Messung sehr kleiner Widerstandsdifferenzen

>Das Problem ist, dass die Temperaturdifferenz sehr klein ist, und somit
>auch die zu messende Widerstandsdifferenz sehr klein ausfällt: Die
>Widerstände haben je einen Wert von etwa 10 kOhm, die
>Widerstandsdifferenz liegt etwa im Bereich 0.1 bis 0.001 Ohm.

Das wäre ja 23bit Genauigkeit. Kannste vergessen. Alleine die CMRR der 
INAs ist um Größenordnungen schlechter.

Am ehesten geht das mit einer AC-Brücke und hochgenauen 
Referenzwiderständen, die aber selbst nicht mehr driften dürfen als 
0,00001%. Also sag mal...

Hi, Messknecht,

> ich möchte eine Widerstandsdifferenz zwischen zwei
> Widerständen(Widerstandsthermometer), die aufgrund einer
> Temperaturdifferenz zwischen den beiden Widerständen auftritt, messen.
Klassische Anwendung einer Brückenschaltung.

Du brauchst "nur" zwei weitere gleiche Widerstände, die um mindestens 
eine Klasse präzises sind.


Ciao
Wolfgang Horn

Messknecht schrieb:
> Widerstände haben je einen Wert von etwa 10 kOhm, die
> Widerstandsdifferenz liegt etwa im Bereich 0.1 bis 0.001 Ohm.

Weisst Du, was Du da willst? 0.001ohm an 10k, das ist, als würdest Du 
dem 10k Widerstand einen 100Gohm Widerstand parallelschalten.

Vergiss es. Einmal draufatmen oder Tür offenlassen verändert den 
Widerstandswert um Größenordnungen mehr. Von Drift, Alterung, 
Mikrofonie, Thermospannungen, Zuleitungen mal ganz zu schweigen.

Was ist die Anwendung? Welche Messbedingungen (T absolut, delta T, 
Geschwindigkeit, Medium)? Welche Umgebungsbedingungen? Welcher Sensor 
ist geplant? Dann können wir vlt mal über ein geeignetes Messverfahren 
nachdenken.

Messknecht schrieb:
> Irgendwelche Alternativen zur Messung solch minimaler
> Widerstandsdifferenzen (Brückenschaltung, etc)?

Wie Genaui schon gesagt hat: als AC-Meßbrücke.
Ich würde irgendwas ähnlich AN96 (Figure 8) mit entsprechend
rauscharmem ADC verwenden. Natürlich mit genügend stabilen 
Widerstandsteilern (DSMZ oder VHD200) für den anderen Zweig der 
Meßbrücke.

http://cds.linear.com/docs/Application%20Note/an96fa.pdf

Gruß Anja

Naja. eigentlich sollte man's fast mit normalen Bauteilen schaffen, sie 
muessen nur thermostatisiert werden. Solange man nicht wie in einem 
anderen thread 10V und 300mA ueber die Bruecke verpuffen lassen will...
Es ist nicht besonders abgehoben eine thermische Stabilitaet von 1mK zu 
erreichen. Das bedeutet ein Widerstand mit 100ppm/K wird 0.1ppm.

Hallo,

Messknecht schrieb:
> ich möchte eine Widerstandsdifferenz zwischen zwei
> Widerständen(Widerstandsthermometer), die aufgrund einer
> Temperaturdifferenz zwischen den beiden Widerständen auftritt, messen.

was soll die Anwendung denn in Wirklichkeit machen? Die Aufgabe 
erscheint schwer - manchmal ergeben sich einfachere Lösungen, wenn das 
Gesamtproblem klar ist.

Viele Grüße
Michael

Eine andere Möglichkeit wäre: 1 Referentwiderstand, man schaltet beide 
Widerstände abwechselnd dagegen und erfasst die Spannungsänderung, die 
man dann verstärken kann.

Schwierigkeit ist hier das Schalten. Ron < 1mR, Roff >100GOhm

Jedenfalls muss man mit stochasischen Messmethoden ran. Als Ingenieur zu 
sagen, das geht nicht, ist zwar Kapitulation, aber eine besondere 
Herausforderung ist 1m Ohm bei 10000 Ohm schon.
Eine anschauliche Darstellung zur stochasitischen Messung an einem DMS 
findes Du in:
Praxiseinstieg LabVIEW, ISBN 3772340393, Franzis Verlag 2010

Mit einem Sigma-Delta Wandler (statt USB6008) und der stochasischen 
Messmethode kommt man nach meiner Einschätzung am weitesten.

>Das Problem ist, dass die Temperaturdifferenz sehr klein ist, und somit
>auch die zu messende Widerstandsdifferenz sehr klein ausfällt: Die
>Widerstände haben je einen Wert von etwa 10 kOhm, die
>Widerstandsdifferenz liegt etwa im Bereich 0.1 bis 0.001 Ohm.

>Wenn ich's mal kurz überschlage, führt das zu Widerstandsdifferenzen
>von 20 Ohm bis 0.001 Ohm etwa, bei 10KOhm Platin-Widerständen.

Deine dünnschichtigen Platinbahnen unterliegen, so wie alle anderen 
Widerstände auch, einer Alterung. So rund 0,001% bis 0,01% pro Jahr, 
abhängig von den Umgebungsbedingungen, ist realistisch. 0,01% von 10k 
sind aber bereits 1 Ohm!

Zweieinhalb Oschi schrieb:
> Es geht also um Platinwiderstaende von 10k. Die machen 30 ohm aenderung
> pro Grad.

Als Platindraht oder Metallschicht auf einer Folie. (ca 0.385 %/K)
Auf einem Chip muß man zusätzlich noch Differenz der 
Ausdehnungskoeffizienten berücksichtigen (Dehnungsmeßstreifen-Prinzip).

Die Vishay-Widerstände sind nur deswegen so temperaturstabil weil das 
Aluminium-Substrat und die aufgebrachte Metallfolie sich gegenseitig 
über den Ausdehnungskoeffizienten kompensieren.

Gruß Anja

So wie es aussieht kommt es gar nicht so sehr auf den Absolutwert der 
Differenz an, sondern nur auf Unterschiede in der Änderung. Das könnte 
man ggf. mit einer AC Messbrücke realisieren.

Es sollten sich Transformatoren finden, die 2 genau gegenphasige 
Wechselspannungen (z.B. 70 Hz)  herstellen können. Damit und den 2 PT 
Widerständen kann man dann ein Brücke Aufbauen mit dem Trafo (Mitte) an 
Erde und den Punkt zwischen den Pt Widerständen als Ausgang. Die 
verstärkte Spannung und die Speisespannung für die Brücke kann man dann 
per AD Wandler relativ unproblematisch abtasten - so hoch muss die 
Auflösung nicht mehr sein (selbst 16 Bit sind nicht mal nötig) - weil 
man nur die Differenz misst und auch deutlich mehr als 1 Abtastwert für 
die Amplitude bekommt.

Wenn das kleine Widerstände auf einem Chip werden, wird 0,4 mA an Strom 
vermutlich viel zu viel sein. Ich würde lieber mit 1 µA an Strom oder 
einem niedrigeren Widerstand (eher 100 Ohm) rechnen. Die dünnen Filme 
für einen 10 K Widerstand altern schnell. Die Spannungen werden dann 
kleiner, aber AC massig sind auch 10 nV noch kein großes Problem. Für 1 
nV braucht man ggf. etwas Geduld.

Hallo,

zunächst eine Literaturempfehlung zu solchen Problemen: Das Keithley 
Handbuch für die Messung kleiner Größen
www.if.tugraz.at/bibliothek/handleitung/HANDBOOK-Low-Level.pdf

> Die Widerstände sollen in Form von dünnschichtigen Platinbahnen Teil
> eines Mikrosystems auf einem Chip werden. Es liegt
> körperlich noch nix vor, mir geht es erstmal darum abzuschätzen, was
> machbar ist. Gemessen werden soll eigentlich die Temperaturdifferenz
> zwischen zwei verschiedenen Substanzen auf dem Chip, die mit den
> Widerständen in Kontakt stehen. Die Substanzen werden kontrolliert
> erwärmt (Temperatur-Zeit-Programm). Die Temperaturdifferenz ergibt
> sich einfach gesagt daher, dass die Substanzen unterschiedlich auf die
> Erwärmung reagieren.
Ist die Dauer der Messung von Wichtigkeit? In welchem Bereich liegen 
denn die Zeitkonstanten bei der Erwärmung der Flüssigkeit? Die 
Temperaturmessung soll ja vermutlich deutlich schneller sein.

> Was meint ihr mit AC-Messbrücke (ich hab praktisch Gleichspannungen)?
Der Hinweis auf AC-Messbrücke bedeutet folgendes: Wenn Du eine 
DC-Messung durchführen willst, so hast Du verschiedene Messprobleme wie
- Drift und Offset (z. B. der Operationsverstärker)
- Thermospannungen (zwischen verschiedenen Metallen)

Solchen Problemen gehst Du recht elegant aus dem Weg, wenn Du die Brücke 
mit Wechselspannung betreibst und Dir anschließend nur die Ströme bei 
der eingespeisten Frequenz ansiehst.

Mein Vorschlag geht in eine ähnliche Richtung.

> Die Temperaturdifferenzen werden vermutlich im Bereich 500 mK bis
> mikroK liegen. Je feiner ich auflösen kann, um so besser natürlich.
> Wenn ich's mal kurz überschlage, führt das zu Widerstandsdifferenzen
> von 20 Ohm bis 0.001 Ohm etwa, bei 10KOhm Platin-Widerständen.
Die Wünsche sind immer recht groß. Die Realität relativiert das oft 
recht schnell.

> Ich geh davon aus, dass die Widerstände sehr präzise hergestellt
> werden können. Wie genau, weiss ich leider noch nicht.
Die systematischen Fehler mußt Du ohnehin rausrechnen.

> Das mit der Brückenschaltung war auch mein erster Gedanke
> -> Wheatstone-Brücke im Ausschlagverfahren. Allerdings hätte ich auch
> da Messspannungen bis runter in den uV-Bereich.
Wenn Du eine Brücke verwenden willst - was ich als in diesem Fall als 
recht vernünftig ansehe - würde ich an eine Vollbrücke denken. In einer 
Vollbrücke hast Du zwei Widerstände mit der hohen und zwei Widerstände 
mit der tieferen Temperatur.
(Ich kann mir kaum vorstellen, daß eine Viertelbrücke wie die 
Wheatstonebrücke sinnvoll ist. Ansonsten mußt Du ein gutes Konzept 
haben, um die übrigen Brückenwiderstände konstant zu halten.)

Die Diagonalspannung beträgt dann
Ud = Uv* Delta R/R

Bei einer Versorgungsspannung von 5V und 1mOhm/10kOhm sprechen wir von 
einer Spannung von 0,5µV. Das ist nicht besonders viel.

Ich würde eine Brückenschaltung wie in Abb. 15 von
http://www.ti.com/lit/gpn/ads1231
www.ti.com/lit/gpn/ads1231
vorschlagen.

Abweichend möchte ich jedoch vorschlagen, daß Du über eine getaktete 
Schaltung (ein µC muß ja eh zum Auslesen vorhanden sein) die 
Versorgungsspannung der Brücke regelmäßig umpolst.

Konkret: VDD und VREFP bleiben ständig verbunden, VREFN und GND auch. 
Allerdings schließt Du VDD und GND abwechselnd mal oben und mal unten 
bei der Brücke an. Dadurch wechselt das Vorzeichen der Diagonalspannung 
regelmäßig, so daß Du evtl. Driftspannungen wegrechnen kannst.

Zum Umschalten kannst Du m. E. relativ problemlos mit ein paar MOSFET 
realisieren.

Die Brückenspannung ist mit dem vorgeschlagenen Chip eine sog. 
ratiometrische Messung (d. h. die Brückenspannung wird durch die 
Speisespannung dividiert).

Gruß,
  Michael

10 Groessenordnungen schafft man auch mit Delta Signa Wandlern wie den 
LTC2440 und entsprechender Beschaltung.

Steiche 10 und ersetzte mit 6 Groesenordnungen...

Jungs, der TE will Widerstandsänderungen von 0,001R bei 10k messen. Das 
sind 0,1ppm! Er will nicht ein Gezuckel registrieren, sondern er will 
das MESSEN. Messen heißt, daß er eine Aparatur braucht, die noch eine 
Größenordnung genauer ist, also 0,01ppm. So, kein zusätzlicher Effekt, 
keine Drift, keine Bauteileroleranzen, nichts, garnichts, darf einen 
größeren Einfluß als 0,01ppm haben. Auf die Driften einer Platinschicht 
von +/-0,01% also +/-100ppm habe ich ja schon hingewiesen. Das ist schon 
10000 mal größer als erlaubt.

Selbst wenn er eine AC-Brücke verwendet, und ohne die geht es garnicht, 
dann man muß er die AC-Spannung genauer als 0,01ppm messen können. 
0,01ppm sind 27bit Genauigkeit. Zum Vergleich, ein 24bit AD-Wandler 
liefert 24bit Auflösung bei 18bit Genauigkeit...

Kannst du auch Wheatstonsche Messbrücke nehmen (falls hier noch nicht 
erwähnt) oder eventuell den unterschied im thermischen Rauschen 
diskriminieren.

guck mal hier:
http://de.wikipedia.org/wiki/Wheatstonesche_Messbr%C3%BCcke
da ist die Wheatstonesche Messbrücke erklärt, ist ganz leicht aufzubauen 
und auszuwerten!

>Die Temperaturdifferenz ergibt sich einfach gesagt daher, dass die
>Substanzen unterschiedlich auf die Erwärmung reagieren.

Du denkst bestimmt an Differenzialthermoanalyse. Das gab es schon vor 
über 15-20 Jahren.
Wenn ich mich richtig erinnere, dann wurden damals AD-wandler mit 24Bit 
Auflösung verwendet und eine Temperaturauflösung im mK-Bereich war 
ausreichend.
MfG

Vielleicht mit einem 6 Stelligen Multimeter z.B.

Hersteller Agilent
Herst. Teile-Nr. U3606A - EU
ca. 880 Euro bei RS-Elektronik

Denke mit einem eigenen Aufbau der Messung ist das HP Multimeter
nur schwer zu übertreffen. 6 Stellen

Möchte zumindest die Herausforderung mit einem Spitzenmessgerät von 
Agilent (HP) verdutlichen.

Agilent 34410A and 34411A
(Preiskalssa ca, 1500 Euro)

Datenblatt

Bei Messung mit RTD 600 Grad
Genauigkeit +- 0,003 Grad

Wer das um den Faktor 100 übertreffen kann, den empfehle ich nicht einen 
Versuch in einer Uni oder Industrie auszuwerten, sondern eine 
Messgerätefima zu gründen.

Das würde eine Genauigkeit von 3 mikro Grad bedeuten. Meines Erachtens 
ist das unmöglich.