Hallo zusammen,
bei einem aktuellen Projekt bin ich auf o.g. Loesung
gestoßen, obwohl ich mich diesmal für den INA 126 und
PT-Sensoren entschieden habe, möchte ich den Ansatz nicht
ganz aus den Augen verlieren. Insbesondere für Anwendungen
ohne ADC scheint das eine gute Lösung bei der man auf viele
Standardfuehler zurückgreifen kann. Daher möchte ich mir
hier ein Bild von den erreichbaren Genauigkeiten machen.
Die Überlegungen sind zunächst rein theoretisch:
Gemäß Datenblatt des NE555 ergibt sich für den astabilen
Betrieb die Zeitkonstante zu 0,693 *(R1+2R2) * C1.
Sofern man nun den R2, der den größten Anteil am Ergebnis
hat, durch einen NTC ersetzt, ändert sich die Zeitkonstante
mit der Temperatur. (Dazu gibt es auch eine Appnote)
Angenommen der NTC ist ein 10k-Typ, R1 ist 4,7kOhm und
C1 beträgt 4x10^-9 F, dann würden sich z.B. folgende
Frequenzen ergeben:
Für T=0 grad C: 1/(0.693*(4700+2*32560)*4e-9)= 5167Hz
für T=25 grad C: 1/(0.693*(4700+2*10000)*4e-9)= 14605Hz
für T=100 grad C: 1/(0.693*(4700+2*677,3)*4e-9)= 59582Hz
Sofern man diese mit einem 16 bit-Zähler erfasst und jede Sekunde
auswertet ergeben sich von 0 bis 25 grad 9438 Messwerte, im arith.
Mittel also eine Auflösung von 0,0026 grad Celsius, zwischen 25 und 100
sogar etwa 0,0017 grad
Celsius. bei einem 10 bit adc wäre rechnerisch schon bei 0,1
grad Schluss. Da Auflösung und Genauigkeit bekanntermaßen
zwei paar Schuhe sind bitte ich jetzt um rege Beteiligung
was Die nicht kalibrierbaren Abweichungen betrifft.
Gruß Dominik
Hallo,
die Auflösung ist in beiden Fällen irrelevant, denn du müsstest den
Sensor kalibrieren bei mindestens 2 Temperaturen. Ohne teure
Laborausrüstung hast du diese Möglichkeit aber nicht, nicht mit 0,1 K
und schon garnicht mit 0,002 K.
Deine Messeinrichtung ist also nur so gut wie du in einer Flüssigkeit
eine definierte Temperatur herstellen kannst, bestenfalls etwa +- 0,5 K.
Georg
Du solltest dran denken, dass der 555 in jedweder Variante selber mit
zum Ergebnis beträgt, weil ja beispielsweise die internen 3 Widerstände
(was auch immer das wirklich ist) nicht unendlich genau sind.
So hat der ICM7555 über -55-+125°C in der Referenzdimensionierung einen
Zeitbereich von 1717-2323µs im Datasheet stehen. Das NE555 Original hat
schon bei 25°C eine Abweichung bis 13%, dazu dann noch 500ppm/°C.
Hallo,
ja das kalibrierproblem ist natürlich klar, das war auch nicht wirklich
im absoluten Fokus, jedes Messinstrument ist im Normalfalle natürlich
nur so genau wie seine Referenz :-)
Gehen wir mal vereinfacht davon aus, es sind hinreichend genaue
messnormale vorhanden um zwei oder drei messpunkte zu kalibrieren.
Die Grundungenauigkeit des ne555 wären dann auch eher zweitrangig. wie
sieht es mit linearitaetsproblemen beim ne555 aus und bei Abweichungen
zur e-Funktion im ntc?
in welchem Maßstab würden sich diese auswirken? bei kleinerem
ntc-widerstand würde auch mehr Strom fließen was diesen zusätzlich
erwärmen würde. sind all diese zusammenhänge in Summe hinreichend
kalibrierbar? und wie genau wäre bei gleichen Randbedingungen
(umgebungstemperatur/spannungsversorgung) die wiederholgenauigkeit?
Gruß dominik
D190979V schrieb:> sieht es mit linearitaetsproblemen beim ne555 aus und bei Abweichungen> zur e-Funktion im ntc?
Schnapp dir einen und miss nach.
> wie genau wäre bei gleichen Randbedingungen> (umgebungstemperatur/spannungsversorgung) die wiederholgenauigkeit?
Korrektur: Schnapp dir 100 Stück verschiedener Hersteller aus
verschiedenen Batches und miss nach.
Soll heissen: Den ollen NE555 auf Atomuhr zu trimmen ist ein äusserst
exotisches Szenario. Dafür ist der nicht gebaut.
Der Umweg über die Frequenz ist ein bekannter Weg. Das muss auch nicht
mit dem NE555 (oder ggf. der CMOS Version) sein. Man bekommt tatsächlich
eine sehr hohe Auflösung, weil die Frequenzmessung mit dem µC sehr hohe
Auflösung gibt. Früher hat man teils die A/D Wandlung für hohe Auflösung
auch über einen entsprechenden spannungsabhängigen Oszillator gemacht.
Es gibt auch einfache Schaltungen, die am µC direkt einen RC
Zeitkonstante Messen. Dabei kann ggf. auch ein Vergleichswiderstand als
Referenz genutzt werden, und so auch eine akzeptable Genauigkeit (ggf.
auch besser als ein 10 Bit ADC) erreicht werden. Gemessen werden dabei 2
Zeiten, einmal mit dem Sensor und einmal mit dem Vergleichswiderstand.
Die Auflösung ist geringer als bei der Frequenz, aber ggf. immer noch
gut.
Beim Absolutwert hat man schon einmal einiges an Abweichungen, einmal
vom Oszillator IC und dann auch noch mal vom Kondensator. Das kann man
ggf. durch eine Kalibriermessung (bei einer Temperatur, ggf. auch ein
Ersatzwiderstand) ausgleichen.
Das 2. Problem ist das der NE555 und auch der Kondensator eine
Temperaturabhängigkeit haben, und auch altert. Die Frequenz hängt also
auch von der Temperatur der Schaltung ab. Wie stark, kann man ggf. aus
dem Datenblatt ersehen - je nach Hersteller ist der NE555 auch etwas
besser (z.B. 150 ppm/K bei Ti). In der Regel sind aber stabile
Widerstände für die klassische Auswertung genauer und günstiger - die
150ppm/K entsprechen etwa den einfachen Metallfilm-Widerständen.
Im Prinzip ist auch noch die Frage wie gut die Frequenz der Vorgegebenen
Funktion folgt. Je nach IC und Widerstandsbereich kann es auch da noch
Fehler geben.
Es gibt Anwendungen wo man die hohe Auflösung trotz geringer Genauigkeit
auch gebrauchen kann - etwas wenn es darum geht eine Temperatur stabil
zu halten, oder etwa auf minimale Leistungen zu reagieren wie in einer
Art Bolometer.
Hallo,
A. K. schrieb:> D190979V schrieb:>> sieht es mit linearitaetsproblemen beim ne555 aus und bei Abweichungen>> zur e-Funktion im ntc?>> Schnapp dir einen und miss nach.>>> wie genau wäre bei gleichen Randbedingungen>> (umgebungstemperatur/spannungsversorgung) die wiederholgenauigkeit?>> Korrektur: Schnapp dir 100 Stück verschiedener Hersteller aus> verschiedenen Batches und miss nach.>> Soll heissen: Den ollen NE555 auf Atomuhr zu trimmen ist ein äusserst> exotisches Szenario. Dafür ist der nicht gebaut.
Danke für die Hinweise, ich hatte schon Angst ich müsse mich endlos
durch Internetforen fragen und Datenblätter studieren, 100 Stück über
den gesamten Temperaturverlauf in genannter Auflösung zu vermessen
klingt sehr viel logischer und gut umsetzbar ;-)
Ok, genug des Sarkasmus, ich filtere mal:
A. K. schrieb:> Den ollen NE555 auf Atomuhr zu trimmen ist ein äusserst> exotisches Szenario.
Genau das ist eigentlich der Kern meiner Frage, ist das Ansinnen
tatsächlich so überzogen? Das absolute Temperaturmessung in dem Bereich
Irrsinn ist hatte ich glaube im Eingangspost versucht zu erwähnen, aber
was ist mit der möglichen Genauigkeit in Hinsicht auf die Frequenz? Das
selbstredend weder Timer IC noch NTC oder irgendein anderes Bauteil
ausgetauscht werden können ohne neu zu kalibrieren sollte ja auf der
Hand liegen.
Ulrich H. schrieb:> Der Umweg über die Frequenz ist ein bekannter Weg. Das muss auch nicht> mit dem NE555 (oder ggf. der CMOS Version) sein. Man bekommt tatsächlich> eine sehr hohe Auflösung, weil die Frequenzmessung mit dem µC sehr hohe> Auflösung gibt. Früher hat man teils die A/D Wandlung für hohe Auflösung> auch über einen entsprechenden spannungsabhängigen Oszillator gemacht.
So dachte ich, das klingt doch schon mal viel besser.
Ulrich H. schrieb:> Das 2. Problem ist das der NE555 und auch der Kondensator eine> Temperaturabhängigkeit haben, und auch altert. Die Frequenz hängt also> auch von der Temperatur der Schaltung ab. Wie stark, kann man ggf. aus> dem Datenblatt ersehen - je nach Hersteller ist der NE555 auch etwas> besser (z.B. 150 ppm/K bei Ti). In der Regel sind aber stabile> Widerstände für die klassische Auswertung genauer und günstiger - die> 150ppm/K entsprechen etwa den einfachen Metallfilm-Widerständen.
So eine Antwort hatte ich mir gewünscht, vor allem in Bezug auf die
Alterung, dahin u.a. zielte z.B. meine Frage mit den gleichen
Umgebungsbedingungen.
Ulrich H. schrieb:> Es gibt Anwendungen wo man die hohe Auflösung trotz geringer Genauigkeit> auch gebrauchen kann - etwas wenn es darum geht eine Temperatur stabil> zu halten, oder etwa auf minimale Leistungen zu reagieren wie in einer> Art Bolometer.
Hmm, erteilt das dem NE 555 (in meinem Falle tatsächlich dem TS555CN)
eine allgemeine Abfuhr oder ist es einen Versuch wert?
Ich denke, ich werde einen Versuch wagen, sobald der Aufbau mit den
PT-Sensoren steht. Ob die dann so genau sind ist ja erstmal zweitrangig,
wenn ich Sie bereits zum kalibrieren heranziehe. In einem Isolierten
Gefäß sollte zumindest bei gleicher Leistungszufuhr erkennbar sein ob
die Timer-Variante die errechneten Zwischentemperaturen zur richtigen
Zeit anzeigt und damit Rückschlüsse auf die Genauigkeit zulässt.
Danke Ulrich.
Gruß Dominik
D190979V schrieb:> Hallo zusammen,> bei einem aktuellen Projekt bin ich auf o.g. Loesung> gestoßen, obwohl ich mich diesmal für den INA 126 und> PT-Sensoren entschieden habe, möchte ich den Ansatz nicht> ganz aus den Augen verlieren. Insbesondere für Anwendungen> ohne ADC scheint das eine gute Lösung bei der man auf viele> Standardfuehler zurückgreifen kann. Daher möchte ich mir> hier ein Bild von den erreichbaren Genauigkeiten machen.>
Das Zauberwort, bzw. der Begriff, heisst radiometrische Messung.
Alles andere Bedarf temperaturstabile Stromquellen, temperaturstabile
und Zero Drift OPV, temperaturstabile Spannungsquellen,
temperaturstabile Widerstände, .... Ein ganz schöner Aufwand. Bei der
radiometrischen Messung bedarf es nur einen präzisen Referenzwiderstand
für ca. 1 € und einen AD wie den AD7739, kostet bei Mouser 13€. Dieser
AD dürfte der teuerste sein. Ein billigerer würde es bestimmt auch tun.
Beitrag "Re: PT1000 Messwandler Problem"http://electronicdesign.com/analog/improve-noise-immunity-rtd-ratiometric-measurementshttp://www.electronicdeveloper.de/ADCRatiometrisch.aspxhttp://www.christiankoch.de/sublab/FA_2011_7_Pt100.pdf
mfg klaus.
Das Frequenzverfahren wird durchaus eingesetzt,
manche kapazitiven Hygrometer nutzen das,
der NE555 ist frequenzstabil genug auch bei schwankender Versorgung,
auch der zeitbestimmende KOndenstaor macht dir keine Sorgen,
nur der uC braucht dann einen Quarzt statt dem internen RC Oszillator.
Anspruchsvoll ist das Rückrechnen aus gemessener Zeit zu vermutetem
Widerstand auf reale Temperatur, und das mit 1 oder 2
Kalibrierungspunkten abzugleichen.
Ohne Kalibrierung wird es jedoch nichts, weil die absoluten
Schaltschwellen des NE555 (und auch des genaueren SE555) zu ungenau
sind.
Klaus Ra. schrieb:> Das Zauberwort, bzw. der Begriff, heisst radiometrische Messung.>> Alles andere Bedarf temperaturstabile Stromquellen, temperaturstabile> und Zero Drift OPV, temperaturstabile Spannungsquellen,> temperaturstabile Widerstände, .... Ein ganz schöner Aufwand. Bei der> radiometrischen Messung bedarf es nur einen präzisen Referenzwiderstand> für ca. 1 € und einen AD wie den AD7739, kostet bei Mouser 13€. Dieser> AD dürfte der teuerste sein. Ein billigerer würde es bestimmt auch tun.
Hallo Klaus,
In diesem Falle habe ich mich für eine trimmbare
Wheatstonsche-Brückenschaltung entschieden, benötigt zwar 3
Präzisionswiderstände und einen "hoffentlich" temperaturstabilen
Präzisionstrimmer, dafür kann ich aber den 10bit ADC im µC nutzen und
komme an ca. 800 Digits / 100 °C, tatsächlich angepeilte Genauigkeit
etwa 1/4 bis 1/2°C, die Brücke wird mit AREF gespeist und verbrät etwa
1mA pro Strang. Leider habe ich alle 8 ADC-Kanäle belegt, daher kann ich
auch nicht pro Sensor 2 Kanäle opfern, selbst wennn ich z.B. im Mittel
mit 400 Digits hinkommen würde (Dazu kommt das der ADC-Fehler mit +/- 2
LSB größer ist als der Gain-Fehler des INA, somit würde ich mit der
radiometrischen Messung durch den "schlechten" ADC noch mal Einbußen in
der Genauigkeit haben). Ob sich die +/- 2 LSB irgendwie kalibrieren oder
reproduzieren lassen bleibt der spannende Teil :-)
Ansonsten stimme ich Dir vollkommen zu.
Hallo MaWin,
MaWin schrieb:> Das Frequenzverfahren wird durchaus eingesetzt,> manche kapazitiven Hygrometer nutzen das,> der NE555 ist frequenzstabil genug auch bei schwankender Versorgung,> auch der zeitbestimmende KOndenstaor macht dir keine Sorgen,> nur der uC braucht dann einen Quarzt statt dem internen RC Oszillator.
Also doch einen "richtigen" Versuch wert, der µC arbeitet bei mir meist
mit
einem Baudratenquarz, von dort wird sich also ein Fehler von +/- 30ppm
einschleichen, mit 0,006% kann ich leben, ist schon mal deutlich besser
als
die 0,4% vom ADC :-)
Bisherige Erkenntnis: Ein erster On-The-Fly Aufbau zeigt schonmal
Messwerte, wenn auch 6° vom Ziel entfernt, dass ist aber bei 5%
Widerständen, 3% NTC Toleranz und 20% Toleranz auf den KERKO jetzt nicht
wirklich ein Wunder, dass kalibriert werden muss war ja klar. Zumindest
sieht die Frequenz stabil aus und die warme Fingerkuppe auf dem NTC
zeigt sofortige eine deutliche Reaktion.
Gruß Dominik
Klaus Ra. schrieb:> Das Zauberwort, bzw. der Begriff, heisst radiometrische Messung.
Ganz bestimmt nicht, Strahlung ist viel zu gefährlich für solche
einfachen Messungen. Möglicherweise meinst du eine ratiometrische
Messung.
Georg
D190979V schrieb:> Bisherige Erkenntnis: Ein erster On-The-Fly Aufbau zeigt schonmal> Messwerte, wenn auch 6° vom Ziel entfernt, dass ist aber bei 5%> Widerständen, 3% NTC Toleranz und 20% Toleranz auf den KERKO jetzt nicht> wirklich ein Wunder, dass kalibriert werden muss war ja klar. Zumindest> sieht die Frequenz stabil aus und die warme Fingerkuppe auf dem NTC> zeigt sofortige eine deutliche Reaktion.>> Gruß Dominik
Nur ein kurzer Hinweis: Es gibt auch fertige ICs die nach so einem
Prinzip arbeiten. Idee dort ist einen Kondensator einmal über einen
Referenzwiderstand zu entladen und einmal über den zu messenden...
Whitepaper zur Temperaturmessung
http://www.acam.de/fileadmin/Download/pdf/PICOSTRAIN/English/WP003_en.pdf
Datenblatt des PS09 von acam
http://www.acam.de/fileadmin/Download/pdf/PICOSTRAIN/English/DB_PS09_en.pdf
> Nur ein kurzer Hinweis: Es gibt auch fertige ICs die nach so einem> Prinzip arbeiten. Idee dort ist einen Kondensator einmal über einen> Referenzwiderstand zu entladen und einmal über den zu messenden...>> Whitepaper zur Temperaturmessung> http://www.acam.de/fileadmin/Download/pdf/PICOSTRA...> Datenblatt des PS09 von acam> http://www.acam.de/fileadmin/Download/pdf/PICOSTRA...
Alle Achtung, habe die Links zwar nur kurz Überflogen, scheint aber
ein super Ansatz zu sein. Schade das der uC in meiner Anwendung nicht
genug Pins für eine solche
Lösung bietet...
Andererseits kosten ein paar tiny's
mit Quarzen weniger als die INA's... Via I2C oder SPI...
Genauer als der ADC scheint es in jedem Fall zu werden. Ich denke ich
Muss nochmal ans steckbrett.
Danke.
Gruß Dominik
Klaus Ra. schrieb:> Kann man das IC auch kaufen? Was kostet es?> mfg klaus
Warum nicht? Nur nicht bei den bekannte(re)n Distris. Preisinformationen
habe ich nicht.
Hallo,
das Thema ist doch sehr interessant, leider gehört es jetzt fast in den
Bereich µC´s. Angeregt durch die obigen Links...
Zum Einsatz kommt übrigens ein Atmega 1284P, dieser lässt sich
intern ja relativ geschickt beschalten, so dass der Analog-Comparator
harwäremäßig den Timer1 ansteuert, dabei wird dann der aktuelle
Zählerstand gespeichert und eine Interupt-Routine ausgelößt. Der Timer
hat eine Breite von 16 bit und läuft mindestens etwa 3,5ms bei etwas
über 18MHz CPU-Takt.
Die ADC-Eingänge lassen sich auch für den AC missbrauchen, damit gehen
mir
keine zusätzlichen Pin´s verloren oder sind gar nicht in ausreichender
Anzahl vorhanden (wie bei der Lösung mit dem 555).
Wie genau die Schaltschwelle des Comparators ist versuche ich gerade
noch herauszufinden, oder weiß jemand ad-hoc Rat?
Die aktuelle Überlegung scheitert aber im Moment noch an den
PT100-Sensoren, diese würden im akzeptablen Spannungsbereich einen zu
hohen Stromfluss zulassen. Für Korrekturen/Anregungen bin ich natürlich
dankbar:
Vereinfacht angenommen hat der PT100 bei 0° 100 Ohm und bei 100° 140
Ohm.
Das RC-Glied wird zum Zeitpunkt t=0 mit 5V Spannung versorgt, die
Referenzspannung für den AC liegt bei 1,3V.
Das RC-Glied besteht aus einem Kondensator 70µF und dem PT100,
bei 0° ergibt sich eine Zeitkonstante von 0,007 Sekunden und bei 100°
eine Zeitkonstante von 0,0098 Sekunden.
Wird die Spannung zugeschaltet wird der Kondensator über den PT100
geladen.
Die 1,3 V werden rechnerisch bei 0,002107736 Sekunden (0°C) und
0,00295083 (100°) erreicht, dies entspräche Zählerständen von 38850 und
54390, die Auflösung läge mit 15540 Digits etwa 15x höher als bei der
ADC-Variante mit 10 bit. Das Ganze könnte mit einer Vergleichsmessung
gegen einen genauen 100 Ohm Referenzwiderstand kalibriert werden, keine
teueren Messverstärker, keine Platinenverschwendung an Wheatstonsche
Brücken...
Wie ist wohl die Chance auf Erfolg und welche Genauigkeit kann man da
anpeilen?
Gruß Dominik
D190979V schrieb:> Wie ist wohl die Chance auf Erfolg und welche Genauigkeit kann man da> anpeilen?>> Gruß Dominik
Erfolgreich wird es schon sein, nur bin ich mir relativ sicher, dass im
DB des Controllers nichts zur Langzeitdrift, Temperaturdrift usw. usf.
des Komparators steht...
Den PT100 würde ich schon besser über einen hochauflösenden ADC
auswerten - schon wegen der 4-Leiterbeschaltung, die mit dem Umweg über
die Zeitmessung schwierig wird. Die gute, teure Variante halt so etwas
wie ein LTC2440 (ggf. noch LTC2400) oder AD7793, als billige Version ein
MCP3551. Die Auflösung sollte in den meisten Fällen ausreichen - irgend
was im Bereich 0.1 - 10 mK. Ein PT1000 wäre ggf. passender für den
MCP3551.
Die Zeitmessung ist eher was für NTCs im 10 kOhm Bereich, denn dann
fallen die Widerstände der Schalter nicht so ins Gewicht.
> Bisherige Erkenntnis: Ein erster On-The-Fly Aufbau zeigt schonmal> Messwerte, wenn auch 6° vom Ziel entfernt, dass ist aber bei 5%> Widerständen, 3% NTC Toleranz und 20% Toleranz auf den KERKO jetzt nicht> wirklich ein Wunder, dass kalibriert werden muss war ja klar. Zumindest> sieht die Frequenz stabil aus und die warme Fingerkuppe auf dem NTC> zeigt sofortige eine deutliche Reaktion.
ich beschäftige mich z.Z. auch damit.
Vorteil,
- Frequenz über langes Kabel beeinflusst das Messergebnis nicht
- man kann über den zweiten Widerstand am 7555 (555 ist nicht sehr
sinnvoll)
einen Teil des Kurvenverlaufs linearisieren. Einfach mal die Formeln aus
dem Datenblatt in eine Tabellenkalkulaton schieben
- billige Lösung, wenn man mehrere Sensoren braucht
was mir fehlt,
ich kann noch nicht wirklich mit Timern und Bascom programmieren.
Frequenzzähler-Programme finden sich zwar genug,
aber schon am Drehen der Zeitbasis
(ich will mehrere Messung pro sek., min. 3) scheitere ich.
Ich hätte gerne
- zwischen 15 und 20grad (Raumtemperatur) eine verlässliche
Messung auf etwa 0,25grad genau
Problem bleibt natürlich, eine Referenz aufzutreiben.
Man müsste schon das Ergebnis kontrollieren können.
Kay* schrieb:> wie wäre es eigentlich mit der Genauigkeit/Linearität,> wenn man den NTC am 7555 gegen einen LM334 austauscht?
Es gibt viele Wege, die nach Rom führen. Z.B. kann man mit einer
gewöhnlichen Universaldiode die Temperatur schon auf wenige
Zehntel Grad genau messen, wenn man es richtig macht.
Gruss
Harald
> gewöhnlichen Universaldiode die Temperatur schon auf wenige> Zehntel Grad genau messen, wenn man es richtig macht.
die interessantes Geschichte, die cih dazu gesehen habe,
fand ich bei EDN.
Dort wird per Comparator eines µC der Temperaturverlauf
der Kapazität einer Universaldiode (1N4001) ausgewertet.
Bisher kenne ich keine präzisen Angaben zum Verlauf
der temp-abhängigen Spannung über einer Diode,
noch der Kapazität.
Selbst eine NTC-Kurve z.B. in 1°C-Schritten,
könnte ich mangels Referenz nicht erstellen.
Deshalb ich habe ich gestern erstmal einen DS18S20
zum Laufen gebracht.
Als Referenz kann ich z.Z. nur einen LM35 (immerhin ±0,5°C)
einsetzen
