Hallo,
kurz zu mir: Ich bin Student und meine Aufgabe ist es eine
Differenztemperatur genau zu messen:
Ziel ist eine Genauigkeit von 0,05°C und eine Auflösung von ca, 0,01°C.
Gemessen wird im Bereich von ca. 20 - 25°C, die Temperaturdifferenz
liegt zwischen +0 bis ca. +5°C.
Meine erste Idee war es eine Wheatstone-Brücke aufzubauen mit zwei
PT1000 Sensoren in einem Zweig und zwei Präzisionswiderständen und ein
10 Ohm Poti zum Nullpunktabgleich im anderen Zweig.
Die Differenzspannung dann zu einem Verstärker und dann zu einem ADC
bzw. evtl. direkt auf einen uC.
Wenn ich das grob überschlage sind das dann etwa 0,2 mV Messgenauigkeit
die ich brauche.
Ist diese Idee zur Realisierung eine technisch lösbare?
Gibt es andere Alternativen die ich noch überdenken sollte?
Martin schrieb:> Ist diese Idee zur Realisierung eine technisch lösbare?
Meiner Meinung nach glatt nein: bei der Verwendung von 2 Fühlern
müsstest di diese ja auf die gewünschte Genauigkeit kalibrieren, das
dürfte ausserhalb deiner Möglichkeiten liegen (wo willst du so ein
Temperaturnormal hernehmen, z.B. ein Tauchbad das auf garantiert 0.01
Grad geregelt ist? PTB?). Erreichbar mit vertretbarem Aufwand ist etwa
0,1 Grad.
Möglicherweise kommst du der Sache näher, wenn du nur einen Fühler
verwendest. Dann liegt deine Messung vielleicht 0,2 Grad neben der
tatsächlichen Temperatur, aber die Differenz könnte wesentlich genauer
sein.
Und lass dir nicht wie hier schon oft geschehen einreden,
Temperaturmessung mit beliebiger Genauigkeit wäre überhaupt kein
Problem, wenn man nur einen 24bit-ADC einsetzt - der ADC, egal wie gut
er ist, löst das Problem der Kalibrierung nicht. Wurde hier schon
tausendmal diskutiert, i.A. erfolglos.
Gruss Reinhard
Bei welchem Strom wird denn dein Pt1000 um mehr als 0.05K erwärmt ?
Nehmen wir 100uA an, dann enstehen 0.1V und 0.01mW,
bei 1mA wären es 1V und 1mW.
Ich nehme an, 100uA sind der maximale Messstrom.
Die 0.2V bedeuten 0.39mV/K oder 0.02mV / 0.05K, das sind 20uV
und nicht 200uV.
20uV ist von modernen OpAmps erkennbar,
AD8551 (1uV) LTC1250 (5uV) AD8622 (10uV) AD8671 (20uV)
aber die Thermospannung zwischen 2 Metallen, beispielsweise
Kupfer und Lötzinn, liegt auch so in dem Bereich.
Man braucht also einen Aufbau, bei dem sich diese Thermospannungen
gegenseitig aufheben, das ist bei einer Brücke durchaus der Fall.
Die alternative Messmethode wäre der Vergleich des mit einem ADC
gemessenen Spannungsabfall an einem Pt1000, am anderen Pt1000 zu
einem bekannten Festwiderstand, die Chips wie AD7762 erlauben das
Wegrechnen der Thermospannungen.
Das (Trimm-)Poti würde ich weglassen, der uC kann Differenzen
wegrechnen. Aber welche Widerstände willst du verwenden, die
weniger als 0.01% = 100ppm, also 20ppm/K schwanken (nicht
absolut genau, aber stabil) sind ? RC55Y erreicht 15ppm/K.
Bleibt noch die Temperaturabhängigkeit der Kupferleiterbahnen,
denen man durch symmetrischen Aufbau gleich temperiert
begegnen kann, und mechanischer Stress dem man durch bedrahtete
Bauteile begegnen kann mit längeren Anschlussdrähten.
Aber alles in allem ist eine Relativmessung mit 1/100 oder 1/500
nicht besonders herausfordernd.
Ich glaube ich habe die Problematik nicht ganz exakt beschrieben / wurde
falsch verstanden:
Ich habe zwei Körper mit verschiedenen Temperaturen. Ein Körper ist
immer kälter und hat Labortemperatur (ca 20 - 23 °C). Der andere ist
geringfügig wärmer (zwischen 0 und 5° C mehr). Meine Aufgabe ist es die
Differenztemperatur zu bestimmen.
Zum Thema kalibrieren:
Ich dachte einfach daran, beide Sensoren in einem Ölbad / an Luft liegen
zu lassen. Dann sollten diese ja exakt die selbe Temperatur haben - an
der Messbrücke sollte also keine Spannung mehr anliegen.
Und ja - da gebe ich euch Recht: Ein Poti würde wahrscheinlich nur
Ungenauigkeiten erzeugen - und eine softwareseitige Kalibrierung ist
sicherlich sinnvoller.
Ich möchte mir zur Zeit noch keine Gedanken machen über die exakten
Bauteile die verwendet werden sollten, sondern eher ob es realisierbar
ist, wo Probleme auftauchen und ob es das richtige Prinzip ist.
Gibt es Probleme mit Thermospannungen (siehe Skizze) ?
Ist als Gegenmaßnahme z.B. die Verwendung von zwei Wechselrelais
sinnvoll?
Ist es eine alternative einen Ansatz mit Thermoelementen zu wählen, da
diese ja Differenztemperaturen direkt messen?
Deine Schaltung ist aus Thermospannungseffekten her ungeschickt, besser
beide Pt1000 nach Masse.
Therolemente mit 0.05K erfassen zu wollen ist definitiv nicht so einfach
wie die Differenzspannung von Pt1000.
Du solltest halt nur mal nachrechnen, ob Pt100 durch den sich geringer
auswirkenedn Eingangsfelerstrom (input bias current) deiner
OpAmps/Instrumentenverstärker nicht besser wären als Pt1000. Auf Grund
der niedrigen Temperatur sollten aber CMOS-OpAmps ganz gut gehen.
MaWin schrieb:> Die 0.2V bedeuten 0.39mV/K oder 0.02mV / 0.05K, das sind 20uV> und nicht 200uV.
Ja - stimmt. Da habe ich einen Fehler gemacht. Ich muss die Spannung
also auf 0,02 mV Auflösen (2V Betriebsspannung, 0,1°C
Differenztemperatur).
Da bekomme ich tatsächlich nochmal mehr Respekt vor der Aufgabe...
MaWin schrieb:> Du solltest halt nur mal nachrechnen, ob Pt100 durch den sich geringer> auswirkenedn Eingangsfelerstrom (input bias current) deiner> OpAmps/Instrumentenverstärker nicht besser wären als Pt1000. Auf Grund> der niedrigen Temperatur sollten aber CMOS-OpAmps ganz gut gehen.
Ja, das habe ich noch garnicht bedacht.
Ich habe vermutet, dass PT1000 bezüglich Eigenerwärmung und Fehlern
aufgrund von Kontakt / Leitungswiderständen insgesamt deutlich geringer
sind und dies entscheidender ist.
Wenn es mehr um die Differenz als um die absoluten Temperaturen geht,
kannst Du viele Probleme durch einen möglichst symmetrischen Aufbau
erschlagen. Einschließlich des Abgleichs.
Hochwertige Widerstände in einer Brücke ein möglichst kleiner oder gar
kein Trimmwiderstand, thermisch sehr gute Verstärker und ein etwas
besserer A/D-Wandler und Du kannst messen.
Gegen die möglichen Probleme mit Thermospannungen wäre ein Umpolen der
Brücke oder ein Betrieb mit Wechselspannung eine mögliche Lösung. Das
würde auch den Einfluss von Bias-Strömen deutlich reduzieren. Absolut
nötig ist das aber bei der gewünschten Genauigkeit noch nicht, aber ggf.
einfacher als eine aufwendige quasi DC Messung.
Ob man jetzt PT100 oder PT1000 nimmt macht hier keinen so großen
Unterschied. Die Leistung am Sensor wird i.A. ähnlich gewählt, also etwa
den 3 fachen Strom beim PT100. Beim PT100 sind die Spannungen um etwa
den Faktor Wurzel 3 kleiner und entsprechend Thermospannungen wichtiger
- PT100 sind dafür von der Tendenz her besser bei der
Langzeitstabilität, was aber bei den sehr moderaten Temperaturen hier
auch nicht so das große Problem ist. Wegen der Eigenerwärmung muss aber
ggf. ein recht kleiner Strom gewählt werden: 200 mV am PT1000 ist da
schon eher zu viel.
Wegen der Kabelwiderstände wäre es hilfreich in 4 Leiter Technik zu
messen, vor allem mit dem PT100. Damit sind dann die Kabel auch
weitgehend als Fehlerquelle eliminiert, aber die Schaltung als Brücke
wird komplizierter. Statt der klassischen Brücke wäre auch eine
Schaltung mit Umschalten des Sensors überlegenswert: Die 2 Sensoren
werden abwechseln an die selbe Position in der Messschaltung geschaltet.
Das benötigt ggf. mehr Auflösung bei AD Wandler, spart aber bei der
Verstärkung und den Vergleichswiderständen. Ob das gut geht hängt auch
von der Dynamik ab, die man benötigt.
Eine billige Möglichkeit:
Du nutzt nur einen Sensor, parallel dazu am OpAmp (zum vergleichen der
Spannung) ist ein Spannungsteiler (Widerstände und ein Poti), du gibst
das Gerät in ein Gefäß mit 20°C Innentemperatur, lässt es dort eine
weile drin und gleichst dann mit dem Poti auf eine Differenz von 0°C ab.
Der OpAmp verstärkt die Differenz zwischen dem fest eingestellten
Poti-Wert und dem Sensor, z.B. 100 Fach.
Jetzt musst du nur noch den möglicherweise vorhandenen Offset bei 20°C
und den Wert bei 25°C mit einem ADC einlesen, der Rest sollte sich im
AVR oder PIC einfach berechnen lassen.
Reinhard Kern schrieb:> Martin schrieb:>> Ist diese Idee zur Realisierung eine technisch lösbare?>> Meiner Meinung nach glatt nein: bei der Verwendung von 2 Fühlern> müsstest di diese ja auf die gewünschte Genauigkeit kalibrieren, das> dürfte ausserhalb deiner Möglichkeiten liegen (wo willst du so ein> Temperaturnormal hernehmen, z.B. ein Tauchbad das auf garantiert 0.01> Grad geregelt ist? PTB?). Erreichbar mit vertretbarem Aufwand ist etwa> 0,1 Grad.
Da das vorhandene Budget nicht erwähnt wurde...
Machbar ist da deutlich mehr...
Messunsicherheit bis runter auf +-0.5 mK (kein Tippfehler)
http://www.isotech.co.uk/products/secondary-laboratory/liquid-comparison-baths/parallel-tube-liquid-bath-model-915.phphttp://us.flukecal.com/products/temperature-calibration/calibration-baths/compact-calibration-baths/6331732173417381-deep-w?quicktabs_product_details=2
(Größenordnung für das 7341 ~ 10 kUSD)
> Und lass dir nicht wie hier schon oft geschehen einreden,> Temperaturmessung mit beliebiger Genauigkeit wäre überhaupt kein> Problem, wenn man nur einen 24bit-ADC einsetzt - der ADC, egal wie gut> er ist, löst das Problem der Kalibrierung nicht. Wurde hier schon> tausendmal diskutiert, i.A. erfolglos.
Der passende AD-Wandler mit der passenden Schaltung löst aber schonmal
etliche Probleme, die man sich mit anderen "Lösungen" einfängt...
Linear kam irgendwann auch auf die Idee mit der Brückenschaltung zur
Differenztemperaturmessung
http://cds.linear.com/docs/en/design-note/dn257.pdf
Interessant wäre hier auch die Möglichkeit der Differenzmessung mit zwei
antiseriell geschalteten Thermoelementen. Die gemessene Thermospannung
entpricht genau der Temperaturfifferenz. Auf eine Kompensation der
Vergleichsstellentemperatur kann hier verzichtet werden, die beiden
Klemmstellen müssen allerdings die gleiche Temperatur haben.
Quecksilber schrieb:> Interessant wäre hier auch die Möglichkeit der Differenzmessung mit zwei> antiseriell geschalteten Thermoelementen. Die gemessene Thermospannung> entpricht genau der Temperaturfifferenz. Auf eine Kompensation der> Vergleichsstellentemperatur kann hier verzichtet werden, die beiden> Klemmstellen müssen allerdings die gleiche Temperatur haben.
Wäre eine Möglichkeit. Fragt sich nur, ob nur die Differenz genau
gemessen werden soll oder auch eine der Einzeltemperaturen...
10 mK entspricht bei Typ K oder Typ-T-Elementen in dem Temperaturbereich
etwa 400 nV, 50 mK etwa 2 uV, sportlich aber machbar (Thermosäule ginge
auch, um die Ausgangsspannung zu erhöhen).
Ändert aber auch nichts daran, dass das ganze kalibriert werden muss.
Hallo Martin!
Vor einiger Zeit war in der Zeitschrift rfe(radio fernsehen
elektronik)ein Artikel "Empfindliches Differenzthermometer" mit 32 µK
Auflösung zu finden, den ich als PDF-Datei vorliegen habe. Ich denke das
ist, was du brauchst. Schicke mir eine PN falls du Interesse hast.
Gruß
e-fuzzi
Hey e-fuzzi,
sicherlich würde ich mich über den Artikel freuen, wenn es genau um die
Thematik geht. PN geht nur leider nicht ;-)
Vielleicht schickst du es mir per mail?
nfyi@web.de
Vielen Dank schonmal!
Die Elektronik ist eher der kleinere Teil des Problems, da sind hier
schon mehrere brauchbare Vorschläge gemacht worden. Schwieriger ist die
Wahl des richtigen Sensors, und die Befestigung, damit auch die
Temperatur an der richtigen Stelle gemessen wird.
Martin schrieb:> Ich dachte einfach daran, beide Sensoren in einem Ölbad / an Luft liegen> zu lassen. Dann sollten diese ja exakt die selbe Temperatur haben - an> der Messbrücke sollte also keine Spannung mehr anliegen.
Was daran nicht stimmt, ist zumindest das Wort "einfach". Zum einen ist
es keineswegs selbstverständlich, dass ein Bad, welcher Art auch immer,
an allen Stellen und über die Zeit eine auf 0.01 Grad konstante
Temperatur hat. Das würde völlige Strömungsfreiheit bedeuten, denn
Strömungen werden von Temperaturunterschieden angetrieben - ohne
Strömung aber kein Temperaturausgleich. Dem Bad müsste von allen Seiten
Energie zugeführt werden, und zwar exakt so viel wie durch Wäremleitung
verlorengehen würde. Eine gute Durchmischung ohne Energie zuzuführen
wäre auch schon eine anspruchsvolle Aufgabe.
Dass keine Spannung anliegt stimmt definitiv nicht. Alle Bauteile haben
Toleranzen, insbesondere haben gute Pt-Widerstände einen
Temperaturfehler von ca. 0,1 Grad. Selbst in einem nicht existierenden
idealen Bad könnte deine Brücke also 0,2 Grad anzeigen, 200mal mehr als
die gewünschte Auflösung. Das heisst auch, wie gut dein Bad tatsächlich
durchmischt ist, kannst du garnicht messen, das bleibt für dich
unbekannt.
Ich weiss, dass ich bei Präzisionsmessungen ein Spassverderber bin, aber
du musst das ja auch alles nicht unbedingt glauben. Ausserdem kann ja
auch niemand deine Messwerte widerlegen, und wenns fürs Studium ist
kommt es auf die realen Werte auch nicht an.
Gruss Reinhard
>Der andere ist geringfügig wärmer (zwischen 0 und 5° C mehr). Meine Aufgabe>ist es die Differenztemperatur zu bestimmen.
Vielleicht könnte die Ausgabenstellung noch präzisiert werden.
5°C sind m. E. nicht geringfügig. Also, was soll es genau werden?
In der Tat. als Sensor wuerde ich ein Doppel Thermoelement nehmen.
Chromel-Alumel-Alumel-Chromel. Dann messe ich nur die Differenz
Temperatur. Wo? An den Spitzen der beiden Thermoelemnte. Welche
Temperatur? Hmm. Ja. Eine Fluessigkeit muss natuerlich mit einer rechten
Stroemung zwangsdurchmischt werden, sonst ist nichts. Die Viskositaet
muss dabei hinreichend klein sein, sodass die Mischung minimal wenig
Waerme deponiert. Die Temperatur von Metallkloetzen.. ja. Tas
Thermoelmenet sollte natuerlich keinen leidenden Kontakt machen. Wie
schon erwaehnt. Messungen, die kleiner als 0.1 Grad sind werden mit der
Genauigkeit zunehmend aufwendiger.
Viktor N. schrieb:> In der Tat. als Sensor wuerde ich ein Doppel Thermoelement nehmen.
Doppel-Thermoelement bezeichnen meistens eine Konstruktion mit zwei
Thermoelementen in einem Schutzmantel... hier soll an zwei Stellen
gemessen werden
> Chromel-Alumel-Alumel-Chromel. Dann messe ich nur die Differenz> Temperatur. Wo? An den Spitzen der beiden Thermoelemnte.
Nö. Die Thermospannung ist das Linienintegral entlang des Pfads und
hängt von der Lage und Form des Temperaturgradienten ab...
Es macht ja wohl keinen Sinn zwei Thermoelemente gegeneinander
zuschalten und im selben Gehaeuse zu betreiben ... gemeint sind
natuerlich zwei einzelne Thermoelemente.
Reinhard Kern schrieb:> insbesondere haben gute Pt-Widerstände einen> Temperaturfehler von ca. 0,1 Grad.
Ergänzung: Thermoelemente haben eine Grenzabweichung (Klasse 1) von
+-0,5 bis +-1,5 Grad. Ich sehe nicht wieso die zur Messung auf 0,01 Grad
besser geeignet sein sollten. Im Lieferzustand könnten 2 Thermoelemente
eine Differenz von 1 Grad und mehr anzeigen, die garnicht besteht, also
kommt alles wieder drauf an sie so genau wie gewünscht zu kalibrieren.
Gruss Reinhard
Die angegebenen Fehler für die Thermoelemente gelten für den den Ganzen
Messebereich. Wenn es um die Messung einer Temperaturdifferenz geht,
bekommt man bei gleicher Temperatur beider Messstellen exakt 0 V raus,
sofern die Drähte homogen sind oder keine weiteren Temperaturdifferenzen
auftreten. Der Abgleich bei Differenz 0 kann also entfallen - lediglich
einen Offset des Verstärkers müsste man abgleichen, das geht aber auch
ohne Thermoelemente. Es gehört da schon einiges an Störungen im Draht
dazu, um größere Fehler zu verursachen, solange da keine größeren
Temperaturdifferenzen auftreten. Inhomogentitäten in der Leitung kann
man ggf. separat mit einem größeren lokalen Temperaturgradienten testen
und weitgehend ausschließen.
Die verbleibenden Fehler beim Thermoelement sind Abweichungen beim
Skalierungsfaktor - da sind die Anforderungen "nur" eine Ungenauigkeit
von unter 1%; der Fehler des Verstärkers - da entsprechen 0,05 K etwa 2
µV.
Zusätzliche braucht man noch einen weniger kritischen Sensor für den
Absolutwert der Temperatur, denn die Thermokraft hängt etwas von der
Temperatur ab (bei Typ K Thermoelementen sehr wenig).
Die Spezifikation der Thermoelement-Drähte passt nicht zu den
Anforderungen, was aber nicht heißt, dass es nicht geht. Nach den
üblichen Klassen hat man ein Limit für die Abweichungen über einen
größeren Bereich, also z.B. < 2 K für 0-500 C. d.h. im Mittel über den
großen Bereich darf der Fehler bei der Thermokraft nicht mehr als etwa
0,4 % abweichen. Das macht es sehr Wahrscheinlich, das die Thermokraft
auch für den kleinen Bereich um Raumtemperatur nicht um mehr als 1%
Abweicht - ganz sicher ist das aber nicht.
