abgleich der Schaltung brauchen. Du siehst 2 Kanaele mehr vor am 
Multiplexer. An diesen beiden Eingaengen schaltest du 2 Festwiderstaende 
,
z.B  einen mit 100 Ohm fuer 0 Grad und einen mit 138.5 Ohm fuer 100 
Grad. Wenn du jetzt eine Messung machst bekommst du einen ADC Wert fuer 
den 100 Ohm (0 Grad) und einen fuer die 138.5 Ohm (100 Grad) . Mit 
diesen beiden Werten kannst du jetzt die anderen Messwerte korigieren. 
Du brauchst dafuer eine lineare Gleichung:

Also  T = a * M + b

T = Temperatur
M = Messwert einen Kanals
a,b  Korrekturfaktoren aus den beiden Messungen der Festwiderstaende.

Somit haengt die gesammete Stabilitaet und Genauigkeit deiner Schaltung 
nur von den beiden Festwiderstaenden ab. Es muessen auch nicht die 
beiden Werte sein die ich oben genannt habe. Sie sollten nur jeweils 
einen Wert am unteren Ende und am oberen Ende deines Messbereiches 
darstellen.


In diesem Thread findest du noch andere PT100 Schaltungen.

Beitrag "Temperaturmessschaltung möglichst genau?"

Gruss Helmi

Autor: P. Wassi (wassipaul)
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Hallo Helmut!

Zur Konstantstromquelle:
Ich werde, wie Raucher schon aufgezeigt hat, die 2k5 durch 2k4 ersetzen 
- somit 1,04mA fließen lassen. Den PT1000 hab ich deshalb auf Masse 
gelegt, da ich dann den Konstantstrom später ganz einfach gegen Masse 
schalten kann (beim Muxen).

Die Potis werde ich dann noch durch Festwiderstände weiter einschränken. 
Ansonsten kann ich ja auf der Platine Platz für 2-3 Rs vorsehen, die 
dann bei Bedarf anstatt des Potis eingelötet werden.
Die Potis nutze ich aber eigentlich nicht zum Abgleich sondern zum 
groben Einstellen des Messbereiches des Verstärkers.

Abgleich erfolgt im angeschlossenen µC. Die Idee mit den 
Festwiderständen am Mux zur Korrektur ist gut. Werd ich dann gleich in 
die To-Do-Liste aufnehmen ;-)


Wo würdet ihr denn noch Kondensatoren setzen und wie die 
Schutzbeschaltung realisieren?

Danke und schönen Sonntag,
Paul

Autor: Arno H. (arno_h)
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1mA kommt mir zu hoch vor.
Auf die Schnelle bei Jumo: Pt1000 Maximalstrom 1mA, empfohlen 0,1mA.
http://www.jumo.de/__C1256CE50036DD09.nsf/4C48EFC7...

Arno

Autor: P. Wassi (wassipaul)
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@ Arno:
Danke für das Dokument! Da die Fühler ja eh gemuxt werden, sind die 1mA 
kein Dauerstrom.

Ich glaube ich muss über Helmuts PT100_7.pdf nochmal meditieren.
Ist sehr viel einfacher aufgebaut als meine Schaltung...

Autor: Thilo M. (Gast)
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>1mA kommt mir zu hoch vor.

Nur wenn du stehende Luft messen willst.
Bei bewegter Luft und Flüssigkeiten sowieso ist 1mA völlig OK, da die 
Eigenerwärmung durch die abgeführte Energie keine Rolle spielt.

In älteren Industrieprodukten (SIEMENS) werden Pt100 sogar mit 2.5mA 
gespeist.

Autor: Dieter Werner (dds5)
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> In älteren Industrieprodukten (SIEMENS) werden Pt100 sogar mit 2.5mA
> gespeist.

Das ist sicher richtig, der OP schrieb aber was von Pt1000.

Autor: Thilo M. (Gast)
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Dieter Werner wrote:
>> In älteren Industrieprodukten (SIEMENS) werden Pt100 sogar mit 2.5mA
>> gespeist.
>
> Das ist sicher richtig, der OP schrieb aber was von Pt1000.

Schon. Bei 0.1mA sind die Anforderungen an die Auswerteelektronik schon 
etwas anspruchsvoller.
Ich betreibe den Pt1000 in der Heizungstechnik auch bei 1mA, ich konnte 
bisher keine störenden Effekte feststellen.

Autor: Raucher (Gast)
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Was ist eigentlich dein Temperatur Bereich?

Autor: P. Wassi (wassipaul)
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> Was ist eigentlich dein Temperatur Bereich?
Meinst Du mich?
Falls ja: ca. -20 bis 80 °C

Autor: P. Wassi (wassipaul)
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Hab mir Helmuts PT100_7.pdf mal genauer zu Gemüte geführt und eigentlich 
festgestellt, dass die Schaltung, so wie sie ist, gar nicht das ist, für 
was ich sie gehalten habe ;-)

Es handelt sich ja um eine Vierleiterschaltung - deren Sinn (nach meinem 
Wissensstand) ja darin besteht, dass der Widerstand der 
Anschlussleitungen und der Klemmstellen das Messergebnis nicht 
beeinflusst.

Wenn nun aber ein paar zusätzliche Widerstande im Konstantstrompfad 
auftauchen, so verschiebt sich selbstverständlich das Potential von U1 
und U2, wodurch Ua einen Wert ausgibt, der garnicht gemessen wird.
Das ist natürlich nicht das Verhalten, das ich gerne hätte ;-)

Werde deshalb vorerst bei meinem Schaltplan bleiben.

Wünsche noch eine gute Nacht,
Paul

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo Paul,

was hältst Du davon, den PT1000 in eine Meßbrücke einzubauen und den 
ADS1232 zum Auslesen zu benutzen.

http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/ads1232.pdf

Vorteile für Dich:
- nur eine Spannungsversorgung nötig
- nur ein Verstärker nötig
- direkter Anschluß an einen µC
- Vierleitermessung wie gewünscht
- ratiometrische Messung (d. h. Schwankungen der Versorgungsspannungen
  werden gemessen und berücksichtigt)

Gruß,
  Michael

Autor: Arc Net (arc)
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Statt ADS1232/34 eignen sich die AD7793/94 deutlich besser (bei den ADS 
wäre noch eine externe Konstantstromquelle nötig). Verstärker brauchen 
beide nicht.
Schaltung wie in
Beitrag "Re: Sehr hoch auflösender PT100 Messverstärker"
skizziert, zusätzliche RC-/LC-Filter + Schutzbeschaltung (TVS/Schottky) 
an den Eingängen.
Bei den Filter-Cs auf enge Toleranzen achten, da ansonsten die 
Gleichtaktunterdrückung leidet oder X2Y-Kondensatoren nehmen.

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