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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Temperaturmeßbrücke mit Wechselstrom


Autor: Oktoberfestbesucher (Gast)
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Ich müsste da eine Temperatur wirklich sehr sehr sehr genau 
stabilisieren.
Da der erste Verstärker nach der Messbrücke einen temperaturabhängigen 
Drift hat, wäre meine Idee, die Messbrücke mit Wechselspannung zu 
betreiben.
Frequenz könnte z.B. 700 Hz sein.
Die Spannung in der Brückendiagonalen dann mit einem AC-Verstärker * 
10000 verstärken und dann mit einem Synchrongleichrichter 
gleichzurichten.

Hat vielleicht jemand mit so etwas speziellem Erfahrung?
Bin bei Google leider nicht wirklich fündig geworden.

Autor: Raimund Rabe (corvuscorax)
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Such einfach mal nach "CHOPPER STABILIZED AMPLIFIER" und Du solltest 
Deiner Lösung sehr sehr sehr nahe gekommen sein. ;-)

Autor: Raimund Rabe (corvuscorax)
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Nachtrag:
Den "Opa" dieser Verstärker, den ICL7650 von Intersil, gibt's sogar 
heute noch - z.B. bei Reichelt für 2,15 Euro.

Autor: Oktoberfestbesucher (Gast)
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Raimund Rabe schrieb:
> CHOPPER STABILIZED AMPLIFIER

ein CHOPPER STABILIZED AMPLIFIER ist leider nicht so toll, der
LTC1150 hat
Maximum Offset Voltage: 10μV
Maximum Offset Voltage Drift: 0.05μV/°C
der ICL7650 ist noch schlechter.

Ist nett gemeint von dir, aber nicht das was ich will.
Ich meine tatsächlich, die Messbrücke nicht mit Gleichstrom, sondern mit 
Wechselstrom zu betreiben.

Autor: ACDC (Gast)
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Oktoberfestbesucher schrieb:
> Ich meine tatsächlich, die Messbrücke nicht mit Gleichstrom, sondern mit
> Wechselstrom zu betreiben.

Was soll das bringen??

ACDC

Autor: Kai Klaas (Gast)
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>Die Spannung in der Brückendiagonalen dann mit einem AC-Verstärker *
>10000 verstärken und dann mit einem Synchrongleichrichter
>gleichzurichten.

Ja, aber die Drift hast du dann trotzdem, eventuell sogar noch eine 
größere, da du die AC-Verstärkung mit dem Faktor 10000 ja auch nicht 
driftfrei hinbekommen wirst.

Dieses Synchrongedöns macht man eigentlich nur, wenn man große Störungen 
oder Rauschen hat, indem das Nutzsignal regelrecht versinkt.

Kai Klaas

Autor: Reinhard Kern (Gast)
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Oktoberfestbesucher schrieb:
> Bin bei Google leider nicht wirklich fündig geworden.

Hallo,

das dürfte daran liegen, dass die Technik längst veraltet ist. So hat 
man das gemacht, als es noch keine Operationsverstärker gab, weil man 
mit Röhren und Transistoren stabilere Wechselspannungsverstärker bauen 
konnte. Das war aber eine andere Zeit, Präzision hatte eine ganz andere 
Grössenordnung, und Google gab's auch noch nicht.

Du könntest aber in alten Funkschauheften oder in den Büchern von 
Richter was finden.

Gruss Reinhard

Autor: Olaf (Gast)
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Def: "sehr sehr sehr genau" ?

Olaf

Autor: Michael O. (mischu)
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Oktoberfestbesucher schrieb:
> Ich müsste da eine Temperatur wirklich sehr sehr sehr genau
> stabilisieren.

Nur stationär oder auch dynamisch??

Autor: Kai Klaas (Gast)
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>das dürfte daran liegen, dass die Technik längst veraltet ist.

Das Lock-In-Verfahren ist veraltet??

Kai Klaas

Autor: Alexander Schmidt (esko) Benutzerseite
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Oktoberfestbesucher schrieb:
> Raimund Rabe schrieb:
>> CHOPPER STABILIZED AMPLIFIER
> ein CHOPPER STABILIZED AMPLIFIER ist leider nicht so toll, der
> LTC1150 hat
> Maximum Offset Voltage: 10μV

10µV sind schlecht? Ich konnte auf die schnelle keinen deutlich besseren 
finden.

Was für Anforderungen hast du denn, aber da drunter zu kommen dürfte 
schwierig sein.

Autor: Sven (Gast)
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Gibts mal paar Angaben, die sehr sehr sehr genau bißchen präzisieren?

Welcher Temp-Bereich, welcher Messfühler, welche Genaugigkeit und 
Auflösung?

Vielleicht hilft es, die Auswertung selbst nochmal temperaturstabil zu 
betreiben?

Autor: Ulrich (Gast)
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Eine Brücke mit Wechselspannung ist alles andere als veraltet. Für sehr 
hohe Genauigkeit macht man das immer noch, und wird es auch weiter so 
machen. An sich ist das nicht aufwendiger als ein Chopper OP, nur das 
man konsequent Gleichspannungen an allen kritischen Stellen vermeidet.

Gegen Thermospannungen im sub µV Bereich hilft einem kein Chopper OP, 
die entstehen schon an der Brücke selber, an Steckverbindern. 
Wechselspannungsmäßig sind 10 nV dagegen keine wirkliche Kunst bei 
geringer Bandbreite. Von Rauschen sind Chopper OPs immer noch gut 10 mal 
schlechter als normale OPs.

Mittlerweilen sind ja auch AD Wandler und µCs bzw. DSPs nicht mehr so 
teuer. Man kann die phasenrichtige Detektion damit auch gut in Software 
hinter den AD Wandler machen.

Es gibt auch fertige Geräte zur genauen Temperaturmessung per 
Wechselspannungsbrücke, z.B. von LakeShore.

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Fuer eine Temperaturmessung wahrscheinlich uebertrieben. Ein Millikelvin 
aufzuloesen ist nicht so das Problem, dass macht man mit einem NTC und 
16bit Wandler. Viel schwieriger ist es die Temperatur auch richtig zu 
messen. Und dann noch in einem Regelkreis... Im Millikelvin Masstab hat 
auch dickes Kupfer ploetzlich einen Gradienten.

Autor: Raimund Rabe (corvuscorax)
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Ulrich schrieb:
> ...
> Von Rauschen sind Chopper OPs immer noch gut 10 mal
> schlechter als normale OPs.

Wer hat Dir denn diese Binsenweisheit verkauft?
Solange Du aber nicht genau spezifizierst welchen Frequenzbereich Du 
dabei im Auge hast, wird es zugegebenermaßen auch etwas schwierig Deine 
Aussage qualitativ zu bewerten.
Eines kann ich Dir aber aus meiner Erfahrung bestätigen:
Chopper Stabilized Amplifier sind dazu da kleine DC-Spannungen (oder 
sagen wir mal Spannungen im untersten Infraschallbereich) zu verstärken. 
Dabei sind sie, was das Rauschen anbelangt, von 'normalen' OpAmps nicht 
zu schlagen - auch nicht von den von Haus aus als rauscharm 
bezeichneten!

Was grundätzlich richtig ist, und da scheinen wir uns wohl alle einig zu 
sein ist, daß man AC-Spannungen wesentlich besser verstärken kann als 
DC-Spannungen, sonst würde man nicht zu solchen 'Kniffen' wie den 
Chopper Stabilized Amplifiern greifen müssen.

Bezüglich der hohen (geforderten) Auflösung (wie genau auch immer die 
beim 'Oktoberfestbesucher' aussehen mag), kann ich mich noch gut daran 
erinnern was für Klimmzüge wir bei unserem Produkt machen mußten, um mit 
einem Pt100(/Pt1000) eine Auflösung von besser als 0,01K zu erreichen. 
;-)
Dabei war es nicht nur die Messtechnik allein, sondern auch noch die 
Linearisierung der Sensoren mittels Polynome höherer Ordnung.

Autor: Oktoberfestbesucher (Gast)
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Michael O. schrieb:
> Nur stationär oder auch dynamisch??

Nur stationär.

Meine Temperatur liegt zwischen 50°C und 100°C.
Wenn der richtige Wert erstmal gefunden ist, soll dieser auf  ca. 1µk 
festgehalten werden und über Monate stabil sein.

Autor: Oktoberfestbesucher (Gast)
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Raimund Rabe schrieb:
> Bezüglich der hohen (geforderten) Auflösung (wie genau auch immer die
> beim 'Oktoberfestbesucher' aussehen mag), kann ich mich noch gut daran
> erinnern was für Klimmzüge wir bei unserem Produkt machen mußten, um mit
> einem Pt100(/Pt1000) eine Auflösung von besser als 0,01K zu erreichen.

In Wikipedia steht:

Der Warmwiderstand R eines Platin-Temperatursensors mit dem 
Nennwiderstand R0 lässt sich bei gegebener Temperatur T  nach den 
folgenden Gleichungen berechnen. Im Temperaturbereich zwischen 0 und 100 
°C gilt näherungsweise die lineare Funktion (Polynom 1. Grades) der 
Temperatur T (in °C):

    R = R0 · (1 + a · T)
    a = 3,85 · 10-3 / K

Nur um mal eine Abschätzung zu bekommen:
Bei einem PT1000:
Um die Eigenerwärmung gering zu halten möge in der Brückenschaltung 
ein Strom von 1mA durch den PT1000 fließen,
die Verlustleistung des PT1000 ist dann 1mW.
Bei 0°C ist der Spannungsabfall am PT1000 dann 1V.
Die Spannungsänderung ist dann abgeleitet:

I0  R0  a
= 1mA  1000 Ohm  3,85 · 10-3 / K

= 3,85mV/°K
= 3,85µV/°mK
= 3,85nV/°µK

Ist zwar faktor 77 mal besser als ein Thermoelement mit 50µV/°K
aber 3,85nV/°µK ist echt voll wenig.
Besser auf einen NTC als Sensor ausweichen?!

Was ist mit dem Rauschen der Verstärker?
Mein Gedanke bei dieser Wechselstrommessbrücke war, wenn ich die bei 
700Hz anstelle bei DC = 0Hz betreibe, vom bösen 1/f Rauschen 
wegzukommen.

Autor: Sven (Gast)
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So'n Quatsch, für die Destille brauchst Du doch nicht 1µK...

Autor: Kai Klaas (Gast)
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>Wenn der richtige Wert erstmal gefunden ist, soll dieser auf  ca. 1µk
>festgehalten werden und über Monate stabil sein.

Ach komm schon, tut dir das nicht selbst weh, 1µK?

Kai Klaas

Autor: Dieter Werner (dds5)
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>Wenn der richtige Wert erstmal gefunden ist, soll dieser auf  ca. 1µk
>festgehalten werden und über Monate stabil sein.

Haha, schau dir mal auf den Seiten der PTB an, was die für einen Aufwand 
treiben um auch nur in die Nähe dieser Anforderung zu kommen.

Da ist ja schon die Alterung des Sensors ein Vielfaches davon.

Autor: Ulrich (Gast)
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Bei einer Wechselspannungbrücke wählt man die Frequenz in der 
Größenordnung 1 kHz.  Rauscharme OPs sind da im Bereich von etwa 1-5 nV/ 
sqrt(Hz), bei 1 kHz oder höher. Rauscharme Chopper OPs liegen kaum unter 
50 nV/sqrt(Hz) für Frequenzen unter 1 kHz. Dazu kommen dann noch 
thermoelektrische Störungen bei der DC Messung. Ganz so schlimm ist das 
mit dem Rauschen nicht, wenn man etwas hochohmigere Sensoren hat. Ein 10 
K Ohm Sensor hat schließlich auch von sich aus schon rund 10 nV 
rauschen. Wenn man Stabilitätsgründen einen PT100 hat, ist das Rauschen 
aber schon wichtig.

Durch das geringere Rauschen kann man dann mit weniger Leistung in der 
Brücke arbeiten und hat weniger Selbsterwärmung. 1 mA such einen PT1000 
oder ähnlichen Widerstand sind schon relativ viel, weniger 
Selbsterwärmung wäre schon wünschenswert.

Bei Dehnungsmesstreifen sind Wechselstrombrücken auch das üblicher 
Verfahren. Da kommt man noch allerdings auch leichter in die 
Verlegenheit das man die volle Auflösung.

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Das Rauschen ist voellig egal, denn bei einer hinreichend langsamen 
Regelung fliegt das Messrauschen eh raus. Ja. fuer 3nV / uK wuerd ich 
auch mit Wechselstrom arbeiten. Schau dir mal den AD630 an, der macht 
Synchrongleichrichtung. Ich hab den auch mal verwendet nach einer AC 
Versterkung mit faktor 10000 auf den AD630, und dann auf einen 
Integrator. Dann kamen langsam mV raus. Wichtig ist einfach den AC 
Verstaerker bereits mit Bandfilter auszustatten. zB die Kette auf 5kHz 
laufen lassen und die Verstaerker als 5kHz Bandpaesse laufen zu lassen. 
zB 50Hz breit.
Aus Gruenden der eigenerwaermung waere ein PT1000 einem PT100 
vorzuziehen.

Autor: Winfried J. (Firma: Nisch-Aufzüge) (winne)
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Was wird das ein Kalorimeter für ein Frequenznormal?


die ist schon klar das auch ein PT 100 bei der Auflösung 1µK
und einem Temperaturfenster von 50K nicht mehr Linear arbeitet

das mach einen Wertebereich von 50 000 000
Das macht Analog kein Regler und digital kannst du den Faktor 10-100 
drauflegen um halbwegs regeln zu können.

da würde ich stufenweise Vorgehen grob und feinreglung. dann bekommst du 
auch die verstärkung und die temperaturdrift in den Griff

außerdem Brauchs du nen Kalorimeter ums Kalorimeter sonst bringt dir 
jedr Hach die Kiste schneller aus dem Gleichgewicht als der Regler 
nachkommt. und am besten den Regle mit in das äußere Kalorimeter. das 
reduzirt schon mal die Drift.

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Ja. Sicher muss man bei einem Mikrokelvin mehrstufig vorgehen. Ein 
millikelvin gegen ein mittel isoliertes Ambient ist auch schon 
sportlich.

Zwei Dewars ineinander. So'n Setup laeuft als Doktorarbeit, nehm ich an.

Autor: Ralph Berres (rberres)
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Oktoberfestbesucher schrieb:
> Meine Temperatur liegt zwischen 50°C und 100°C.
>
> Wenn der richtige Wert erstmal gefunden ist, soll dieser auf  ca. 1µk
>
> festgehalten werden und über Monate stabil sein.



Wovon träumst du nachts?

Ralph Berres

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Eine berechtigte Frage. Der Temperaturgradient ueber die Messanordnung 
sollte ja auch in den Mikrokelvin liegen ...  wie macht man das ? In 
Fluessigkeit ?

Autor: Alexander Schmidt (esko) Benutzerseite
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Dont feed the trolls.

Autor: Arc Net (arc)
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Hey noch Was schrieb:
> Eine berechtigte Frage. Der Temperaturgradient ueber die Messanordnung
> sollte ja auch in den Mikrokelvin liegen ...  wie macht man das ? In
> Fluessigkeit ?

Zwei Denkanstöße...
http://lisa.stanford.edu/lisawiki/StanfordPublicat...

Sei Higuchi, MICROKELVIN THERMAL CONTROL SYSTEM FOR THE
LASER INTERFEROMETER SPACE ANTENNA MISSION AND
BEYOND (PhD Thesis), 2009

http://ts.nist.gov/MeasurementServices/Calibration...
G. F. Strouse, Standard Platinum Resistance Thermometer Calibrations 
from the
Ar TP to the Ag FP, 2008

Autor: Oktoberfestbesucher (Gast)
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Arc Net schrieb:
> Zwei Denkanstöße...

Besten Dank.

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