Pt-RTD, Schaltung zur Kompensation des Leitungswiderstandes?

[LotadaC]

Hallo, habe mal wieder ein paar Fragen...

Ziel ist es, einen Pt1000 und einen LTC2400 zur Temperaturmessung zu verwenden. Die Application erlaubt mir 3Wire PT's. Auf der Suche nach einer geeigneten Schaltung zur Kompensation des Leitungswiderstandes bin ich auf diese Application-Note gestossen (genau genommen auf Figure6 auf Seite 7).

Wie verstehe ich sie (als NichtElektroniker)?
-U1B, U1C, U1D bilden zusammen mit der Spannungsreferenz eine (konstante) Stromquelle (Strom wird durch U1D "geliefert"), der Strom beträgt U_Vref/R18
-am Ausgang von U1A liegt der doppelte Spannungsabfall von R_LOOP2 an (ausgehend von R_LOOP1=R_LOOP2 also R_LOOP1+R_LOOP2)
-am Ausgang von U2B liegt der Spannungsabfall durch den PT (R6) und die beiden Leitungen an
-am Ausgang von U2A liegt die Differenz der beiden anderen Ausgänge an, also lediglich der Spannungsabfall durch den Pt, den ich direkt auf den LTC2400 legen könnte.
soweit richtig verstanden?

Aber folgenden Punkt verstehe ich im Datenblatt nicht:

Use a V− of 1V or more. This is required because when
measuring the voltage drop across the loop resistance, the
voltage is too close to GND to actually have GND as the
V− rail.

Punkt 8.0 direkt darunter.
Kann mir irgendwer das mal erklären? Ich hätte es eher andersrum vermutet. Die OPAMPs können ja ihren Ausgang nur im Bereich der beiden Versorgungsspannungen ... äh ... regeln(?), und auch da nicht im ganzen Bereich. Aufgrund des erwartungsgemäß geringen Spannungsabfalles über der R_LOOP sollte U1A am Ausgang nahezu 0V annehmen. Und das kann er bei Gnd=V- wegen dem oben gesagten eben nicht. Aber warum soll ich deswegen V- mit mehr als 1V versorgen? Ich müßte doch eher deutlich unter 0V gehen.

 

[dino03]

Hi,

Die Application erlaubt mir 3Wire PT's. Auf der Suche nach einer geeigneten Schaltung zur Kompensation des Leitungswiderstandes bin ich auf diese Application-Note gestossen (genau genommen auf Figure6 auf Seite 7).

Wie verstehe ich sie (als NichtElektroniker)?

tja ... wegen der Signale ... alle OPAmps sind mit +/- Versorgungsspannung. Also können die wunderbar um den Nullpunkt arbeiten. Sieht man an den V+/V- Anhängen über und unter den OPAmps.

Ne Vierleitermessung wäre natürlich am schönsten und einfachsten. Wegen den Problemen bei kleinen Widerständen nehme ich zB keine PT100 sondern PT1000 Sensoren (man ist ja faul )

Also der U1A mißt den Spannungsabfall auf einer Zuleitungsader. U2B mißt den ganzen Kram. Wenn man jetzt 2x den Spannungsabfall der Ader vom Gesamtkram abzieht dann sollte der Spannungsabfall am PT1000-Sensor übrigbleiben. Wobei das bei kurzen Leitungslängen eigentlich totaler Overkill ist (OK ... meine Meinung). Das kann man auch halbwegs durch ne Kalibrierung hinbekommen (muß man bei analogen Sensoren sowieso).

Das ganze Geraffel aus den vier Bausteinen in der unteren Hälfte sieht nach ner Stromquelle aus. Man haben die da auf die Ka...e gehauen Wollen die den Absatz von ICs steigern ? Naja ... ok. Ne Konstantstromquelle brauchst du auf jeden Fall. Aber da gibts auch bestimmt einfachere Schaltungen. Es gibt extra Referenz-Stromquellen. Die sind bestimmt auch nicht teurer als das ganze Gedöns und sparen ne Menge Platinenplatz.

Aber naja ... kommt immer drauf an ob man auf Micrograd genau die Temperatur messen will

Gruß
Dino

 

[LotadaC]

Ich interpretiere das jetzt mal als "ja, Schaltung richtig verstanden" und als "Ok, da ist die Note falsch/schlecht formuliert - Deine Vermutung ist richtig."

Zu den Versorgungsspannungen: Der µC wird mit Trafo->Gleichrichter->Linearregler (mit Pufferelkos und Kerko) versorgt. Vor A_Vcc dann noch'n Tiefpaß (10µH, 100nF (Kerko)), obwohl ich den ADC (bisher) nicht verwende. A_Vcc würde ich (über einen 2ten Tiefpaß?) auch als Referenz für den LTC nehmen wollen (oder ziehen die Induktivitäten zuviel Spannung (Voltage drop)?)
Für die negativen Spannung(en) der OPAMPs dann eben 'n negativen Linearregler. Muß ich da auch noch "filtern"? Und wo am besten V+ (für die OPAMPs) abgreifen? Strom durch den Loop wären ja nur ca 2mA.

Klar wären 4 Wires besser, aber ich krieg von dem Strang nur 3. Letztendlich ist die Schaltung auf 'n Pt1000 ausgelegt - mit Verzicht auf (viel) Genauigkeit läuft die aber (ohne Anderungen) auch mit'nem Pt100. Was sie da drannklemmen ist mir egal (ok, die SW in µC muß es können).

Ich will nicht unbedingt exakte µK, aber letztendlich soll auf mindestens 1/10tel Kelvin konstant temperiert werden können. Also brauch ich für den PID was deutlich genaueres als 1/10tel Kelvin. (Die absolute Temperatur ist dabei gar nicht so kritisch.)

Edit: Die Chips sind bereits (3fach) als Samples geordert worden...

 

[dino03]

Hi,

Ich interpretiere das jetzt mal als "ja, Schaltung richtig verstanden" und als "Ok, da ist die Note falsch/schlecht formuliert - Deine Vermutung ist richtig."

sagen wir mal ... ich war zu faul es komplett durchzulesen und hab es einfach nochmal mit meinen Worten erklärt Fürs durchlesen war der Kopf zum Feierabend etwas leer.

Zu den Versorgungsspannungen: Der µC wird mit Trafo->Gleichrichter->Linearregler (mit Pufferelkos und Kerko) versorgt. Vor A_Vcc dann noch'n Tiefpaß (10µH, 100nF (Kerko)), obwohl ich den ADC (bisher) nicht verwende. A_Vcc würde ich (über einen 2ten Tiefpaß?) auch als Referenz für den LTC nehmen wollen (oder ziehen die Induktivitäten zuviel Spannung (Voltage drop)?)

Warum machst du dir den Aufwand mit der Kompensation der Leitung wenn du dann nen Schotflinten-Referenz verwendest. AVcc ist die Betriebsspannung des AD-Wandlers und eines Ports des Mega8. Dann hol dir wenigstens die interne Referenz des Mega8 am Aref über nen Impedanzwandler ab (Referenz-Multiplexer im Mega8 richtig einstellen). Oder wenn man extern für die Referenz schon nen OPAmp als Impedanzwandler spendiert kann man auch gleich ne externe supersaubere Referenzquelle verwenden.

Für die negativen Spannung(en) der OPAMPs dann eben 'n negativen Linearregler. Muß ich da auch noch "filtern"? Und wo am besten V+ (für die OPAMPs) abgreifen? Strom durch den Loop wären ja nur ca 2mA.

Also es gibt mehrere Möglichkeiten der Versorgung ...

1. Lösung ...
- Linearregler für +5V (Vcc).
- Von Vcc über 10µH und 100nF an AVcc des Mega8.
- Von Vcc über nen weiteren 10µH und 100nF+47µF an V+ der OPAmps.
- Linearregler für -5V (V-) der OPAmps. Da hier kein Digitalkram dranhängt braucht man keine Drossel.

2. Lösung ...
- Linearregler für +5V (Vcc).
- Von Vcc über 10µH und 100nF an AVcc des Mega8.
- Linearregler für +5V (V+) der OPAmps. Da hier kein Digitalkram dranhängt braucht man keine Drossel.
- Linearregler für -5V (V-) der OPAmps. Da hier kein Digitalkram dranhängt braucht man keine Drossel.

Die Drossel brauchst du in den Versorgungswegen wo du Störungen abblocken mußt weil die Versorgungsziele sonst rumzicken würden.

Klar wären 4 Wires besser, aber ich krieg von dem Strang nur 3. Letztendlich ist die Schaltung auf 'n Pt1000 ausgelegt - mit Verzicht auf (viel) Genauigkeit läuft die aber (ohne Anderungen) auch mit'nem Pt100. Was sie da drannklemmen ist mir egal (ok, die SW in µC muß es können).

Wenn es auf Genauigkeit ankommt würde ich auf jeden Fall ne externe Spannungsreferenz für den ADC verwenden. Kannst du doch von der Referenz abzwacken die du auch für den Konstantstrom verwendest.

Ich will nicht unbedingt exakte µK, aber letztendlich soll auf mindestens 1/10tel Kelvin konstant temperiert werden können. Also brauch ich für den PID was deutlich genaueres als 1/10tel Kelvin. (Die absolute Temperatur ist dabei gar nicht so kritisch.)

Edit: Die Chips sind bereits (3fach) als Samples geordert worden...

OK ... externe Referenz und nen eigenenen Linearregler für V+ der OPAmps. Streu ruhig nen paar mehr 100nF Keramiks bei der Versorgungsspannung rein. Das hilft dir bei der Vernichtung von HF-Störungen. Wenn es nicht auf Geschwindigkeit ankommt würde ich auch beim ADC-Eingang evtl noch nen 47pF oder 100pF zum GND setzen um gleich mal HF am Eingang wegzublocken. 10pF oder 22pF parallel zu den Rückkoppelwiderständen bei den OPAmps drehen dir die Verstärkung im HF-Bereich auch in den Keller und er arbeitet nur im gewünschten Frequenzbereich mit der berechneten höheren Verstärkung. Die GND-Leitungen vom Analog und Digitalteil mußt du sauber als Stern beim Netzteil (Linearregler) zusammenführen.

EDIT: mal grad überschlagen ...
PT1000-Sensor ... 0°C 1000ohm ... 50°C 1194ohm ... 3,88ohm/°C
=> 0,388ohm/0,1°C ... bei 2mA ... => 0,776mV/0,1°C Änderung. :to_pick_ones_nose:
Da ist ein sauberes Design angesagt und ich würde den Meßverstärker so auslegen das man den interessanten Bereich auf den Arbeitsbereich des ADCs anpaßt um die volle Auflösung zu verwenden. Der ADC hat 24Bit-Auflösung. Wenn du die Schaltung nicht sauber aufbaust und die Signalführungen mit GND-Leitungen umgibst um Störungen abzuhalten und sowas alles, dann verschwinden die Hälfte der Bits des ADCs im statistischen Rauschen. Abschirmen würd ich den ganzen Kram auch und evtl sogar nen Blech zwischen Analog und Digitalteil unter dem du nur die Steuerleitungen des ADCs durchführst. Platine doppelseitig mit viel Massefläche ausführen. Das Netzteil würde ich auch mit zwei getrennten Trafos (eins für Analog und eins für Digitalteil) aufbauen um eine HF-Einstreuung vom Mega8 durch kapazitive Kopplung der Trafowicklungen gleich von vorneweg zu unterbinden. GND trotzdem zusammenführen und am Abschirmblech anlöten. Na denn mal viel Spaß ... Ich habe mit der hohen Auflösung noch nichts zu tun gehabt. Kann sein das aus Vorsicht meine Tips jetzt totaler Overkill sind. Nach dem was ich gelesen habe wird das Design bei so einer Auflösung allerdings schon recht "frickelig". Würde mich interessieren wie sich das entwickelt. Berichte mal weiter ...

Gruß
Dino

 

[LotadaC]

Hab jetzt leider nicht viel Zeit zu antworten, werd den Beitrag sicher noch ein paar mal vorkramen...
Die Idee, die interne Referenz des des µC anzuzapfen ist nicht schlecht (generell - hier wirds vllt nicht reichen). Danke auch für die Hinweise wegen der Filterung uns so (insbesondere wegen der Werte).
Daran, die Referenz aus dem Analogteil auch für den (externen ADC) zu nehmen, ABER der abzudeckende Temperaturbereich ist von -200 bis +300 °C. Wenn ich die Verwendung von Pt100 zulasse (vllt kann ich sie ja noch überzeugen), sind das "unten" dann ca 0,04V, beim Pt1000 "oben" ca 4,3V...

Das ganze Projekt wird sich sicher noch 'ne ganze Weile hinziehen, und natürlich werd' ich mir hier darüber berichten (schon allein wegen Hilfe/Tips/Anrregungen/Warnungen...) - vorher sind eh noch ...äh... organisatorische zu klären.

Achso, der Mega hat dann 3 PWM am laufen (Phasenanschnittsdimmer - hatte schonmal irgendwo hier dazu was gepostet). -> getrennte Trafos und so...
Und ich hätte eigentlich an 'ne 2te Platine für den Analogkram gedacht, die dann nur durch die SPI (incl SlaveSelect) und natürlich Gnd verbunden werden (Deine Empfehlung ist, Gnd hinter den Linearreglern (und vor der Filterung?) zu verbinden, und dann nicht im SPI-Strang mitzuführen, oder wie?
Beim ADC des Mega hatte ich bisher immer den üblichen Tiefpaß bei Vcc/AVcc, Gnd und AGnd-Flächen dann mit'ner ca 1mm Kupferbahn verbunden.

Die ganze Geschichte ist, wie gesagt noch (lange) in der Planung...
Danke aber schonmal bis hierher

 

[LotadaC]

Und noch eine generelle Frage dazu: Der LTC läuft mit einem intern erzeugten Takt von ca 150kHz. Ich würde den aber lieber schneller laufen lassen. Bis 300 kHz sind möglich. Die könnte ich entweder mittels 555er etc generieren lassen, oder durch einen freien Timer des mega88. Allerdings wäre dann eine weitere Störquelle da. Was wäre besser?

 

[LotadaC]

einige neue Fragen zu OPAMPs

Hallo nochmal,

es haben sich einige Rahmenbedingungen geändert, insbesondere bekomme ich 4 wires und eine symmetrische +/-12V Stromversorgung.
-Wenn ich eine Konstantstromquelle ähnlich der application note realisiere, sollte ich den Spannungsabfall am Pt1000 also ganz gut über einen Instrumentenverstärker (AD620) an den ADC weiterleiten können (meine max 300°C wären dann irgendwo knapp unter 5V). Verstärkung wäre in dem Fall 1 (R gegen unendlich = offen). Wenn ich einen Pt100 verwenden will, müßte ich einfach einen Widerstand für Verstärkung=10 an den AD620 klemmen, korrekt?
-Gibt es irgendeine ordentliche Möglichkeit, den Widerstand digital "ein und auszuschalten" (also ohne Veränderung des Wertes)?
-Wenn man jetzt einen Pt100 ohne eingeschalteter Verstärkung verwendet, bekommt man nur falsch niedrige Temperaturen, andersrum (bzw bei fehlendem Pt) stellen sich aber am Ausgang des AD620 ca 12V ein, korrekt? Was definitiv nicht gut für den ADC sein sollte.
-Kann ich den Ausgang des AD620 verzerrungsfrei begrenzen? ZB mit einem 10k Widerstand und einer Zenerdiode gegen Gnd?

Dann hätte ich vielleicht noch vor, zusätzlich zum Pt die Möglichkeit anzubieten, ein Thermoelement als Sensor zu verwenden. Der liefert aber bei negativen Temperaturen eine negative Spannung (insgesamt liegt das deltaU jedoch bei ca 5V).
-Kann ich die Thermo-Spannung irgendwie analog um die nötigen ca. 1,3V "hochschieben"?

Danke
LotadaC

(P.S.: ist das erste mal, daß ich mich mit OPAMPs beschäftige)