Thema: Messen mit einem PT100

Hallo,
wir haben ja einige Elektrofreaks im Forum. Daher stelle ich die Frage hier.

Mein großes Ziel ist es meinen Wasserkocher zu PIDen. Dazu möchte ich ein Arduiono-Board (Microcontroller) verwenden, dass liegt hier noch herum. Dann brauche ich sonst nicht viel kaufen. Außerdem macht es mir Spaß mit dem Board zu arbeiten.

Aber im ersten Schritt baue ich erst einmal ein Thermometer auf.

Meine Idee ist es einen Spannungsteiler zu bauen. Sprich den PT100 und einen Widerstand in Reihe zu schalten, 5V anlegen und die Teilspannumg am PT100 über den analogen Eingang am Microcontroller zu messen. Der gibt mir dann einen Wert von 0-1023 zurück. Damit kann ich dann rechnen.

Ich habe viel zum Thema messen mit einem PT100 gegoogelt. Ein paar Dinge sind mir trotzdem noch unklar.

Ich lese in dem Zusammenhang immer wieder über Konstantstromquellen. Ist der Strom den mir ein Microcontroller liefert nicht konstant genug um zu messen? Die Abhängigkeit von Spannung und Messergebnis ist mir schon klar. Nur wie viel schwankt den der Strom aus einem Netzteil oder an so einer Platine?

Linearität ist das zweite Thema welches mir begegnet. Manche Leute schreiben, dass die PT100 Bauteile linear sind und andere linearisieren in Hardware oder in Software. Wovon hängt es ab ob ich hier etws tun muss?

Vielen Dank
Gruß
Christian

der pt-100 ist linear (für alle nicht-physiker ist diese annahme vollkommen ausreichend). 5V sind viel zu viel - der pt-100 wird sich durch den entstehenden strom erwärmt und verfälscht ziemlich das meßergebnis. die konstantstromquelle sorgt dafür, daß das eben nicht passiert. über das pt-100 sollten im idealfall nicht mehr als 1.0mA angelegt werden. wenn die spannung von deinem µC schwankt, verändert sich eben auch der gemessene wert (r=u/i). da du wahrscheinlich ein klasse B-element im zweileiteraufbau verwendest, wirst du aber eh zum schluß irgendwo ±1K genauigkeit landen. und das sollte für den wasserkocher mehr als ausreichend sein, da die heizplatte noch ein ganzes weilchen nachheizen wird und somit die temperatur nicht genau passt.

@ koffeinschock

Ich dachte das Problem wäre, dass sich durch den Stromfluss die Messleitung zum Sensor miterwärmt?

Habe aber im Hinterkopf, dass sich der Effekt durch eine Verwendung einer zweiten Messleitung mit einem anderen Vorwiderstand elimieren lässt.

Gruß - Tom
PS: (Nicht hauen, bin nur Bautechniker... )

Zum Thema Messen:
Messen ist eine Frage der Genauigkeit, überlege dir wie genau die Wassertemperatur sein soll und im welchem Temperaturbereich du wie genau messen willst.
z.B Messen von 0-100 Grad (nur zur Information, Genauigkeit 2 Grad reicht), aber zwischen 90 und 95 soll es auf 0.5 Grad genau sein.

Der Prozessor teilt die analog-Refernzspannung in 1024 Schritte. Sieh mal im Datenblatt nach wie genau diese ist; die ist nämlich nicht so präzise immer 2.5 Volt !!!! Teile die Ober und Untergrenze dieser beiden Werte durch 1024, dann siehst du, auf wieviele Grad genau du bestenfalls messen kannst.

Üblicherweise versorgt man (in einfachen Schaltungen) den PT100 (oder Pt1000, 2000, 10000) über einen Spannungsteiler mit Strom. Da der PT100 seinen Widerstand ändert, ändert sich der Strom durch den Spannungsteiler und damit hat man eine zusätzliche Nichtlinearität. Die kann in einem engen Temperaturbereich vernachlässigt werden. Nachrechnen empfohlen ! Wem das zu ungenau/nichtlinear ist, braucht eine Stromquelle, die Temperaturkompensiert und PRÄZISE ist!

Es gibt hier 2 Nichtlinearitäten: Die des PT100, die gelegentlich interessant ist. Und die durch die Meßschaltung bedingten!

Nimm einen PT1000 oder Pt2000, die kommen mit weniger Strom aus.

10Volt (aus Präzisionsquelle)
------
|
6 kOhm 0.1%
|
+-------- Ua
|
PT1000
|
-----+--------

Annahme (!!!!) UrefAnalog zwischen 2.4 und 2.6 Volt Exemplarstreuung :
2.4 /1024 = 2.3437 mV
2.6 /1024 = 2.5390 mV

0 Grad:
Ua = 10 (1000/(1000+6000)) = 10/7 = 1.42857 Volt
bei 2.4 VoltARef: 1.42857 / 0.0023437 = 609 im Wandlerregister
bei 2.6 VoltAref: 1.42857 / 0.0025390 = 563 im Wandlerregister


Wenn du das dann für alle 10 Grad rechnest, siehst du die Linearität.
Es kann sein, daß diese Ungenauigkeit für dich reicht, wenn du aber - so wie ich - den Brühkopf auf 92 +-0.5 Grad genau regeln willst, kommst du mit der internen Referenz nicht aus.

Zur Entschärfung des Problems: wenn du denn einen AtMega hast, dessen Aref irgendwo am Rande der Toleranz oder wo auch immer liegt, hast du es nur mehr mit der Temperaturabhängigkeit des Exemplars zu tun. Soweit bin ich im Datenblatt nicht vorgedrungen, da ich eine externe Referenz verweden werde.

Abgesehen davon, daß da oben der Strom durch den PT1000 zu groß ist -> Eigenerwärmung!

Mario

Zitat von KardinalWest

@ koffeinschock

Ich dachte das Problem wäre, dass sich durch den Stromfluss die Messleitung zum Sensor miterwärmt?

Habe aber im Hinterkopf, dass sich der Effekt durch eine Verwendung einer zweiten Messleitung mit einem anderen Vorwiderstand elimieren lässt.

Gruß - Tom
PS: (Nicht hauen, bin nur Bautechniker... )

nicht wirklich. die zusätzliche erwärmung des sensors lässt sich nicht durch eine 3- oder 4-leiter-schaltung kompensieren. du kannst damit 'nur' die einflüsse der zuleitung zum sensor minimieren bzw. eliminieren. alle metalle ändern ihren widerstand über die temperatur - also auch die leitung zum wth. in abhängigkeit der umgebung um den meßpunkt kann das einen erheblichen (nichtlinearen) fehler produzieren.

um es aber gleich vorwegzunehmen: im bereich, den der christian verwenden will, halte ich diese abweichungen für vernachlässigbar. auch die genauigkeit der schaltung ist letztlich sekundär. die größte varianz wird die heizplatte/heizwendel des wasserkochers sein, da sie noch ordentlich energie ins wasser abgeben wird, selbst, wenn die zuleitung abgestellt ist.

ich würde mir eine digitalanzeige bauen, die die temperatur anzeigt (am besten auch ohne kommastelle - die kann man haben, braucht sie aber nicht) und dann von hand den wasserkocher zeitig abstellen.

Zitat von koffeinschock

nicht wirklich. die zusätzliche erwärmung des sensors lässt sich nicht durch eine 3- oder 4-leiter-schaltung kompensieren. du kannst damit 'nur' die einflüsse der zuleitung zum sensor minimieren bzw. eliminieren. alle metalle ändern ihren widerstand über die temperatur - also auch die leitung zum wth. in abhängigkeit der umgebung um den meßpunkt kann das einen erheblichen (nichtlinearen) fehler produzieren.

Mein Gedankengang war der Folgende:
Der Sensor befindet sich in unserem Fall ja entweder direkt im Wasser oder an der (Metall-)Wand des Kochers und gleicht sich der Umgebungstemperatur durch Wärmeleitung quasi "sofort" an.
Hätte deshalb geschätzt, dass die Widerstandsänderung der Messleitung den größeren (und noch dazu vermeidbaren) Fehler erzeugt.

Würde der Sensor in der Luft (oder einem anderen Material mit schlechter Wärmeleitung) eingesetzt werden, läge die Sachlage natürlich wieder anders.


Andrerseits: Schätzen heisst nicht wissen...

Gruß - Tom

Um den Einfluss der Messleitungen zu minimieren, würde ich anstatt eines PT100 einen PT1000 nehmen. Da ist der Widerstand der Messleitung in Relation zum PT-Element mehr zu vernachlässigen. Auch würde ich keine Werte berechnen, sondern meinen Messaufbau mit Referenzwerten kalibrieren. Ein PT-Element hat ja zu jeder Temperatur einen genau definierten Widerstandswert (Tabellen hierzu hat google). Jetzt kann ich z.B. mit einem Trimmpoti den Widerstandswert für 95°C einstellen, dieses anstatt des PT anschließen und schauen, was ich mit dem AD-Wandler einlese. Das mache ich dann für eine ganze Reihe relevanter Temperaturpunkte und eiche somit meine gesamte Schaltung. Ergibt eine bessere Genauigkeit als errechnete Werte (Toleranzen von Zuleitungen, Spannungsteilern, Referenzspannung, AD-Wandler o.Ä. fallen dann weg.)

Viele Grüße

Klaus

Hallo Christian,

um den PT100/PT1000 am Arduino zu betreiben brauchst Du einen Messwertverstärker-IC, also z.B. den AD595 (siehe reichelt.de).

Ich würde Dir aus Kostengründen eher einen LM35CZ-IC (auch reichelt.de) empfehlen. Denn kannst Du direkt am Arduino betreiben.

Sowohl bei einem Thermoelement als auch bei einem LM35CZ musst Du die Temeperatursensoren gut kalibrieren, sonst kommt nur Murx raus. Ich habe für z.B. LM35CZ-Sensoren Excel zur Regressionsanalyse verwendet ("Trendlinie anzeigen").

holgr

Zitat von ChristianK

Hallo,
wir haben ja einige Elektrofreaks im Forum. Daher stelle ich die Frage hier.

Mein großes Ziel ist es meinen Wasserkocher zu PIDen. Dazu möchte ich ein Arduiono-Board (Microcontroller) verwenden, dass liegt hier noch herum. Dann brauche ich sonst nicht viel kaufen. Außerdem macht es mir Spaß mit dem Board zu arbeiten.

Aber im ersten Schritt baue ich erst einmal ein Thermometer auf.

Meine Idee ist es einen Spannungsteiler zu bauen. Sprich den PT100 und einen Widerstand in Reihe zu schalten, 5V anlegen und die Teilspannumg am PT100 über den analogen Eingang am Microcontroller zu messen. Der gibt mir dann einen Wert von 0-1023 zurück. Damit kann ich dann rechnen.

Ich habe viel zum Thema messen mit einem PT100 gegoogelt. Ein paar Dinge sind mir trotzdem noch unklar.

Ich lese in dem Zusammenhang immer wieder über Konstantstromquellen. Ist der Strom den mir ein Microcontroller liefert nicht konstant genug um zu messen? Die Abhängigkeit von Spannung und Messergebnis ist mir schon klar. Nur wie viel schwankt den der Strom aus einem Netzteil oder an so einer Platine?

Linearität ist das zweite Thema welches mir begegnet. Manche Leute schreiben, dass die PT100 Bauteile linear sind und andere linearisieren in Hardware oder in Software. Wovon hängt es ab ob ich hier etws tun muss?

Vielen Dank
Gruß
Christian

Hallo,
mal vielen Dank für Eure Beiträge!

@Mario: Ich werde mal versuchen deinen Gedanken nachzuvollziehen. Ich denke das hat auch mit meiner nächsten Frage zu tun.

@holgr: Ich muss das Signal verstärken weil 100 Grad ca. 135 Ohm sind. Dem nach sind die Änderungen recht klein. Würde ein Verstärker nun die Schritte zwischen den Gradschritten vergrößern?

Ich setz mich jetzt mit Papier und Bleistift hin und rechner mal etwas. Ich muss mir mal versuchen zu verdeutlichen was da passiert um zu sehen wie viel Grad ca. vie viel Volt sind etc und wie viel Strom durch das PT fließen könnte etc.

Gruß
Christian

Das einfachste dürfte in der Tat sein, einen Spannungsteiler (22kOhm + PT1000 oder 2,2kOhm + PT100) zu verwenden und die Spannung dann um ca. einen Faktor 15 zu verstärken (ein AD8551 wäre ideal, ist aber SMD) wodurch die Zahl der Schritte pro Grad entsprechend erhöht werden würde. Eine optimalere Nutzung des AD-Wandlers wäre auch sehr einfach möglich (Temperaturbereich nach unten einschränken), dürfte aber hier nicht erforderlich sein. Bei Verwendung von 0,1%igen Widerständen funktioniert das auch abgleichsfrei ausreichend genau. Wenn die Versorgungsspannung des Spannungsteilers+Verstärkers identisch mit der Analog-Referenzspannung des Arduino ist (Pin AREF), spielt die Genauigkeit der Versorgungsspannung keinerlei Rolle mehr (bei niedrigerer Versorgungsspannung wird der zu messende Spannungswert z.B. um den gleichen Faktor kleiner wie die Schritte des AD-Wandlers). Die entstehende Nichtlinearität durch den Spannungsteiler ist minimal und könnte auch einfachst ausgeglichen werden.