Schaltung, um mit PT100 oder PT1000 sehr präzise rel. zu messen

Heyho!
Seit Tagen tüftele ich verzweifelt an einer Lösung für dieses Problem
und bevor ich in irgendwelchen Boards poste dachte ich, wende ich mich
direkt an die Profis - die müßten sich ja nach wie vor vermehrt im
Usenet aufhalten... ;-)
~~Also erstmal der Hintergrund:
Ich studiere Chemie und muß für mein Thema, Kalorimetrie,
Temperaturänderungen sehr genau aufzeichnen. Von Interesse sind wie
schon in der Überschrift angedeutet also relative Änderungen. Absolute
Temperaturwerte sind zwar als Anhaltspunkt nett, haben aber keinen
Einfluss auf die Auswertung.
~~Aktueller Aufbau:
Momentan arbeite ich mit PT100 und einem Meßwertumformer, der vor etwas
mehr als 20 Jahren für dieses Thema gebaut wurde. Wenn ich die Schaltung
mit meinem schmalen Elektronikwissen richtig überblicke arbeitet sie mit
einem REF102AP als Referenz und OP07CP als OpAmps. Dazu eine Hand voll
Widerstände, je zwei Spindeltrimmer (25K und 500K) als
Nullpunktsabgleich sowie je vier Trimmer (67WR1K, 2*67WR100K, 67WR5K),
die wenn ich es recht verstanden habe fürs Einstellen der
Linerarisierung usw. nötig sind. Das Ausgangssignal (0-10 V) des
Umformers erfasse ich mit einer 16 BIT ADC-Karte von Keithley.
~~Warum ich "umrüsten" möchte:
Das aktuelle Signal des Messverstärkers rauscht mit etwa 0,01 mV, ist
also schon ziemlich stabil. Mit 16 BIT unter Akkumulation von 2000
Werten/sec sind damit rel. Temperaturmessungen
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Dennis Köhn
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Dennis Köhn schrieb:
Welche Auflösung brauchst du in welchem Temperaturbereich?
- Henry
--
www.ehydra.dyndns.info
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Henry Kiefer
10mA sind definitiv zuviel. Gut eine Groessenordnung ueber dem, was ueblich ist.
Auf die Schnelle: Eine moeglichst praezise Stromquelle und einen guten ADC mit moeglichst vielen Bits, linearisieren im Computer oder in einer Look-up Table. Machen wir bei TEC jedenfalls so. Wenn es partout analog sein soll, geht auch, wird aber suendhaft teuer.
16 Bit sind hier ein wenig knapp. Sieh Dir einmal diese an:
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Vor Eintreffen des Angebotes sicherheitshalber hinsetzen und tief durchatmen. Mit etwas Suchen findet sich bestimmt etwas preiswerteres, oder eben selbst zimmern.
--
Gruesse, Joerg

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Joerg
Die rel. Auflösung sollte besser als 1 mK sein und die Temperatur wird 150 °C selten überschreiten - sagen wir also Meßbereich ist RT bis 200 °C.
Momentan schaut das mit Akkumulation von je 2000 ADC-Werten aufgezeichnete Signal so aus:
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LG, Dennis
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Dennis Köhn
Das kommt rein rechnerisch mit 16 Bits nicht aus. Auch nicht mit Averaging.
--
Gruesse, Joerg

http://www.analogconsultants.com/
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Joerg
...
Stoerunanfaelliger ist der PT100, da niederohmiger. Weniger Waerme macht der PT1000. Es gibt wohl auch noch hochohmigere PT Widerstaende.
Fuer hochgenaue, langsame Messungen schlage ich Delta Sigma Wandler vor. Mit einem hochgenauen 1k Referenzwiderstand und den Linear Easy Drive Typen (z.B. LTC2484) koennte man mit einem Minimum an Beschaltung auskommen Die SPI Signale des ADCs z.B mit einen ADuM1401 isolieren, einen kleinen DC/DC dazu und eine uC zur Auslese und dann z.B. seriell in den PC.
Das hochgenaue Messaufbauten ein Eigenleben haben, ist natuerlich klar. Zum Rauschen gab es gerade in der Elektronik gerade eine Artikelserie. Temperaturunterschiede auf der Platine sind natuerlich auch ein Problem. Bevor ich mit cadmiumhaltigen Lot anfange, wuerd ich eher an ein Bad in einer inerten Fluessigkeit denken. Die "aser Modder" haben dass ja vorgemacht.
Tschuess
--
Uwe Bonnes                bon@elektron.ikp.physik.tu-darmstadt.de

Institut fuer Kernphysik  Schlossgartenstrasse 9  64289 Darmstadt
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Uwe Bonnes
Tue noch 1-2 drauf, falls der Offset nicht analog gehandhabt wird:
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Ausserdem ist die Effective Number of Bits (ENOB) auch bei niedrigen Frequenzen nicht gleich der Bit-Zahl des Wandlers. Also nochmal 1-2 Bits mehr. Das laeppert sich ;-)
--
Gruesse, Joerg

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Joerg
Es war ">18" gemeint. Man sollte keine ">"-Zeichen in die erste Spalte schreiben.
Falk
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Falk Willberg
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Stimmt. Manche Reader benutzen die, um Quotes anzuzeigen. Meiner macht verschiedenfarbige Striche.
Aber Dennis wird noch mit ganz anderen Problemen zu kaempfen haben, besonders Eigenerwaermung. Muss man eventuell pulsen. Dann muss alles saeuberlich abgeschirmt werden, pico bello Filterung der Spannungen, alles huebsch rauscharm, Opamp Drift rausklemmen oder einen low noise auto-zero finden, usw.
--
Gruesse, Joerg

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Joerg
Eine Idee wäre der AD7793, den ich in einer Schaltung mit maximal 3-Draht PT100/PT1000 Sensoren einsetze. Die Platine wo ich es einsetze, kommt allerdings erst nächste Woche, sodaß ich noch keine überprüfte Aussage zu der erreichbaren Genauigkeit machen kann. Im Datenblatt dazu:
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gibt es am Ende ein Schaltungsbeispiel. Theoretisch sollte es auch ziemlich gut sein für relative Messungen, da die Schaltung ratiometrisch aufgebaut ist, sodaß sich auch Schwankungen der genauen integrierten Konstantstromquelle (die auch noch auf 10uA eingestellt werden kann, für ziemlich geringe Eigenerwärmung) nicht auf das Messsignal auswirken sollten und auch keine Kalibrierung notwendig ist, sofern der Referenzwiderstand genau genug ist.
Weiß nicht, ob da 4-Draht noch viel mehr bringt. Vielleicht den AD-Wandler möglichst nahe am Sensor anbringen und mit einem kleinen Microcontroller (bekommt man alles zusammen auf eine kleine Briefmarke) die 24 Bit Werte des Wandlers auslesen und passend umwandeln in RS232 oder so. Für sehr genaue Messungen ist auch noch ein Temperatursensor im AD-Wandler eingebaut, sodaß du eine Kennlinie herausrechnen könntest.
--
Frank Buss, fb@frank-buss.de
http://www.frank-buss.de, http://www.it4-systems.de
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Frank Buss
"Dennis Köhn" schrieb im Newsbeitrag news: snipped-for-privacy@mid.dfncis.de...
Wie die anderen schon geschrieben haben, sind wohl die 16 bit nicht ganz ausreichend fuer deine Anforderungen, und der damaligen Zeit geschuldet. Nimm einen 24 bit dual-slope Messwandler, eine auf dem AD7799 (wegen der 3 Kanaele die du hast, du wolltest aber wohl mehr) basierende Karte oder so.
Dann ist deine Messchaltung sicher nicht schnell (OP07, Temperaturen aendern sich eh langsam), du kannst also einiges Rauschen dadurch begrenzen, dass du gegen eine obere Grenzfreqeunz filterst. Hach, das macht ein dual-slope Konverter gratis.
Dann stoert dich an deiner Schaltung die Temperaturabhaengigkeit, und du erwaehnst Potis mit 250ppm Temperaturgang, die wohl eingebaut wurden, um die Schaltung universell anpassen zu koennen. Schmeiss die Potis raus, linearisieren macht man heute in Software, und ersetze das relevante Poti (Offset und Gain) gegen angemessene Festwiderstaende (mit mindestens 10 mla besserer Stabilitaet). Exaktes Trimmen machst du dann in Software.
Bleibt der OpAmp, ersetze OP07C gegen OP07A, der ist nicht umsonst so viel teurer, und die REF102A gegen die REF102C.
Damit wird deine Schaltung so genau, dass du an andere Probelme denken musst, als an die Schaltung, naemlich Thermospannungen etc.
Siehe section 10 der "practical design techniques for sensor signal conditioning" von
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"Training and Events"
Lediglich die 10mA sind ziemlich heftig, und vielleicht unbegruendet (oder hast du Einstreuungen?). Eine Reduzierung auf 100uA ist eventuell moeglich, ebenso koennte man ihn nur waehrend der kurzen Messzeit von 1/470 Sekunde (wegen des A/D-Wandlers) mit Strom versorgen, aber Achtung: DerOpAmp ist recht langsam und muss ja auch bis aufs letzte bit (0.00001%) seinen Ausgang ausgeregelt haben.
--
Manfred Winterhoff, reply-to invalid, use mawin at gmx dot net
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MaWin
Das mit dem Pulsen würde ich auch vorschlagen. Temperaturmessungen sind ja meist sehr langsam. Da müsste man die Wärmeabgabe des PT auf 1/100 reduzieren können.
Da es aber um relative Messungen geht, wäre noch interessant, von welchen Änderungen wir hier reden.
Wenn es um Temperaturänderungen im Bereich von sagen wir mal 1K geht, könnte man auch zu Beginn der Messung das ganze "tarieren". Also mit einem DAU eine Abgleichspannung auf eine Subtrahierschaltung geben und das ganze auf Null abgleichen. Dann die Messung starten und nur die Temperaturänderung mit ausreichender Auflösung detektieren.
Damit müsste man dann einen Meßbereich von 20-200 °C mit einem 8 Bit DAU und einem 16 BIT ADU abdecken können.
Keine Ahnung, ob das praktisch funktioniert. Nur so eine Idee.
Gruß
Stefan DF9BI
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Stefan Brröring
Wenn Dennis den Wandler selbst neu aufbauen will, ist das eine gute Idee. Als SPI Link zum PC eignet sich der LabJack U3. Mit zweien davon haben wir bei einem Kunden eine SPI Geschichte mit Dutzenden von ADCs und DACs angesteuert, funktioniert hervorragend. Der Port zum PC ist dann USB. Es gibt auch noch teurere LabJack Versionen, die man an einen LAN Port haengen kann. Ein LabJack sollte ohnehin in keinem Uni-Labor fehlen.
--
Gruesse, Joerg

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Joerg
Hier lohnt es sich, ein paar Cents mehr in Widerstaende mit kontrolliertem Tempco zu investieren.
Offset Drift beachten, muss eventuell noch was besseres oder Auto-Zero sein. Oder Mux und rausklemmen.
Ich wuerde ernsthaft ueberlegen, auf den Opamp ganz zu verzichten und mit satter Anzahl Bits direkt zu messen.
--
Gruesse, Joerg

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Joerg
Dennis Köhn schrieb:
Hallo,
die Eigenerwärmung des Pt100 oder Pt1000 ist kein Problem?
Da ist ein Kompromiß fällig, um ein schön stabiles, rauscharmes Messsignal zu bekommen wäre ein möglichst hoher Messstrom günstig, um die Eigenerwärmung klein zu halten ein möglichst kleiner. Man kann allerdings den Messstrom pulsen, also immer nur kurz für eine Messung einschalten, das verringert die Eigenerwärmung. Ausserdem kann man auch den Messstrom immer umpolen und dazwischen auch eine Messung mit abgeschaltetem Strom machen um Offsetschwankungen rauszurechnen.
Bye
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Uwe Hercksen
Hi Dennis,
Dennis Köhn schrieb:
Hohe Auflösung bei moderaten Anforderungen an die Unsicherheit der Temperaturmessung ist eigentlich eine Domäne der Temperaturmessung mit NTCs. Gibt es mit Grundwiderständen bis 100k - Folge: eine einfache Brückenschaltung, evtl. (wenn die stark nichtlineare Kennlinie stört) durch Serien- und Paralellwiderstände zum NTC linearisiert, gibt bereits "knackige" Signale, die man nicht erst mühsam hochverstärken muss.
Vielleicht hilft
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o.ä. weiter.
Zu Auflösung des ADC und Eigenwerwärmung ist ja schon genug gesagt.
Gruß, Volker.
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Volker Staben
H=F6rt sich ja schon mal gar nicht so schlecht an.
Falls Widerst=E4nde direkt im Messkreis liegen, sollte man =FCberpr=FCfen, ob es welche mit geringem Tk sind. Notfalls austauschen. Besonders problematisch sind Trimmer. Die haben oft einen sehr hohen Tk. Deshalb sollte man deren Einstellbereich mit Festwiderst=E4nden so einschr=E4nken, das dieser nicht gr=F6sser als unbedingt notwendig ist. Die Lineariisierung macht man heute besser in Software mit dem nachgeschalteten Rechner.
Das ist, wie bereits gesagt, zu wenig. Nimm einen moderneren DeltaSigmaWandler mit z.B. 24Bit.
Du solltest mindestens einen Kanal mit einem speziellen Messwiderstand mit sehr geringen Tk best=FCcken, dessen Widerstandswert etwa in der Mitte des Temperaturbereichs liegt. also ca. 110 Ohm. Wenn Du st=E4ndig diesen Widerstand mitmisst, kannst Du leicht einen Korrekturfaktor errechnen, um Deine Messungen gegen kurzzeitige Schwankungen der Messschaltung immun zu machen.
hen,
Der Einbau eines neuen Mutiplexers d=FCrfte das kleinste Problem sein. Wenn Du Vierdrahtmessung machst, reicht da oft sogar ein einfacher CMOS-Umschalter, da sich seine Schlechten Eigenschaften ja herausrechnen. Du solltest =FCbrigens zweimal mit unterschiedlichen Str=F6men messen. So kannst Du auch gleich etwaige Thermospannungen herausrechnen.
m ADC
Das sollte nicht sein. Da stimmt irgendetwas am Aufbau nicht!
10 mA sind auch zu hoch. Typisch f=FCr PT100 sind 1mA. Aber auch die f=FChren zur Eigenerw=E4rmung. Deshalb schaltet man den Messstrom immer nur kurz ein, solange wie man misst
Das sollte f=FCr Aufl=F6sungen im mK-Bereich die Mindestforderung sein. Man nimmt da eigentlich auch keine PT1000 mehr, sondern nur noch PT100.
Du meinst den Digitalausgang? Da kann man ja Optokoppler zwischenschalten.
Messleitungen abzuschirmen, kann nie schaden.
Die Linearisierung sollte man dem Rechner =FCberlassen. Der kann das besser.
Der Aufwand f=FCr Aufl=F6sungen im mK-Bereich ist gar nicht so gross wie man oft glaubt. Wichtig ist vor allen Vierdrahtmessung, Messung mit zwei unterschiedlichen Str=F6men und Gegen-Messung gegen einen Pr=E4zisions- widerstand. Der Rest ist eigentlich nur noch eine gute Software, die mit den gegebenen Messdaten die meisten Fehler rausrechnen kann. Dann braucht man z.B. noch nicht einmal eine Pr=E4zisions-Stromquelle; sie muss nur f=FCr vielleicht eine Sek. stabil sein, da man dann schon durch Messung des Pr=E4zisionswiderstands deren genauen Stromwert kennt.
Im Prinzip reicht ein besserer OPV am Eingang. Davor sitzt dan der Multiplexer.
el
r,
Nein. Pr=E4zisionsmessungen macht man mit PT100; Kalibriermessungen sogar mit PT25. Erw=E4rmung verhindert man durch nur kurzes Einschalten des Messstroms durch den Multiplexer.
n
Du musst sie nicht unbedingt vermeiden. Du kannst deren Einfluss ja auch herausrechnen. Gruss Harald
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Harald Wilhelms
Dennis Köhn schrieb:
Wir haben das vor Jahren mit einem handelsüblichen Digitalvoltmeter mit 4-Leiter-Widerstandsmesseingang gemacht, das vom Computer ausgelesen wurde. Es wurden mehrere Fühler mit Relais umgeschaltet, die nur zur Messung unter Strom standen. Um Thermospannungen zu eliminieren gab es noch ein Relais, dass die Messung mit umgekehrter Polarität wiederholte. Der Rechner hat dann den Mittelwert gebildet - bei Bedarf auch über mehrere Messungen. Umrechnung in Temperatur macht ebenfalls der Rechner.
Ach ja, pro Messstelle waren zwei Fühler vorhanden, über die bis zu einem bestimmten Unterschied gemittelt wurde und darüber hinaus zur Fehlermeldung führten.
--
Gruß Werner
"Einen Staat, der mit der Erklärung, er wolle Straftaten verhindern,
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Werner Holtfreter
Heyho!
Erstmal ein großes *WOW!!!* vorweg. Ihr seid super. Die zahlreichen Antworten in der kurzen Zeit können einen ja regelrecht erschlagen, wenn man schon länger aus der Materie Usenet raus ist :-)
Ich will mal versuchen, auf möglichst viele Beiträge einzugehen, ohne jetzt einzeln zu zitieren:
Meine Motivation ist die, daß ich über den aktuellen Verstärker eigentlich kaum was weiß und, daß er mir über kurz oder lang mit drei Eingängen einfach zu wenig Kanäle hat. Auch stören bei den Messungen nach wie vor Drifts, die ich nicht erklären kann. Es scheint, als kämen sie vom Temperiermantel, jedoch ist der dafür zuständige Kryostat auf +/- 1 mK stabil.
Zur Auflösung: Momentan schaffe ich mit 2000 gemittelten Werten etwa digitalisierte +/- 0,3 mK. Das ist schon ganz ok bei +/- 0,6 mK, die die analoge Schaltung an Rauschen auswirft. Die Entscheidung mit 16 bit (statt vorher 12 bit) ist leider erst vor einigen Monaten gefallen und die KPCI-3116 hat auch mal eben >1000? gekostet. Naja - im Zweifel ist es Lehrgeld und Anwendungen dafür finden sich bei der Größe des Arbeitskreises bestimmt noch genug :-)
Ja, ich würde gern einen Neuaufbau machen bzw. unseren Elektroniker damit betrauen, jedoch sollten die Komponenten dann - im Kostenrahmen - das momentane Optimum sein. Darum bin ich euch für die Bauteilvorschläge schonmal sehr dankbar und werde versuchen, mich ein wenig in die Datenblätter einzulesen. Besonders den 24 Bit ADC von AD hatte ich auch schon im Auge. Wenn nachher bei dem Projekt eine "Kiste" raus kommt, die man nur noch per USB anschließen muß wäre das natürlich ein Traum :-D
Die Temperaturen ändern sich bei meinen Messungen um etwa 0,5 bis 1 K. In letzter Zeit habe ich z.B. meist bei 70 °C angefangen und ab Temperaturkonstanz dann zwischen 5 und 100 kJ Energie eingetragen. Schnelle Reaktionen können die Temperatur auch mal um bis zu 5 K erhöhen, jedoch beißt sich alles darüber schon wieder mit der Methode und wird daher fast nie vorkommen.
Die 10 mA Meßstrom haben AFAIK zwei Hintergedanken: Erstmal sitzen wir hier ziemlich nah am Fernsehturm und dann sind wir ja die Chemie, spich hier im Haus läuft einiges an Röntgen, Kryomagnet und sonstigen Schweinereien. Ein Komilitone mit einer REMÜ-Box hat (daher?!) ab und zu mal Spikes in seinen Kurven, ich mit den 10 mA jedoch nie. Da ich meist in >500 mL Reaktionslösung messe, fallen die 10 mA nur in Form von Schwankungen auf, wenn schlecht gerührt wird. Im luftgefüllten Dewar mit PE-Isolierbällen geht die Temperatur des PT100 allerdings kontinuierlich nach oben. Daher gilt IMHO für nen Neuaufbau schon die Devise: Weniger ist mehr...
Liebe Grüße, Dennis
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Dennis Köhn

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