Temperaturmessung mit PT100 - wo ist der theoretische Fehler?

Am Fri, 22 Feb 2013 08:44:51 +0100 schrieb Edzard Egberts:

Z.B. mit dieser einfachen Brücke. Es reicht aber auch ein einfacher Vorwiderstand und ein zweiter A/D Wandler Kanal, mit dem man zusätzlich die Spannung über beiden misst. Der Rest ist dann Software.

Ein Sensor, der sich nur mit 0,3 Ohm pro Grad ändert, stellt schon andere Anforderungen z.B. an die Zuleitung, eventuelle Steckverbinder usw. und will auch vom zehnfachen Strom durchflossen werden damit sich eine identische Spannungsänderung ergibt als bei dem Sensor mit 3 Ohm Änderung pro Grad.

Lutz

Am Fri, 22 Feb 2013 08:52:43 +0100 schrieb Lutz Schulze:

Zur Ergänzung:

Bei 1 mA Strom durch den Sensor hast du dann pro K eine Änderung von ca. 3 mV über dem Sensor. Eigenerwärmung findet dann mit 1 mW Leistung statt, ggf. könnte man das noch takten.

Mit einem 16-Bit A/D Wandler, von dem du ohne grössere Probleme 12 Bit stabil nutzen kannst, hättest du bei einer Referenz von 5 Volt und 4096 Schritten eine Auflösung von ca. 1/3K. Die Spannung über den zwei Widerständen kannst du auch gleich als Referenz verwenden, das erspart messen mit einem zweiten Kanal und einrechnen von Schwankungen.

Mit dem Pt100 (0,3 Ohm Änderung) wird das etwas schwieriger.

Lutz

Oliver Betz schrieb:

Für mich erscheint diese Dimensionierung magisch aus dem Nichts und ich kann auch nicht erkennen, welcher Temperatur- und Ausgangsspannungsbereich sich ergibt.

Da sind also einige Gleichungen, wie man R(T) möglichst gut berechnet, aber wie ergibt sich daraus Schaltung und Dimensionierung.

Hast Du irgend eine Inselbegabung, oder könnte ich das auch nachvollziehen?

"Edzard Egberts" schrieb im Newsbeitrag news:kg75od$rrc$ snipped-for-privacy@news.albasani.net...

Dann ist dort dein Fehler.

-- Manfred Winterhoff, reply-to invalid, use mawin at gmx dot net homepage:

"Lutz Schulze" schrieb im Newsbeitrag news:f9tzj2pxotav$. snipped-for-privacy@40tude.net...

Was für ein Trugschluss. Auch der hat 0.39% pro GradC.

Er sollte nur von 1/10 des Stromes durchflossen werden, ist also bei Batterianwendungen besser, wird aber leichter gestört.

Edzard Egberts schrieb:

Der Fehler liegt einfach darin, dass 15000 Ohm nicht 16429 Ohm sind und der Verstärkungsfaktor 163 zu weit von 179 entfernt ist. Nach oben passt das, bei den niedrigen Temperaturen dagegen findet sich eine "Bereichserweiterung" wegen der geringeren Verstärkung.

Na ja, dann korrigiere ich das jetzt mal auf einen Ausschlag von 5V statt 12V, vielleicht passen die Widerstände dann ja besser...

Und dann auch mit genaueren PT100-Funktionen rechnen, denn die empfohlene positive Mitkopplung zur Linearisierung erscheint im Moment sinnlos - kein Wunder, wenn ich die Temperatur mit einer linearen Näherung ermittele. Anders gesagt, diesen Widerstand will ich jetzt auch noch dimensionieren können. ;o)

Edzard Egberts schrieb:

auf der Insel wohnen schon noch ein paar weitere Leute.

per Getippe zu erklären ist mir das zu aufwendig, Stift und Papier sind hilfreich. Wenn Du mal in München bist...

Servus

Oliver

Am 22.02.13 08.42, schrieb Edzard Egberts:

rein algebraisch.

Dann ists ja gut - wo ist das Problem?

Es ist und bleibt natürlich eine Ausschlagbrücke, die prinzipbedingt nichtlinear ist. Das ist einer der Gründe, warum man das so nicht so gerne macht.

Es ist nur dann kompliziert, wenn man es sich so kompliziert macht...

V.

Am 22.02.13 07.53, schrieb Oliver Betz:

In der Prozesstechnik sind 80% aller Sensoen Temperatursensoren. Die Temperatur ist die meisthäufig gemessene Prozessgröße. Der Großteil dieser Messstellen findet sich in "schmutzigen" Umgebungen. Die analogen Frontends, die dort eingesetzt werden (und ja auch einmal von jemandem entwickelt wurden), sind deutlich aufwendiger als ein OpAmp und 4 Widerstände - aus gutem Grund.

Eine Minimallösung, die vielleicht in einem Handheld-Thermometer für

V.

Volker Staben schrieb:

Prozesstechnik ist nur eine Teilmenge von Industrie.

Und es gibt Maschinen / Geräte..., die in der Industrie verwendet werden, darin Temperatursensoren. Duchaus kein Verbrauchergeraffel, das "spinnt, wenn daneben das Schweißgerät angeworfen wird".

Servus

Oliver

Am 23.02.13 10.53, schrieb Oliver Betz:

eben - warum wohl?

Grüße, V.

Volker Staben schrieb:

Meine Messung wich unerwartet stark von den theoretisch erwarteten Werten ab. Wie schon erwähnt lag das einfach nur daran, dass ich die "Dimensionierungstoleranz" der Schaltung stark überschätzt habe. Inzwischen habe ich auch herausgefunden, dass man einen gewünschten Bereich selbst mit 0.1%-Widerständen nur mäßig exakt trifft.

Ich habe schon darüber nachgedacht, ob die Schaltung irgendwie zu retten ist, aber genau wie Du schreibst, scheint das Problem im Messprinzip zu liegen. Ich kann zwar die Schaltungsteile mit zusätzlichen OpAmps noch entkoppeln, die grundlegenden Probleme (Abhängigkeit von der Referenzspannung und sehr schmale Dimensionierung z.B. bei der Verstärkung) bleiben IMHO aber erhalten.

Ein anderer Weg scheint zu sein, den PT100 an eine Stromquelle zu hängen, aber um die Verstärkung kleiner Differenzen kommt man nicht herum.

Also als Software sind das nur ein paar Zeilen, ärgerlich wird es nur, wenn man das mehrfach von Hand nachrechnet.

Aber die naheliegende Frage ist jetzt natürlich, wie geht es denn einfacher und besser? Den PT100 brauche ich, weil mir die Langzeitstabilität wichtig ist - der absolute Wert braucht nicht zu stimmen, soll aber reproduzierbar sein.

Gibt es da fertige Lösungen die mir einen Stapel an 0,1%-Widerständen ersparen, oder sollte ich einfach einen Instrumentenverstärker nehmen (z.B. Ina2126, die Single-Version)? Oder eine andere und bessere Schaltung?

Am Sat, 23 Feb 2013 13:39:13 +0100 schrieb Edzard Egberts :

Du könntest einen Pt1000 benutzen, dann fallen die Spannungsunterschiede 10-fach größer aus. Der darf natürlich nur mit geringeren Strömen beschickt werden, damit die Eigenerwärmung klein bleibt. Und auf die R-Toleranzen wirkt es sich eher nicht aus.

Aber dann vielleicht diesen (unreflektierten) Vorschlag überdenken:

From: Michael Wieser Newsgroups: de.sci.electronics Subject: Re: µC in Kaffeemaschine?! Date: Thu, 27 Dec 2012 09:53:58 +0100 Message-ID:

...

Oder PT100: ein geschickt genutzter 8pin-uC und ein paar Widerstände sind deutlich günstiger als so manches Analogzeugs, Linearisierung inklusive (Puls mit 10uS bei ~10mA alle 5s ergibt ein brauchbares Signal ohne nachteilige Eigenerwärmung)

Grüße

- Michael Wieser

Marc

Am 23.02.13 13.39, schrieb Edzard Egberts:

Wie die Ausgangsspannung auf Abweichungen von den Nominalwerten der Widerstände reagiert, lässt sich ja mit einer Sensitivitätsanalyse (aka partielle Ableitungen) recht einfach herausfinden.

Vielleicht war auch nur Deine theoretische Erwartung falsch? Wegen der Nichtlinearität der Brücke resp. des Spannungsteilers hast Du ja auf jeden Fall ca. 20% Änderung der Empfindlichkeit über den gesamten Temperaturbereich drin, die Du mit Deiner Annahme eines konstanten Stroms durch den Pt-100 vernachlässigst.

Damit wirst Du zumindest diese Nichtlinearität los.

Ansonsten ist Dein Weg natürlich gangbar, wenn Du mit den sonstigen Eigenschaften der Simpelst-Schaltung klarkommst. Man muss es dann aber auch nur mit der Kompliziertheit (wegen der Verkopplung von Verstärkung und Offset) cool zu Ende fahren.

Gruß, V.

Am 23.02.13 13.39, schrieb Edzard Egberts:

Es gibt natürlich Alternativen out of the box. Kommt so etwas wie das

in Frage? Oder ein direkter Anschluss eines Pt-100 an einen A/D-Wandler wie hier?

Auch mit einem Pt-1000 wirds einfacher bei gleicher Eigenwerwärmung. Die Pt-1000 sind natürlich nicht so eng toleriert wie ein 1/20 DIN-B Pt-100er, was ja aber für die Reproduzierbarkeit egal ist...

Ansonsten sind die durchaus "üppigen" Signale bei Pt-100 eigentlich nicht wirklich ein Problem.

V.

Edzard Egberts schrieb:

Eine kleine Hilfe geht doch einfach per Tastatur zu beschreiben:

Erster Anhaltspunkt: Verwende Vereinfachungen, löse Teilaufgaben.

Zum Beispiel kannst Du R2 und R3 durch deren Parallelschaltung ersetzen, also wie einen einzelnen Widerstand 1k||39K an einer Ersatzspannung Vref/(1+R2/R3) behandeln.

Jetzt ändere ich den Bezugspunkt auf den Knoten mit Pt100 und "-in" und betrachte damit einen invertierenden Verstärker.

Vref kann für diese Betrachtung 0 sein.

Die Verstärkung dieses invertierenden Verstärkers ist dann:

-K = R5/(R3||R2) = 27/(1/(1/1+1/39)) = 27,69

Ich habe die verschachtelten Klammern absichtlich nicht aufgelöst, damit Du die Herleitung siehst.

Also keine seitenlangen fehlerträchtigen Terme, alles ganz einfach.

Damit erscheint der Leitwert von R4 um diesen Wert verstärkt am Pt100, Leitwert verstärkt bedeutet Widerstand reduziert, -3,864kOhm. Ja, negativer Widerstand, um R1 zu kompensieren.

Der resultierende (differentielle) Widerstand am Pt100 ist damit sehr hoch, wie es sich für eine "Konstantstromquelle" gehört.

Die Dimensionierung auf meiner Website war die beste Kompensation, die ich mit Lagerwerten fand: Präzise E12 für R1/R2/R3/R5 und ein einfacherer E96 für R4 (der ist nicht so kritisch bzgl. Genauigkeit).

Ohne verschobenen Bezugspunkt hast Du einen nichtinvertierenden Verstärker, es ändern sich gleichzeitig beide Potentiale an R4 und alles wird komplizierter (finde ich). Durch geschickte Wahl der Betrachtungsweise kann man sich also Arbeit sparen.

Für den Nullpunkt setze z.B. für den Pt100 0Ohm ein. Die Vereinfachung "R2||R3" verwendest Du weiterhin. Jetzt kannst Du ganz einfach nacheinander die Ausgangsspannung U und die Ströme in R1 und R4 berechnen. Wieder keine seitenlangen Terme.

Eine DIN A5 Seite könnte reichen.

So, hoffentlich habe ich da jetzt keinen kapitalen Fehler drin, die Schaltung ist zwanzig Jahre alt und ich habe das nur kurz zusammengeschrieben.

Servus

Oliver

Volker Staben schrieb:

Nein, ich möchte den Sensor nicht ändern, der passt genau in den Kühlkörper und hat noch andere Vorteile, z.B. relativ hoher Strom (ich mag's brachial). Fertige Digitale Sensoren (z.B. 18S20) habe ich im Betrieb, aber die erfordern auch wieder eine bestimmte Art von Aufwand.

Nein, ich möchte den vorhandenen AD-Wandler verwenden, der hat aber nur einen auf Masse referenzierten Eingang, keinen Differenzeingang, wie das Beispiel. Ich dachte da eher an ein Interface PT100 -> Ausgangsspannung von 0..U.

Denke ich auch und die Sache mit der Linearität ist durch den Mitkopplungwiderstand beeinflussbar, bzw. auch noch durch Software lösbar. Ich finde die 0.1%-Widerstände zwar ärgerlich und will mir die Schaltungstoleranzen noch genauer ansehen, aber die Schaltung ist für meine Zwecke wahrscheinlich ausreichend. Sie erfüllt immerhin schon den Zweck, überhaupt etwas messen zu können. ;o)

Ich hatte vorher eine Schaltung, die völliger Murks war, und wollte die neue Leiterplatte erst freigeben, wenn alles funktioniert und ich auch weiß, warum. Den Mittkopplungswiderstand habe ich noch reingefrickelt... :o)

Am 23.02.13 19.18, schrieb Edzard Egberts:

Dann musst Du wohl da durch...

V.

Volker Staben schrieb:

Das Leben ist eines der Härtesten!