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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Temperaturmessung mit Mikrocontroller im Batteriebetrieb


Autor: Michael T. (michelback)
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Hallo zusammen,

ich möchte gerne Temperaturen im Bereich von:

-50°C bis +350°C

zur Not auch -40°C bis +300°C

messen können (Für Kfz-anwendung). Die Sensorik soll dabei an einen µC 
angeschlossen sein, der die verarbeitung übernimmt und in einem 
Datenspeicher abspeichert. Da das ganze mit Batterie betrieben werden 
soll, dürfen die Temperatursensoren nur wenig Strom verbrauchen.

Bisher habe ich leider keine Digitalen ICs gefunden, die diesen 
Temperaturbereich abdecken. Die meisten gehen von -40°C bis 125°C. Schön 
wäre es schon ICs im Bereich -40°C/+300°C zu bekommen, die einen 
1-shot-modus bereitstellen und danach weider in einen power-save-modus 
wechseln.
Kennt da jemand vielleicht welche?

Eine weitere möglichkeit wären Thermoelemente des Typs T, da diese den 
geforderten Temperaturbereich abdecken. Aber ich habe dazu keine 
Verarbeitungs-ICs gefunden.
Kennt da jemand vielleicht welche?

Ein PT100 würde den Bereich auch abdecken, allerdings weiß ich nicht, 
wie ich das ganze an den µC anschließen soll. Im Forum habe ich schon 
einige Vorschläge mit OPVs gesehen, aber da scheint es so zu sein, dass 
der Stromverbrauch relativ hoch ist...

Die Genauigkeit der Temperaturmessung sollte bei 1Kelvin oder 1,5Kelvin 
liegen. Ausserdem sollte das ganze EMV-stabil sein, da ich ja im 
Automobil messen möchte. Vom Schaltungslayout bezüglich EMV kenne ich 
mich schon einigermaßen aus.

Wenn jemand tipps für mich hat, würde ich mich freuen.
Grüße,
Michael

Autor: Sascha (Gast)
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Für PT100 oder PT1000 gibts fertige Mess-ICs, such mal bei Analog 
Devices oder anderen üblichen Verdächtigen. Weiß aber nicht wie 
stromsparend die sind. Zur Not per Transistor an/ausschalten.

ICs die von sich aus 300°C messen können gibt es nicht, da das der Chip 
nicht aushält.

Autor: Sascha (Gast)
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PS: Für Thermoelemente sollte es wie für PT100(0) spezielle ICs im 
Prinzip Thermoelement-rein-Spannung-raus geben.

Autor: aha (Gast)
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Ein Stromspar ADC kann das. Thermoelemente & PT1000 sind so kein 
Problem.

Autor: Timmo H. (masterfx)
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Hier wurden schonmal welche vorgeschlagen:
Beitrag "Temperatursensor mit Two-Wire Interface bis 300°C"

Autor: Enrock Ja (Firma: studi) (enrock)
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Servus,

also zwei Sachen verstehe ich nicht ganz.
1. Warum muss der Temperaturbereich so hoch sein? Wo genau willst du das 
Teil im KFZ einsetzen?
2. Warum soll das ganze Batteriebetrieben sein? Das Einsatzgebiet soll 
doch im KFZ sein. Da hast du Leistung wie Heu.

Du wirst wohl um eine AD-Wandlung nicht drum herum kommen, wenn du 
analoge Sensoren, wie einen PT1000 oder ein Thermoelement verwendest. 
Beide ändern, abhängig von der Temperatur, ihren Widerstand, welchen es 
zu messen gilt. Also würde ich einen konstanten Strom durch den Sensor 
treiben und die Spannung über diesem messen, welche eventuell verstärkt, 
im µC ad-gewandelt verarbeitet werden kann.
Ob du die Genauigkeit über den kompletten Temperaturbereich erreichst, 
wage ich jetzt mal zu bezweifeln.

Gruß

Autor: Z8 (Gast)
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Schau dir mal den Tiny26 an!

Der kann differenziell messen. (fürne Brücke sehr sinnvoll)
Außerdem kann er das Eingangssignal mit Faktor 20 verstärken.
(man braucht uu keinen Messverstärker)

Tip: mimm einen PT1000, bei dem hast Du schon gewaltige
Spannungsänderungen bei kleinen Meßströmen.

Z8

Autor: Michael T. (michelback)
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Hallo Leute,

vielen Dank erstmal für die ganzen Rückmeldungen, dasging schneller als 
ich gedacht habe ;)

@Daniel:
Ich möchte einen Sensorcluster im Rahmen meines Studiums entwickeln, das 
Daten wie Temperatur, Feuchte, Vibration, etc erfasst und speichert. 
Meine fertige Platine soll dann anstelle anderer Platinen im Kfz (zB der 
ABS-Platine) eingebaut werden und die dortigen Bedingungen aufzeichnen. 
Die platine soll autark arbeiten können. Darum war die idee einen Akku 
zu verwenden, damit man nicht jedes mal die Stromversorgung verkabeln 
muss. Natürlich hat jede im kfz eingesetzte Platine auch einen eigenen 
Stromanschluss, nur leider gibt es die vorgabe, dass die elektronik des 
Autos im stillstand(motor aus) nie mehr als 50mA verbrauchen darf. Da 
käme dann der akku ins spiel, der im kfz-Stillstand die stromversorgung 
übernehmen soll.
Der Temperaturbereich darum, weil ich evtl auch die Motortemperatur 
aufnehmen möchte, ohne dabei die Sensorik des autos anzuzapfen.

@ Sascha:
vielen Dank für die Tipps. Mit thermoelementen habe ich schon mal 
gearbeitet. Da hatte ich den MAX6675 im einsatz, der die temperatur 
digital ausgibt. Hat super geklappt. Nur leider habe ich keinen Ic 
gefunden, der auch negative temperaturen in Verbindung mit 
Thermoelementen umwandeln kann. Wenn da jemand einen parat hätte, würde 
ich den sofort nehmen ;)

Vielen Dank soweit an Alle!!

Autor: Michael T. (michelback)
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ach ja im vorigen post ist ein pdf im anhang, wie erfolgreich eine 
Temperaturmessung mit einem PT100 an einen µC angeschlossen wurde. Dabei 
werden nur ein LM317 als gleichstromquelle und ein LM324 als 
Verstärkerschaltung eingesetzt und an den analogen eingang des µC 
gesetzt. Was haltet ihr von der Lösung?
Grüße

Autor: Michael T. (michelback)
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Für alle die es in dieser Thematik auch interessieren könnte: Maxim 
bietet einen IC an, an den zwei Pt200 angeschlossen werden können. Die 
ICs werden dann einfach an einen AD-Eingang eines µC angeschlossen, ohne 
dass noch zusätzliche Bauelemente für die Messung benötigt werden. Der 
IC arbeitet bei temperaturen im Automotivebereich (-40°C bis +125°C).

=> MAX6603

Grüße,
Michael

Autor: Ulrich (Gast)
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Die Lösung mit LM317 ist ein ziehmlicher Murks.
Besser ist da eine einfache Brücke die von den 5 V gespeißt wird und ein 
Differenzverstärker. So werden wenigstens Widerstände mit Widerständen 
vergleichen und nicht mit dem Verhältnis von schlechten Spannungs- und 
Strom-referenzen. Wenn man es richtig macht sollte ein OP Ausreichen.
Wenn die Leitungen lang sind dann halt ein PT1000 statt PT100.
1 K Genauigkeit ist möglich, aber nicht gerade einfach ohne 
Kalibrierungsmessung.

Autor: MaWin (Gast)
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Verstehe ich das richtig: Du willst die Temperatur einer Platine messen, 
auf der unter anderem dein uC sitzt, und forderst da einen 
Temperaturbereich bis 300 GradC ?

Wozu ?

Der uC ist eh nur bis 125 GradC spezifiziert, und auch und gerade 
Flash-Speicher wird bei 300 GradC seinen Inhalt verlieren.

Bei 300 GradC braucht es einen abgesetzten Sensor, am preiswertesten und 
einfachsten zu verwenden dürfte der M87 von Epcos (bei Conrad) sein. Als 
NTC ändert er seinen Widerstand von 30 Ohm bis auf 380kOhm, das ist 
problemlos direkt in einen A/D-Wandlereingang einlesbar per 
Spannungsteiler oder Konstantstromversorgung.


Wenn du allerdings wirklich mit abgesetzten Sensoren am Auto messen 
willst, solltest du auch welche nehmen, die robust genug sind. Nicht 
ohne Grund misst BMW die Öltemperatur nicht mit dem M87, sondern einem 
robust-in-Edelstahl-Gewinde-mit-gummigedichtetem-Stecker-NTC-für-ganz-vi 
el-Geld.

Ist ein NTC (mit 10% Widerstandstoleranz) ausreichend, um auf 1K genau 
messen zu können ? Ja, du musst aber kalibrieren, also aufschreiben, bei 
welchen bekannten Temperaturen er welchen Widerstand hat bzw. welcher 
Wandlerwert an deinem A/D-Eingang entsteht. Allerdings ist dieser Wert 
nicht linear von der Temperatur abhängig, du hast also entweder eine 
höhere Auflösung in einem Bereich, oder musst extern linearisieren. 
Bloss ein parallel geschalteter Widerstand reicht zum Linearisieren bei 
deinem gewünschten Temperaturbereich nicht, da braucht man wohl eine 
OpAmp-Schaltung. Die genannten ICs, LM317 und LM324, sind allerbilligst 
und als Messgerät nicht zu verwenden, die haben ja schon Toleranzen 
jenseits von gut&böse, das wäre Kinderkram.

Zum Batterie-Strom-sparen kannst du die (Stromversorgungsquelle) des NTC 
ausserhalb der Zeit in der nicht gemessen wird per Transistor 
abschalten.

ICH würde bei abgesetztem Sensor im Auto aber auch zum PT100 raten, denn 
da gibt es viele Bauformen fertig mit Kabel und Stecker, und die 
Schaltungen, um deren Widerstandswert linearisiert in eine Spannung 
umzusetzen, die der uC messen kann, sind reichlich vorhanden.

Wenn du Batteriebetrieb vor hast, empfiehlt sich der MSP430, dort gibt 
es auch welche mit 16 bit sigma delta A/D-Wandler für Messzwecke, und, 
trara, eingebautem Temperatursensor (natürlich nur im sinnvollen 
Temperaturbereich, so von 0 bis 85 GradC).

Autor: Michael T. (michelback)
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Hallo MaWin,

du hast schon recht, der µC soll diese Temperatur (300°C) natürlich 
nicht aushalten, das klappt nicht. Die verwendeten ICs sollen aber in 
einem möglichst großen Temperaturbereich arbeiten können. Ich hatte da 
an den automotive-Temperaturbereich gedacht(-40°C bis +125°C).

Um die 300°C zu erfassen werde ich natürlich mit Remote-Sensoren 
Arbeiten. Vielen dank für die info zu den billigst-ICs. Da kenne ich 
mich nicht so gut aus, darum bin ich dir über die Infos sehr dankbar. 
Ich werde mir deine Vorschläge heute genauer anschauen.
Die Genauigkeit auf 1K genau zu messen ist wohl eine Wunschvorstellung, 
die sich im Bereich von -40°C bis 300°C scheinbar nicht leicht 
realisieren lässt. Dafür danke an alle Antwortschreiber, so weiß ich 
zumindest womit ich es zu tun habe.
Was hälst du von dem MAX6603? Er wäre eine unkomplizierte Lösung 
zwischen µC und PT200. Leider ist die Genauigkeit (±13.3K im Bereich von 
-40°C/+400°C bei VCC=3V) nicht wirklich bei 1K ;) Den ganzen IC könnte 
ich aber auch per Transistor ein-/ausschalten.

Was genau meinst du mit extern linearisieren? Kann ich nicht Im µC per 
Software linearisieren? Zum Beispiel so:
Wenn ich den Gesamten Temperaturbereich (-40°C/+300°C) unterteile und 
jeden Teilbereich kalibriere (in der Software), lässt sich dann eine 
höhere Genauigkeit erreichen?

Vielen Dank soweit!

Autor: Arc Net (arc)
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Michael T. schrieb:
> Hallo MaWin,
>
> du hast schon recht, der µC soll diese Temperatur (300°C) natürlich
> nicht aushalten, das klappt nicht. Die verwendeten ICs sollen aber in
> einem möglichst großen Temperaturbereich arbeiten können. Ich hatte da
> an den automotive-Temperaturbereich gedacht(-40°C bis +125°C).

Falls der Microcontroller noch nicht feststeht:
ADuC847/848 8052er mit internem Flash (62 kiB + 4 kiB Data Flash), 
16/24-Bit ADC und Stromquellen etc.pp. D.h. alles, was für die 
Auswertung von PT100/PT1000, Thermoelementen gebraucht wird, ist 
integriert (und für den Automotive-Temperaturbereich spezifiziert).

> Was genau meinst du mit extern linearisieren? Kann ich nicht Im µC per
> Software linearisieren? Zum Beispiel so:

Doch, das ist das eigentlich übliche Vorgehen. Externe Linearisierungen 
macht man eigentlich nur noch, wenn man keinen ADC/Microcontroller in 
der Schaltung hat.

> Wenn ich den Gesamten Temperaturbereich (-40°C/+300°C) unterteile und
> jeden Teilbereich kalibriere (in der Software), lässt sich dann eine
> höhere Genauigkeit erreichen?
>
> Vielen Dank soweit!

Autor: MaWin (Gast)
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> Was hälst du von dem MAX6603?

Nichts. Die wirklichen Probleme mit Präzisionsmessungen beim RTD 
(Selbsterwärmung, Thermospannungen) löst er nicht, und er ist nur für 
den eher ungewöhnlichen Widerstandswert von 200 Ohm statt 100 verwendbar 
und nur sinnvoll wenn man den vorgegebenen Temperaturbereich ganz 
ausnutzt, und einen Verstärker mit Faktor 5 (oder besser 10) würdest du 
auch mit einem ordentlichen OpAmp hinbekommen (nicht dem LM324).

Bei ausreichendem A/D-Wandler (empfindlicher Differenzeingang) braucht 
man gar keinen Verstärker, nur eine (einschaltbare) Konstantstromquelle 
(nicht gerade LM334, die ihrerseits eher ein Temperatursensor als eine 
Konstantstromquelle ist), bei den genannten uC sollte das mit deinen 
Ansprüchen (1K) gerade noch gehen, sonst wäre ein externer 
Differenzverstärker mit lineare Verstärkung notwendig, und nur wenn die 
A/D-Wandlung knapp wird (10 bit oder so) und man die unlineare Auflösung 
nicht haben möchte, muss man vor Quantisierung linearisieren.

Autor: Jörg S. (joerg-s)
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ZMD hat mit dem ZMD21013 ein ähnliches IC im Angebot.

Autor: Michael T. (michelback)
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Hallo zusammen,

so langsam wirds ernst, ich habe mich jetzt nochmal eingelesen und fand 
den Beitrag von ARc net sehr interessant. Bisher sieht es folgendermaßen 
aus:
ich werde mir einen µC suchen, der eine 1mA Konstantstromquelle 
bereitstellt. Versorgungsspannung werden 2,5V sein. Vref des ADC soll 
dann ebenfalls 2,5V sein. Geht das überhaupt?

Außerdem möchte ich ein PT1000 verwenden oder ein PT100, dann muss aber 
der ADC einen Verstärkungsfaktor von 10 haben.

Der Messbereich sollte zwischen -60°C und +350°C sein. mit den 
Widerstandswerten des PT1000 ergeben sich bei einem Konstantstrom von 
1mA die Spannungen 0,78V (-60°C) und 2,3V (+350°C). Bei einem 10bit-ADC 
ergeben sich bei Vref=2,5V folgende Werte:

Für -60°C: ADCwert= 0,78V * 1024 / 2,5V = 319,488
Für +350°C: ADCwert= 2,3V * 1024 /2,5V = 942,08

delta ADC = 623
delta Temperatur = 410K

=> Auflösung = 410K / 623 = 0,658K

Stimmt die Rechnung? Die Auflösung würde mir nämlich reichen.

Wenn ich das PT1000 mit Vierleiterschaltung anschließe, wie würde das 
dann aussehen?
Ich habe bisher viele Schaltungen gesehen, die diverse OPamps verwenden. 
Ich würde aber gern (wie Arc net vorgeschlagen hat) das PT1000 direkt an 
den µC hängen. von den ausgegebenen Spannungspegeln müsste das ja 
funktionieren.
Wie würde das konkret aussehen?
Ich habe dazu im Anhang ein PNG erstellt, so wie ich es bisher 
verstanden habe. Ist das soweit in Ordnung?

Grüße,
Micahel

Autor: Michael T. (michelback)
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Hat niemand Antworten?

Autor: annegret (Gast)
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Leider noch nicht.

Autor: jozi59 (Gast)
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Bei einem PT1000 mit 1mA -> 1mW.
Ich halte die Selbsterwärmung für zu hoch.

1mA ist die klassische Speisung für einen PT100. (0,1mW)
PT1000 würde ich mit 250uA beaufschlagen. (0,0625mW)

Unterschätz die Selbsterwärmung nicht. So toll ist die thermische 
Anbindung des Sensors nicht. Auf der anderen Seite wirst Du bei einer 
Verschiebung der Messstelle, selbst bei massiven Aluminiumkonstruktionen 
schon erhebliche Temperaturunterschiede feststellen können. Die Frage 
ist also, wie präzise muss es wirklich sein. Und wie vertrauenswürdig 
muss der Messwert tatsächlich sein.

Mit Deiner Berechnung kann ich ehlich gesagt nicht viel anfangen. Es ist 
lediglich eine grobe Abschätzung des Eingangssignals für den ADC.

Autor: Michael T. (Gast)
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Also, der µC (R5F2122CKFP von Renesas) steht jetzt fest und er hat 
leider keine konstantstromquelle.
Ich würde mir daher eine Konstantstromquelle wie im Anhang vorgeschlagen 
selber bauen. Der dort verwendete OPV kann leider nur bis 85°C betrieben 
werden. Ich suche aber einen vergleichbaren OPV der bis 125°C betrieben 
werden kann. Versorgungsspannung wird 3,0V oder 3,3V sein. Vref kann 
noch angepasst werden, maximal aber 3,0V oder 3,3V.

Kennt jemand einen geeigneten OPV für die Konstantstromquelle?

Grüße,
michael

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