Thema: Messen mit einem PT100

Hallo,

ich habe die letzten Tage alle Bauteile die ihr hier genannt habt nachgeguckt, die Datenblätter gelesen (oder auch nur überflogen) und viel in den Elektronikforen gelesen.

@Mario: Ich habe dein Posting nun auch verstanden. Der Uref von meinem Atmega68 habe ich nicht gefunden. Die 5V bzw. der 3V Pin an meinem Board liefern aber weder 3V (3.6) noch 5V. Allerdings setzt wohl das Arduinoboard die Spannung die an Aref anliegt mit 1023 gleich. Wenn ich jetzt meine Schaltung über AREF versorge, dann trifft das zu, was Boing unten geschrieben hat.

Ich versuche mal zu erklären was ich glaube kapiert zu haben:
Ich habe verschiedene Spannungsteiler PT100+2,2k und PT100+20K etc. durchgerechnet und für den PT100 mal 100 Ohm oder 105 oder 110 Ohm eingesetzt. Je größer mein zweiter Widerstand wird, um so kleiner wird mein Strom (was wohl wegen der Wärme am Sensor gut wäre), aber meine Spannungsänderungen am PT100 werden dadurch so klein, dass man sie verstärken muss, damit der AD Wandler etwas davon mitbekommt. Die Änderungen sieht man erst an der vierten Stelle hinterm Komma (wenn man in ganzen A rechnet).

Zum Verstärken von Spannungen nimmt man Operationsverstärker. In meinem Fall einen nicht invertierenden Verstärker. Über zwei Widerstände kann ich einstellen wie stark verstärkt wird. Wie ich allerdings die Gleichung mit zwei Unbekannten lösen soll ist mir noch unklar, aber es gibt ja Beispiele an denen ich mich orientieren kann.

Koffeinschok hatte oben etwas von einer Konstantstromquelle geschrieben, den Teil habe ich auch verstanden. Man nagelt den Stromfluss der Stromquelle fest und hat so eine sich gleich ändernde Spannung wenn sich durch die Wärme des Wassers der Widerstand ändert.
Dazu nimmt man 1mA damit der PT100 sich durch den Stromfluss nicht selbst erwärmt.

Ich habe folgende Schaltung gefunden, die enthält eigentlich alles was ich brauche. Nun meine Frage: Reicht es wenn ich eine Konstantstromquelle baue und das Singal verstärke oder muss ich auch das Offset verändern und den Microcontroller schützen?
http://www.mikrocontroller.net/attac...ssverst_er.pdf

Viele Grüße
Christian

Das Problem bei der Verwendung einer Konstantstromquelle ist, dass die Toleranzen von AREF und der Konstantstromquelle dadurch unabhängig voneinander sind und sich die Fehler addieren. Um auf ca. 1k Genauigkeit zu kommen sind dann einfache Standardbauteile (LM317, 7805) nicht mehr geeignet. Evtl. kann man durch einenn Abgleich die Genauigkeit verbessern, aber dadurch geht der Vorteil des PT100/PT1000 verloren, nämlich die sehr gute Genauigkeit auch ohne Abgleich. Bei Verwendung einer entsprechend genauen Referenzspannungsquelle und Konstantstromquelle sieht das natürlich wieder anders aus.

Mit Verwendung eines einfachen Spannungsteilers (der mit AREF, z.B. 5V, versorgt wird) und eines nachfolgenden Verstärkers bleiben jedoch praktisch nur die Toleranzen der verwendeten Widerstände und des PT100/PT1000. Offseteinstellung und Verstärkung ist mit einem einzigen Operationsverstärker möglich. Da der PT100/PT1000 gegenüber dem zweiten Widerstand des Spannungsteilers klein ist ändert sich der Strom nur minimal. Der Mikrocontroller kann diese geringe Nichtlinearität jedoch einfach und ohne zusätzliche Fehler korrigieren. Die gesamte Schaltung sieht dann so aus

und funktioniert bei mir einwandfrei bei Verwendung von 0,1%-Widerständen. Bei der Auswahl des Operationsverstärkers ist zu berücksichtigen, dass viele Typen Signale in der Nähe der beiden Versorgungsspannungen nicht mehr verarbeiten können und daher z.B. in der von Dir verlinkten Schaltung eine Versorgungsspannung von +/-12 verwendet wird. Der AD8551 (es gibt noch viele andere) dagegen funktioniert auch mit 0V und 5V als Versorgung und vereinfacht dadurch einiges (es kann z.B. keine für der Mikrocontroller zu hohe Spannung am Ausgang anliegen). Wenn er nicht SMD sein soll kann man ihn einfach in einen 8-poligen IC-Sockel löten.

Zitat von boing

.....Verwendung einer entsprechend genauen Referenzspannungsquelle und Konstantstromquelle sieht das natürlich wieder anders aus.

ok, dass macht Sinn!

Danke für die Schaltung. Dazu eine Frage: Welche Aufgaben haben die Kondensatoren?

Ich habe noch allgemeine Fragen zu OPs.
Gesern habe ich einen LM324 von ST bei Conrad gekauft: Datenblatt
Als VCC stehen +-16 bzw. +-32V. Muss ich genau 16 oder 26V anlegen?

hohe Spannung am Ausgang anliegen). Wenn er nicht SMD sein soll kann man ihn einfach in einen 8-poligen IC-Sockel löten.

Du meinst es gibt ihn auch als normalen IC oder wird auf den IC-Socket das SMD Teil gelötet, dann müsste ich ja auch SMD Löten und das geht sicher nicht Ich habe das Teil nur als SMD gefunden.

Vielen Dank!
Gruß
Christian

Den AD8551 (der halt perfekte Eigenschaften für diesen Zweck hat) gibt's leider nur als SMD. Alle geeigneten Nicht-SMD-Bausteine die ich bei den normalen Bezugsquellen gefunden habe benötigen eine größere Versorgungsspannung.

Der LM324 kann mit beliebigen Spannungen versorgt werden, solange die Differenz von V+ und V- zwischen 3 und 32 Volt liegt. Ob die Spannungen Symmetrisch sind (z.B. +/-12) oder 0V + +24V oder (als willkürliches Beispiel) -7V und +25V ist dem LM324 egal und wird durch die Anwendung bestimmt. Die Eingangssignale dürfen nämlich nur im Bereich V- ... V+ - 2V liegen, das Ausgangssignal kann (worst case bei normaler Dimensionierung) im Bereich V- .. V+ -3V liegen. Um bei Signalen im Bereich 0..5V auf der sicheren Seite zu sein würde daher V- = 0V und V+ = 8V ausreichen, aber +/-8V oder +/-12V geht natürlich auch. Das Ausgangssignal muss dann natürlich wie im verlinkten Dokument begrenzt werden werden um den Eingang des Mikrocontrollers im Fehlerfall oder beim Einschalten nicht zu überlasten.

Der Haken des LM324 (und ähnlicher Allzweckbausteine) ist aber die hohe Input Offset Voltage, die hier für einen Messfehler von bis zu +/-9mV sorgt. Bei einem PT100 und 2,2kOhm (ist schon die obere Grenze des akzeptablen Stroms) entspricht 1° Temperaturunterschied nur einem Spannungsunterschied von 0,8mV, es kommt also ein Messfehler von bis zu 11° nur durch den Operationsverstärker hinzu was wiederum einen Abgleich erfordert. Beim AD8551 wäre der Fehler nur 0,01mV (0,01°). Zum Test der prinzipiellen Funktion geht natürlich auch der LM324 und typisch (worauf ich mich eben nie verlasse) ist der Fehler auch kleiner.

Einen OP07 gibt es auch als Nicht-SMD-Variante und ab +/-8V Versorgungsspannung wäre er auch anstelle des AD8551 in meiner o.g. Schaltung verwendbar (dann wieder mit Begrenzung der Ausgangsspannung).

Die Kondensatoren dienen lediglich dazu, hochfrequente Störungen (z.B. eingekoppelt in die Leitungen zum Temperatursensor) zu unterdrücken. Da sich die Temperatur nur sehr langsam ändert wird die Messung dadurch nicht negativ beeinflusst. Der zweite Kondensator am Analogeingang des Mikrocontrollers dient auch dazu, kurze Eingangsstromspitzen für den Analogeingang zur Verfügung zu stellen.

Zitat von ChristianK

...dann müsste ich ja auch SMD Löten...

im schlimmsten fall geht das mit einer lötnadel und normalem lot. nicht schön, nicht so vorgesehen, bei vorsichtiger anwendung aber im 'bastelbereich' vollkommen ausreichend.

Such mal mit GOOGLE nach "umnicom pt1000", da findest du eine Schaltung für einen PT1000 samt Erklärungen.

Probier doch www.hygrosens.com, da gibt es ein fertiges Modul für einen PT1000 in 3 Temperaturbereichen, mit I2C Bus, ich habe einige davon, funktionieren Prima feinst ! Conrad hat die auch im Programm. Die haben nur einen Haken: Wenn du 2 oder mehr am Bus betreiben willst, frag mich noch mal.

Operationsverstärker, Drift, präzise Stromquelle ... viel Arbeit und Erfahrung notwendig.

Mario

Hallo,

@Mario: Für ca. 40€ bekomme ich schon den fertigen PID Controller bei Pohltechnik.de zu kaufen, sobald ich etwas mehr ausgebe lohnt sich selbst basteln nicht mehr.

Zitat von boing

Der LM324 kann mit beliebigen Spannungen versorgt werden, solange die Differenz von V+ und V- zwischen 3 und 32 Volt liegt. Ob die Spannungen Symmetrisch sind (z.B. +/-12) oder 0V + +24V oder (als willkürliches Beispiel) -7V und +25V ist dem LM324 egal und wird

Hat es Einfluss darauf wie der OP verstärkt, also arbeitet er anders wenn ich +20 -20V nehme oder ob ich 0V und +12V nehme? Die Info konnte ich nirgends finden.

Ich habe mal die Schaltung die ich unten verlinkt hatte mit dem LM324 nachgebaut und im Prinzip funktioniert der OP. Allerdings hatte ich eine Ausgangsspannung von ca. 7V. Daraufhin habe ich dann den Widerstand zwischen Inv. Input und Ausgang angepasst. Bei 10K liege ich zwischen 2,x und 4,7V (bei 100 Grad). Den OP habe ich nicht wie angegeben mit +12 -12V sondern mit 0V +12V versorgt.

@Boing: Würdest Du mir noch die anderen Teilebezeichnungen schicken? Dann baue ich mir deine Schaltung mit dem OP07 nach. Das Netzteil welches das Arduino versorgt kann 7,5V oder auch 12V. Ändert sich dann noch etwas an der Schaltung?

Wenn ich mir gleich ein Gehäuse bei Reichelt mitbestelle, dann lohnt auch der Versand. Die Kleinteile selbst kosten ja nicht so viel.

Noch eine letzte Frage: Ich hatte mir dem dem PT100 das folgende SRR mitbestellt. Das Teil hat keine Angabe ob es auch Strom braucht. Reicht einfach eine Spannung um es zu schalten? Wenn ja, dann kann ich es ja einfach an einen digitalen Ausgang vom Controller hängen.

Vielen Dank
Grüße
Christian

Hallo Christian,

für das SSR benötigst Du den DC-Steuerstrom (z.B. vom Arduino) und dann noch die AC-Anschlüsse, die geschaltet werden sollten. Das war's.

holgr

Zitat von ChristianK

Hallo,

Noch eine letzte Frage: Ich hatte mir dem dem PT100 das folgende SRR mitbestellt. Das Teil hat keine Angabe ob es auch Strom braucht. Reicht einfach eine Spannung um es zu schalten? Wenn ja, dann kann ich es ja einfach an einen digitalen Ausgang vom Controller hängen.

Vielen Dank
Grüße
Christian

Ich würde einfach mal 5V an den Steuereingang des SSR anlegen und den Strom messen. Typisch ist der ausreichend klein um den Ausgang eines Mikrocontrollers direkt anzuschließen (optimal: <20mA; 40mA wäre die absolute Obergrenze von der ich etwas Abstand halten würde).

Die Funktion des OPs ändert sich hier vernachlässigbar in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung, solange man mit Ein- und Ausgangssignalen weit genug von beiden Versorgungsspannungen wegbleibt. Beim OP07 wären mindestens 3 Volt Abstand erforderlich, also muss die negative Versorgung < -3V und die positive > +8V sein (+7,5V sollten typisch auch reichen). Mehr Abstand bringt hier keine weiteren Vorteile mehr, aber 0V als negative Versorgung geht leider nicht. Du könntest evtl. mit einem ICL7660 (€0,59) + 3 Kondensatoren (10µF) +5V in -5V umwandeln.

Hier noch die Details (ohne nochmal nachgerechnet zu haben):

In o.g. Schaltung würden sich (o. Gewähr) z.B. folgende Werte anbieten:
R1=4,7k; R2=22k; R3=470; R4=47k; R5=4k7. Bei R1..R4 ist die Genauigkeit kritisch, also am besten 0,1%, der Rest ist unkritisch. R5 dient dabei auch dem Schutz des Analogeingangs im Fehlerfall (Ausgangsspannung <-0,5V oder >5,5V). Für die beiden Kondensatoren wären 100nF ein guter Wert. Die +5V und Masse sollten mit der Versorgungsspannung des Arduino sowie der zugehörigen Masse verbunden werden. Die Versorgungsspannung des OP ist davon unabhängig und hat keinen Einfluss auf die Dimensionierung.

Die Ausgangsspannung ergibt sich zu Ua = R4*U0*(Rx/(R1+Rx)*(1/R2+1/R3+1/R4)-1/R2) wobei U0 die Versorgungsspannung (hier 5V, nicht die vom OP) ist und Rx der Widerstand des PT100.

Bei 0°C (Rx=100 Ohm) ergibt sich eine Ausgangsspannung von 0,06V und bei 100°C (Rx=138,5 Ohm) von 4,08V, es ist also nach oben noch etwas Reserve und die unteren Temperaturen sind ja eher uninteressant.

Der Widerstand des PT100 berechnet sich zu
Rx = (R1*(Ua/R4+U0/R2))/(U0*(1/R2+1/R3+1/R4)-(Ua/R4+U0/R4)) wobei Ua die gemessene Ausgangsspannung ist. Es gilt Ua=n/1024*U0 (n=Messwert des AD-Wandlers) so dass sich U0 rauskürzt. Die Berechnung geht schneller wenn man statt durch eine Konstante zu dividieren mit dem Kehrwert multipliziert.

Hallo,

vielen Dank! Dann werde ich mir mal die Teile zusammensuchen und dann berichten!

Grüße
Christian