Temperaturmessung mit PT100

Ich hab nun doch eine Gesamtspannung von 3,3V am Spannungsteiler... Wenn 
ich nun einen 100Ohm vorwiderstand benutze, dann fließen durch den PT100 
3,3V/200Ohm, das sind ca 16mA... das ergibt eine komplett falschew 
messung durch die Eigenerwärmung, sehe ich das richtig?

Hmmm... Eine Temperaturmessung mit Spannungsteiler ist wohl nur mit 
einem NTC mit höherem Widerstand möglich, oder?

Gert schrieb:

> ich will eine Temperaturmessung mit einem PT100 machen:
> [...]
> Es ist ein einfacher Spannungteiler mit einem Vorwiderstand
> vorgesehen (Gesamtspannung 2,5V), die SPannung am PT100 wird
> direkt zu einem ADC EIngang geführt (Referenzspannung 2,1V).
> Ich will eine Temperatur zwischen 0°C und 40°C mit einer
> Auflösung von 0,1°C messen.
>
> Ist das prinzipiell möglich?

Ja - aber nicht mit einem einfachen Spannungsteiler.
Vollbrücke verwenden; Verstärker vorsehen (z.B. OP07).

> Im Datenblatt ist ein !fundamental interval" angegeben:
> 38,5 Ohm. Ist das der Widerstandswert, um den der
> Widerstand mit jedem °C steigt?

Nein. Der TK ist ungefähr 0.385%/K, das sind also knapp
0.4 Ohm/K.

Alles klar, das wird dann wohl nichts mit dem Spannungsteiler. Wenn ich 
beim Spannungsteiler bleiben will, muss ich wohl auf einen höherohmigen 
NTC wechseln...

Gert schrieb:
> Es ist ein einfacher Spannungteiler mit einem Vorwiderstand vorgesehen
> (Gesamtspannung 2,5V), die SPannung am PT100 wird direkt zu einem ADC
> EIngang geführt (Referenzspannung 2,1V). Ich will eine Temperatur
> zwischen 0°C und 40°C mit einer Auflösung von 0,1°C messen.
>
> Ist das prinzipiell möglich?

Kannst du vergessen.

Die Widerstandsänderung des Pt100 und damit die Spannungsänderung ist 
nicht gross genug, die Auflösung des A/D zu klein.

Gert schrieb:
> Wenn ich beim Spannungsteiler bleiben will, muss ich wohl auf einen
> höherohmigen NTC wechseln...

Auch mit dem wird es schwierig.

http://www.dse-faq.elektronik-kompendium.de/dse-faq.htm#F.7.8

Warum haben Leute nur so extreme Abneigung gegen Operationsverstärker ?

Natuerlich geht ein Spannungsteiler mit einem Platinwiderstand. Eine 
Frage der dimensionierung. Ueber einem PT100 darf man max 30mV haben, 
ueber einem PT1k 300mV. Ich wuerd weniger nehmen.

zB ein PT1k zusammen mit einem 10k in Serie an einer 2.5V Referenz. Oder 
so. Der 10k muss natuerlich ein Praezisionswiderstand sein sein, kein 
1%-er.
Und genuegend Bit sollte man auch haben. Auch bei einem Verstaerker 
mal-10.

Die gezeigten Berechnungen sind richtig, ich verwend 24Bit ADC's weil 
die an Lager sind. Ich kann dann auch NTCs oder Thermoelemente wahlweise 
anhangen. Die Vielfalt erlaubt den Mehrpreis.

Wie gesagt, ich habe eine Spannungsteiler hardwaremäßig vorgegeben...

@San: Danke für den Tipp... Ich mach das über die Formel mit dem 
Logarithmus! Ich denke, bei einem 64MHz µC ist das kein Problem, vor 
allem, wenn ich nur alle Sekunden einen Wert berechne!

Christian B. schrieb:
> Diese Schaltung kann ich empfehlen:

Ich nicht.

5mA sind zu viel für normale Pt100 (Eigenrerwärmug)
und die Ausgangsspannung hängt mehr von den Schwankungen der 5V ab,
als von der Temperatur.

MaWin schrieb:
> Ich nicht.

Ich auch nicht. Eine ernstzunehmende Pt100-Auswertung erfordert einen 
Vierleiter-Anschluss.

Georg

16 mA oder 5 mA sind zu viel für einen PT100. So etwa 1 mA oder etwas 
weniger sind üblich. Das mit den 30 mV kommt so etwa hin - etwas mehr 
(so bis 100 mV dürften es aber schon sein, wenn es keine besonders 
kleine Bauform ist. Das ist halt eine Abwägung zwischen dem Fehler durch 
die Eigenerwärmung und dem Fehler bei der Messung eine recht kleinen 
Spannung.

Es geht mit einem passende dimensionierten Spannungsteiler. Wegen der 
recht kleinen Spannung wird man ggf. eine Verstärkung brauchen. Wenn man 
direkt die Spannung misst, braucht man auch eine relativ hohe Auflösung 
beim AD Wandler, weil die relative Änderung nur etwa 0,38% je Grad ist. 
Mit einem 8 Bit Wandler kann man so also nicht einmal 1 Grad auflösen - 
mit einem 10 Bit Wandler kaum besser als 1/3 Grad - wenn der Bereich 
größer wird auch weniger.

Ein passende, einfache Lösung wäre ein Spannungsteiler und dann ein 
relativ hochauflösender Sigma Delta A/D, wie etwa ein MCP355 oder 
AD7792.  Mit einem AD Wandler mit Differenzeingang kann man den PT100 
auch gleich als 4-leiter anschließen.

Will man einen AD mit geringer Auflösung nutzen, wäre eine Verstärkung 
als Brückenschaltung angebracht, also mit Vergleichszweig.

Harald Wilhelms schrieb:
> Der ergibt aber, je nach Temperaturbereich und erwünschter Genauigkeit
> zusätzlichen Fehler,

Nein.

Dadurch, daß im Spannungsteiler der Strom nicht konstant ist, ergibt 
sich kein Fehler.
Im Gegenteil, da keine Stromquelle identisch in Toleranz und 
TempAbweichung zur Spannungsreferenz des A/D-Wandlers gefunden werden 
muss, ist die ratiometrische Spannungsteilermethode sogar genauer, man 
kann auch sehr exakt den Widerstand berechnen.
Bloss reicht halt die Auflösung der eingebauten A/D-Wandler nicht aus. 
Ein externen 24 bit Wandler hingegen ist mehr als genau genug, so daß 
man 3/4 des Messbereichs verschenken kann.

Georg schrieb:
> Ich auch nicht. Eine ernstzunehmende Pt100-Auswertung erfordert einen
> Vierleiter-Anschluss.

Nur wenn der Pt100 weiter weg montiert ist.
Ansonsten ist der Spannungsabfall in der Verbindung vernachlässigbar.

Harald Wilhelms schrieb:
>> Es geht mit einem passende dimensionierten Spannungsteiler.
>
> Der ergibt aber, je nach Temperaturbereich und erwünschter Genauigkeit
> zusätzlichen Fehler,..

Nein Harald. Das ergibt keinerlei zusätzliche Fehler, sondern 
letztendlich eine bessere Genauigkeit als alle tollen OpV-Schaltungen.

Prinzip:
PT100 und ein Vorwiderstand liegen zwischen Masse und Referenzeingang 
des ADC. Damit ist die Äquivalenz hergestellt: die Spannung über den 
PT100 plus die Spannung über dem Vorwiderstand ergeben zusammen die 
Referenzspannung - und auf der digitalen Seite ergibt der Meßwert 
(Spannung über dem PT100) plus der nicht gemessene Wert über dem 
Vorwiderstand den Gesamtbeeich des ADC's (also dessen "Skalenendwert").

Hat man den Meßwert des ADC und kennt dessen Maximalwert, dann kann man 
sich den Wert über den Vorwiderstand per Subtraktion errechnen. Damit 
hat man beide Werte, die zum exakten Errechnen des momentanen PT100 
Widerstandes braucht.

Beispiel: wenn wir einen 24 Bit ADC haben, dann ist der Skalenbereich
0..FFFFFFh
was einer gemessenen Spannung von
0..Ureferenz
entspricht. Den aktuellen Widerstandswert erhalten wir dann mit
Rmomentan = Rvorwiderstand * Meßwert / (FFFFFFh - Meßwert);
Im Prinzip haben wir damit ein Ohmmeter, das alle Werte von 0 Ohm bis 
Unendlich in einem Bereich messen kann, allerdings mit unterschiedlicher 
Auflösung je nach konkretem Widerstand. Größte Genauigkeit bei Rmomentan 
= Rvorwiderstand.

Das Ausrechnen der Temperatur aus dem Widerstandswert ist dann eine 
Kleinigkeit, entweder per Formel oder per Stützstellen. Quasi offizielle 
Tabellen gibt es dazu genug.

W.S.

Ich hab aber nur einen 12Bit ADC zur Verfügung... Also werde ich auf den 
NTC umsteigen...

Was ich jetzt erzähle, ist etwas unspektakulär, aber
(im Gegensatz zu manchen anderen Beiträgen) gut auf
seinen Wahrheitsgehalt überprüfbar:

Um unüberschaubare Einflüsse auf die Temperaturmessung
möglichst zu minimieren, empfiehlt sich die ratiometrische
Messung.

Dabei wird der Thermofühler über einen Vorwiderstand an
die Betriebsspannung angeschlossen, Gemessen wird vom
ADC die Spannung am Thermofühler. Als Uref wird auch die
Betriebsspannung benutzt, somit kommt als Fehlerquelle nur
noch
- der Vorwiderstand und sein eigener TK, sowie
- die Messleitung und
- der AD-Wandler selbst
in Frage.

Die sind aber in jeder anderen Variante auch mit dabei!

OPV-Schaltungen und andere Uref-Quellen können zwar
die Auflösung erhöhen, aber bringen zusätzliche
Fehlerquellen (TK, Alterung) mit sich.

Um den Thermofühler nicht durch den Messstrom zu
erwärmen, empfiehlt es sich, ihn über einen Portpin
mit einem Transistor kurzzuschließen, wenn nicht
gerade gemessen wird.

Wenn es genauer werden soll, kann man noch die interne
Temperaturmessung des µCs hinzuziehen: Der Vorwiderstand
ist in dessen Nähe und bei bekanntem TK des Vorwiderstands
kann er per Software kompensiert werden.

Beispiele für die erreichbare Auflösung mit einem
12-Bit ADC:

T/°C   Rt     ADC  Steps  Pt1000
-------------------------------
-10,0  960,9  2007
0,0   1000,0  2048  41
10,0  1039,0  2087  39
20,0  1077,9  2125  38
30,0  1116,7  2161  36
40,0  1155,4  2196  35  Auflösung
50,0  1194,0  2229  33  0,303 °C

T/°C  Rt     ADC  Steps  KTY81
------------------------------
-10,0 747,0  1751
0,0   815,0  1839  88
10,0  886,0  1924  85
20,0  961,0  2007  83
25,0  1000,0 2048  **
30,0  1040,0 2088  81
40,0  1122,0 2166  78  Auflösung
50,0  1209,0 2242  76  0,132 °C


Beim Pt1000 ließe sich durch die Mittelung aus
8...16 Messungen vielleicht eine reelle Auflösung von
0,2 °C erreichen, beim KTY81 sollten damit 0,1 °C
noch ehrlich darstellbar sein.

Die Betriebsspannung zu verwenden ist eine schlechte Idee. Da ist viel 
zuviel Siff drauf. Auch ein Differential ADC kriegt den Siff von der 
speisung naehmlich nicht weg. Ich empfehle eine Referenz. Eine 
guenstigere Loesung ist allenfalls ein RLC (10 Ohm, 100nF // 2.2uF, 1uH) 
ab der Speisung.

@ und nun (Gast)

Was für eine Referenz empfiehlst du denn?
A) für den ADC
B) für den Fühler?
Wie vermeidest du eine Drift zwischen Referenz und Speisung?

Erwin schrieb:
> Dabei wird der Thermofühler über einen Vorwiderstand an
> die Betriebsspannung angeschlossen, Gemessen wird vom
> ADC die Spannung am Thermofühler. Als Uref wird auch die
> Betriebsspannung benutzt, somit kommt als Fehlerquelle nur
> noch
> - der Vorwiderstand und sein eigener TK, sowie
> - die Messleitung und
> - der AD-Wandler selbst
> in Frage.


In dem Fall hast Du faktisch keinerlei Auflösung mehr.

Nehmen wir an, Du hast PT1000, 5V Betriebsspannung, einen Vorwiderstand 
von 4,7k und einen 18ner Pic mit 10bit-ADC

Bei -10°C hast Du dann 0,883mA Meßstrom (ist nicht gerade zu wenig! vor 
allem nicht bei der Meßtemperatur) und am ADC-Eingang 0,8487V. Bei 50°C 
sind es 0,848mA und 1,013V am ADC. Dein Spannungsunterscheid über den 
Meßbereich beträgt also ganze 0,1642V. Wenn der 10-Bit-ADC nun 5V als 
Referenz hat, sind das bei jedem Bit 4,883mV. Was bedeutet, der ADC 
zeigt bei -10°C 173 Bits an und bei 50°C 207 Bits. Differenz von 34 Bit.

Wie will man mit 34 Bit 0,x° auflösen?


Das einzige, was ich mir vorstellen könnte, wären zwei andere Referenzen 
für den ACD. Eine negative und eine positive. Was bedeutet, man nehme 
eine brauchbare Spannungsreferenz, z.B. 2,5V und zwei Spannungsteiler 
mit Präzisionswiderständen. Der eine Spannungsteiler gibt 0,8400V auf 
die Vref- des µC und der andere 1,020V auf die Vref+.
Dann müßte sich doch eigentlich der Meßbereich des Pic zwischen diesen 
zwei Spannungen abbilden. Die Auflösung wäre dann theoretisch 962 Bit. 
Der Meßbereich von 60K könnte also in 962 Stufen dargestellt werden, 
Auflösung 0,06K.

Theoretisch! Und nun die Frage: Praktisch auch? Oder ist der Spannunghub 
von 180mV für den ADC des Pic zu wenig? Wenn man mal davon ausginge, es 
gelänge die Spannungsreferenzen wirklich auf's Millivolt so 
hinzukriegen.

Mit einem 10 Bit ADC macht es wenig Sinn direkt, und ohne Verstärkung 
die Spannung am PT100/PT1000 zu messen - da geht viel von der Auflösung 
verloren. Die Einfache Messung mit Spannungsteiler und direkt an den AD 
geht aber gut bei relativ hochauflösenden ADs (16-24 Bit) - die Sigma 
Delta Wandler haben dabei teils auch noch eine interne "Verstärkung", so 
dass auch der Bereich für die Spannung passt - nötig ist das aber bei 
genügend Auflösung auch nicht. Etwa 2-4 Bits der Auflösung gehen halt 
dafür drauf, das man sich die Brückenschaltung spart und so auch 
widerstände ganz bis 0 messen könnte.

Wenn man den µC internen AD mit typisch 10 Bit Auflösung nutzen will, 
dann sollte man schon eine Verstärkung und meist auch Brückenschaltung 
nutzen. Einige µCs habe so etwas intern, sonst 1 OP (und 4 Widerstände + 
den Senor) als Brückenvertärker.

Ich verwende einen 24bitter zB AD7799 oder aehnlich, einen 10k 0.1% 
Folien- Seriewiderstand mit 25ppm/K und eine 2.5V Referenz Zb ADR381, 
die Referenz ist auch gleich die Referenz fuer den ADC, faellt also 
raus, sofern hinreichend wenig Rauschen drauf ist.

24bit-Adc's Kosten aber schon mächtig Geld, wenn man das in Serien bauen 
will.

Das ist halt das Problem.

Das wuerde heissen, erst mal die anforderungen ueberpruefen.
Ist die absolute Genauigkeit wichtig, wie wichtig?
Ist die Austauschbarkeit des Sensors wichtig, wie wichtig?
Ist die Stabilitaet wichtig, wie wichtig?

Und dabei muss man sich eben von einem akademischen Furz wie 0.01 Grad 
loesen.

Arc Net schrieb:
> Ein 16-Bit-Delta-Sigma-ADC z.B. der MAX11213 mit integr. PGA liegt bei
> Einzelstückzahlen bei etwa 2 €, ein LMP90078 (16-Bit, PGA, Stromquellen)
> liegt in Stückzahlen (2500) ebenfalls bei ~2 €.

Ein uC ist sowieso drin und hat einen A/D-Wandler,
den man trotz seiner 10 bit mit einem externen OpAmp
wie MCP6051 problemlos in den benötigten Bereich verstärken kann
für weit weniger Geld.

Dazu muss man halt wissen, wie Analogtechnik funktioniert.

Arc Net schrieb:
> In der Industrie sind 0.01 °C absolut kein akademischer Furz, da
> spätestens bei der Kontrolle der Systeme so eine Genauigkeit (Test
> Accuracy/Uncertainty Ratio) häufig vorgeschrieben ist.

Selbst wenn vorgeschrieben, ist es Quatsch. Innerhalb des Sensors 
selbst, ist sicher ein größerer Temperaturgradient als diese 0,01°, erst 
recht zu einem irgendwie gearteten Messobjekt.

MfG Klaus

@MaWin
Wenn der interne Wandler + OpAmp + Referenz mit allen Fehlern 
tatsächlich 10 Bit rauschfrei (keine Offset, Verstärkung, Linearitäts-, 
Drift (Langzeit und Temperatur), etc. Fehler) hinbekommt, dann ja. 
Sind's dagegen nur 8-Bit dann wären es nur (0 C - 40 C)/256=0.15625 K...

@Klaus
Das ist kein Quatsch, sondern Alltag.
Zudem kommt es darauf an was gemessen werden soll (in einem Gas, einer 
Flüssigkeit etc.) und wo. Die Voraussetzungen so was in diesem 
Genauigkeitsbereich in einer Anlage zu machen, sind natürlich nicht 
immer vorhanden, ansonsten geht auch das. Sind es externe Messungen z.B. 
der Sensoren(Kalibrierung durch Vergleichsmessungen bspw.in einem Ölbad) 
sind 0.01K Genauigkeit üblich. Machbar sind ohne Fixpunktzellen (je nach 
Temperaturbereich) Messunsicherheiten <1mK.

Der hochauflösende AD Wandler spart auch nicht nur dem Verstärker (der 
MCP6051 würde ggf. schon noch einen Abgleich benötigen, 150 µV Offset 
entsprechen schon etwa 0,4 K bei 1 mA durch einen PT100), sondern auch 
noch 3 hochwertige Widerstände, wenn man ohne Abgleich der Schalung 
auskommen will. Je nach Anforderungen kann der AD Wandler günstiger 
werden als die Widerstände.

Die Lösung mit OP und µC internem AD/Wandler ist für geringere 
Anforderungen Ok, vor allem wenn man einen Abgleich zulässt.