Archiv verlassen und diese Seite im Standarddesign anzeigen : Hilfe zu Meßwertverstärker für PT100
Ich habe eine Wheatstonebrückenschaltung mit dem LM324 wie folgt aufgebaut und bekomme keine brauchbare Verstärkung am Ausgang.
Die Schaltung liegt an einer 12V Spannungsversorgung meines zum Labornetzteil umgebauten PC-Netzteiles. Die ""+"-Eingänge der ersten zwei OP´s werden jeweils von einem Spannungsteiler versorgt. Am einen Spannungsteiler habe ich einen 10KR Widerstand und den Poti mit 100 R für den Abgleich und am anderen 12kR (=> 1mA) und den PT100 Temperaturmeßsensor.
Die Ausgänge der beiden OP`s werden über jeweils einen 220KR Widerstand an die "-"-Eingänge Rückgekoppelt. Der 2KR Poti für die Einstellung der Verstärkung am Subtrahierer ist zwischen die beiden "-"-Eingänge gelegt.
Der Ausgang des OP`s, der mit dem Spannungsteiler mit PT100 am Eingang, ist über einen Spannungsteiler mit je 1x 10kR mit dem "+"-Eingang der 3. OP`s verbunden und der Spannungsteiler mit Erde.
Der Ausgang des 2. OP´s ebenfalls über einen 10KR Spannungsteiler mit dem "-"-Eingang des 3. OP´s und statt mit GND mit dem Ausgang des 3. Op´s verbunden, also der 3. OP der eigentliche Subtrahierer.
Die Schaltung ist auf einer Lochrasterplatine aufgebaut, die 4 10KR sind normale 10K Widerstände so selektiert das nur kleine Differenzen der Widestandswerte vorhanden sind!
Nachdem die Schaltung keine brauchbare Verstärkung bewirkte haben wir mit dem PT100 auf Raumtemperatur den Abgleich so eingestellt das zwischen den beiden "+"-Eingängen der ersten 2 OP´s 10mV anliegen. bei Messung der Spannung zwischen den Ausgängen der ersten 2 OP´s haben wir 246mV gemessen, am Eingang zum 3.OP 129mV wie zu erwarten. Zwischen dem Ausgang des 3.OP´s und GND lagen nur 24mV an! Und zwar fast unverändert egal wie ich den 2K-Poti der die Verstärkung einstellbar machen soll auch verändere!
Was verstehe ich falsch, was mache ich falsch, was ist die Ursache!
Sorry, bei der komplizierten Beschreibung verlier' ich die Lust am Lesen. Ein Bild sagt mehr als tausend Worte!!!
Anscheinend willst Du einen Instrumentationsverstärker aufbauen, richtig?
Dann benötigst Du eine spezielle Schaltung, wenn DU einen SingleSupplyOP wie den LM324 nutzen willst und ich kann nicht erkennen, ob Du das tust. Die "Standardschaltung funktioniert dann nicht!
Vielleicht hilft das ja schon...
Gruß
Hier das Bild:
http://farm4.static.flickr.com/3100/2918562395_676285f1b5.jpg?v=0
Besserwessi
06.10.2008, 19:55
Das Problem ist, das die OPs keine negativen Spannungen erzeugen können. Durch die Spannungsteiler am Eingang gibt das nur etwas 1/100 der Versorgunsspannung als etwa 0,12 V. Die ersten 2 OPs sollen die Differenz dann über 200 mal Verstärken, einmal positiv und einmal negativ. Dabei müßte der eine dann unter 0 V gehen, was aber neicht geht. Ducht die Kopplung gibt der 2 te OP dann auch nur soviel aus wie der erste. daduch kommen die 2 mal 0,12 V = 240 mV (gemessen 246 mV) als maximale Ausgangsspannung. Den 3 ten OP habe ich allerdings so nicht verstanden, da kann es aber auch ähnliche Probleme geben.
Als Abhilfe könnte man in Serie zu der ganzen Brücke an der GND-Seite noch mal ca. 1 K schalten. Damit hat man im Ruhzustand ca. 2,2 V am Ausgang der erste 2 OPs und damit kaum Probleme. Beim 3 ten OP hat man dann erst probleme wenn die Ausgangsspannung negativ werden soll.
Normale potie haben oft einen ziehmlich großen Temperaturkoeffizienten. Wenn es nicht unbedingt sein muß, sollte man so wenig wie möglich die Potis benutzen. Der Ohm Poti hat dazu noch Probleme mit dem Schleifer kontakt. Alternativ Drahtpoties (teuer und zum Teil hakig) oder Schaltung so ändern, das der Tk des Potis weniger Einfluß hat. Bei der Spannungseinstellung (100 Ohm poti in der Beschreibung) geht das recht gut: die 100 Ohm als Festwiederstand nehmen, einen 3 ten Brückenzweig durch einen ca. 1 K Poti wählen, und den über etwa 100 K an die Feste Brücke koppeln. So kann man die Spannung um etwa 10 % ändern, hat aber nur wenig Einfluß durch den TK des Potis.
Diese Schaltung ist mein erster Sprung in die Analogtechnik. Ich habe die Schaltung über google gefunden und eingesetzt da dort der pt100 explizit aufgeführt ist. Ich gebe zu das ich besserwessis Beitrag nicht wirklich verstehe! Die gleiche Schaltung habe ich auch im Buch "Halbleiter-Schaltungstechnik von U.Tietze und Ch.Schenk" auf Seite 667, 25.1.2 "Messung von Potentialdifferenzen" gefunden, dort alledings ohne Nennung des IC´s mit den OP´s. Um nach "Gock" zu gehen, ein Bild würde es mir leichter machen es zu verstehen, oder wenn man mir eine alternative Schaltung empfehlen könnte. Die Schaltung soll dazu dienen die Temperaturinfo in den Regelkreis meines Pizzaofen-reflow-ofens einzubringen.
Ja, hab ich mir gedacht, das ist die Standardschaltung.
Entweder Du vertauschtest beim LM324 die beiden Supplys, oder Du modifiziert die Schaltung.
Oder aber, und dazu ist bei entsprechenden Anforderungen an die Genauigkeit ohnehin zu raten, Du benutzt einen monolithischen Instrumentationsverstärker, zB einen aus der INA Reihe von BurrBrown. Dummerweise sind die Dinger recht teuer, so 8-15€.
Eine mögliche Schaltung wäre die folgende...
Gruß
Edit: Hab auch wieder den Link zum Bild gefunden: http://www.intersil.com/pinPOINT/images/Precision_Article.pdf
Hier ist noch was:
http://instruct1.cit.cornell.edu/courses/bionb440/datasheets/SingleSupply.pdf
Neue Info zu besserwessis Beitrag von einem Freund der leider keinen Internetzugang hat. Hier zur Info geschrieben.
Über den R3 Poti werden die beiden Spannungsteiler so eingestellt das an den beiden "+"-Eingängen der ersten zwei OPs die Gleiche Spannung zu GND bei z.B. Raumtemperatur am PT100 anliegt. Ändert sich nun der Widerstand des pt100 durch die Erwärmung des Ofens, so entsteht zwischen den Eingängen der beiden ersten OP`s eine Potentialdifferenz.
Der 3. OPs verstärkt nun, über den Poti R5 die Verstärkung eingestellt, als Subtrahierer, diese Potentialdifferenz und erzeugt damit proportional zu dieser Potentialdifferenz z.B. eine Spannung zwischen 0 und 10V. Dadurch das man mit dem Poti R3 die beiden Spannungsteiler ausgleicht kann man das Fenster bestimmen. Ist deltaU zwischen den beiden Eingängen der ersten 2 OP´s 0V so ist Ua auch 0V. Der 3. Op ist ein Subtrahierer. Mein Problem ist das Ua über R5 nicht regeln kann! In der Literatur nennt sich die Schaltung auch mit diesem LM324 "Instrumentation Amplifier"!
Ups, ihr wart schon aktiv während ich meinen Beitrag schrieb. Werde eure beiden pdfs studieren. Danke
Ich bin nicht ganz sicher, ob Du verstehst, was wir meinen:
Der LM324 ist ein SingleSupply OP. D.h. er bekommt als Versorgung +V und GND und kann keine neg. Spannungen verstärken.
Das ist nicht üblich und nicht für jede Schaltung geegnet und um Deine zu benutzen braucht man eventuell DualSupplyOPs, die bekommen +V und -V, also zB +12V, -12V und kein GND.
Jetzt verständlicher?
Gruß
Also, ich habe beide Dokumente studiert und für meinen Fall ist das Dokument von Texas Instruments, siehe link von Gock das geeignetere. In dem Dokument steht was zum Widerspruch von Gocks Aussage im letzten Betrag steht. Es geht hier um den Einsatz von OP´s in "Single Supply Systems" und mit DC Spannungen. Siehe 2.6 Instrumentation Amplifier und dort im wesentlichen entspricht Figure 10 meiner Schaltung. Das pdf von Intersil bespricht auch das "single supply sistem". Hiert ist GND equivalent zu V- und konzeptionell wird von einem virtuellen GND bei +Vcc/2. Auch kann ich in meiner Schaltung garantieren das die Spannungan den beiden OP Eingängen nur mit einem Vorzeichen behaftet ist.
Wenn ich es richtig lese, so dürfte mein Problem zum größten Teil an den schlecht gematchten Widerständen liegen. Monolitische Implementationen der Schaltung aus Figure könnten da eine Lösung sein! (welches Bauteil woher beziehen?) In dem pdf von Intersil wird es am Beispiel mit Widerständen mit 0,01% Toleranz besprochen.
Frage was genau ist "CMRR"? "common mode rejection ratio"?
Stimmts was ich meine gelesen zu haben?
Also einen Widerspruch sehe ich im Moment nicht, aber folgendes:
Du sagst, dass die Eingänge beider OPs das gleiche Vorzeichen besitzen. Aber das ist nicht unbedingt genug. Die Spannung von Pin 12 zu Pin 10 muss positiv sein! Ansonsten geht es nicht mit den Single Supplys. Das ist aber bei PT100 nicht immer gegeben, daher meine Einwände.
Wenn Ihr wirklich von Pin 12 nach Pin 10 eine pos Spannung messt, dann solltet Ihr dringend die Verkabelung prüfen oder den OP tauschen.
Ansonsten mal R3 erhöhen.
Gute Nacht erstmal,
Gruß
CMRR: Ist ein Maß für die Unabhängikeit der Ausgangsspannung von der Offsetspannung der Differenzspannung, die verstärkt werden soll.
BSP: Ideal: 15-14V=1V und 2-1V=1V --> Gleichspannung hat keinen Einfluss.
Das ist nicht immer so bei OPs.
Real: 15-14=1,1V und 2-1V=1V --> fehlerhaft!
Besserwessi
06.10.2008, 23:23
Das hauptproblem mit dem ersten Test ist, das die Spannungsdifferenz zu groß war. Bei der beschriebenen Auslegung darf die Eingangsspannungsdifferenz maximal ca. 0,5 mV sein. Die Fehler in den Widerständen sind dagegen nicht so kritisch. Der Poti ist da schon ein größeres Problem. Es gibt da leider einige Beiträge, zum Teil selbst in Datenblättern oder Application Notes, die die Wichtigkeit genauer Widerstände in dieser Schaltung. Auch die relativ hohe Offsetspannung des LM324 wird mit über den poti R3 kompensiert.
Als erster test wäre es besser R5 auf maximum zu lassen (minimale Verstärkung) und dann R3 zu varieieren, bis sich am Ausgang was tut. Dann sollte man den relativ kleinen linearen Bereich der Schaltung gefunden haben.
Um den Spannungsbereich zu vergrößern war mein Vorschlag, einen zusätzlichen Widerstand da einzufügen, wo R3 und der PT100 gemeinsam an Masse gehen. Das hebt die Spannung an beiden Eingängen etwas an.
Bis auf die Spannung UCM am Eingang sind die 1. Schaltpläne vom Helmaut und Gock übrigens im Wesentlichen gleich.
Wenn man ohnehin einen Abgleich der Verstärkung und des Nullpunktes vornimmt, dann braicht man auch keinen teuren Instrumentaion Amplifier. Viel mehr als eine genauere Verstärkung und einen genaueren Nullpunkt gewinnt man nicht.
Ein Zwischenergebnis: Habe den 4. Op des LM324 eingesetzt und dabei die Eingänge "umgepolt". Also was am Eingang 3 "+" war an den Eingang 6 "-" und was am Eingang 2 "-" war an den Engang 5 "+" gelegt, dabei den Ausgang 7 ebenfalls mit dem 10KR an den Eingang 6 "-" rückgekoppelt. Jetzt habe ich 11V am Ausgang des 4.OP´s, die bleiben jedoch, egal was sich am Pt100 tut.
@Gock: Die Spannung von Pin 12:10 ist positiv.
@besserwessi: Habe R5 von 1KR auf 2kR gelegt ohne das sich was am Ausgang tat. Ich schliesse jetzt daraus das deine Aussagen stimmig sein können.
Nun meine Fragen:
Wie komst du auf die Eingangsspannungsdifferenz von max. 0,5mV?
Was für einen Widerstandswert würdest du empfehlen um den Spanungsbereich zu erhöhen. Wie ist die Erklärung hierfür. Ich würde das gerne verstehen. Danke.
Besserwessi
07.10.2008, 10:09
Die beiden ersten OPs Verstärken das Eingangssignal schon sehr stark.
Für den Anfang reicht es, nur die ersten 2 OPs zu betrachten:
Selbst wenn der Poti R5 auf 2 K steht, hat man immer noch ein 221-fache Verstärkung für das Differenzsignal. Wenn man R5 noch kleiner macht, wird die Verstärkung noch größer. Die Verstärkung ist hier gerechntt von Differenz der Eingänge zu Differenz der Ausgänge.
Ohne Differenz hätte man die ca. 120 mV vom Eingang an den Ausgängen. Mit Differenz am Eingang steigt die Spannung an dem einen Ausgang und sinkt an dem anderen Ausgang. Der OP mit der sinkenden Spannung hat ein Problem, denn das geht nur von 120 mV bis auf ideal 0 mV (real ca. 10 - 30 mV) runter. Wenn das Ausgangssignal noch kleiner werden müßte geht die Schaltung in die Begrenzung und funktioniert nicht mehr als normaler Verstärker. Um die 120 mV Spannungshub am Ausgang des 1./2. Ops zu erreichen genügt eine Eingangsdifferenz von etwas mehr als 1 mV. Dann hat der eine OP 0 mV und der andere ca. 240 mV am Ausgang (nach der Messung am Anfang 246 mV).
Bei den 0,5 mV hatte ich mich da etwas verrechent (Vergessen das sich der Spannungshub auf beide Ausgänge aufteilt).
Was kann man dagegen tun:
1) negative Versorgungsspannung vorsehen
2) mehr als 120 mV Spannung am Eingang, wenn keine Differenz.
Das geht, wenn man die Brücke nicht mit einer Seite an GND legt, sondern noch einen Widerstand dazwischen hat.
3) Weniger Verstärkung: Bei 300°C hat der PT100 schon rund 200 Ohm. Man hat also bis zu 120 mV Differenz-signal. Da kann man mehr als 100 fache Verstärkung gar nicht gebrauchen, selbst 10-20 fache Vesrtärkung sollte reichen.
Ach ja die Verstärkung ist mir entgangen, kann ich kaum lesen, Monitorauflösung zu hoch...
Die typ 2mV InputOffsetVoltage können sich noch zusätzlich bemerkbar machen, mit denen käme der Ausgang eines der ersten OPs alleine auf 2mV*221~440mV. Wenn beide Offsetdrifts eine negative Differnez verursachen würde, könnte man das Verhalten damit erklären.
Das sollte man abr mit weniger Verstärkung (Besserwessi) in den Griff kriegen...
Gruß
Könnt Ihr mir einen Schaltungsvorschlag nach dem Moto: "keep it simple"? Ich möchte ja wirklich "nur" am PT00 Temperaturen von Raumtemperatur bis 250 Grad Celsius in meinem Reflow Ofen messen!
Besserwessi
08.10.2008, 19:44
Man könnte die Schaltung leicht abändern:
1) Die Verstärkung reduzieren durch z.B. 10 KOhm in Serie zum Poti R5
2) Spannung an den Eingängen abheben. Am einfachsten wohl durch eine Widerstand zwischen GND und der Brücke.
Eigentlioch brauchts auch keine so aufwendige Differenzverstärker schaltung, denn die CMR ist hier relativ unwesentlich und extra hochohmig muß es auch nicht sein. Es reicht eigentlich auch nur ein OP als Differenzverstärker an der Brücke. Wenn man will kann man dabei auch noch eine paar Widerstände zusammenfassen, sodaß man mit 5 Widerständen inclusive des Sensors auskommen kann.
Hallo Besserwessi
Zwischen deinem Wissen und meiner Ignoranz liegt die Ursache dafür das ich mit dem letzten Satz in deinem Beitrag nichts anfangen kann, aber genau weiss das da meine Lösung liegt! Keine Ahnung wie eine solche einfache Schaltung realisert wird.
Ich habe jetzt begonnen deine Vorschläge "1)" und "2)" zu realisieren. Nach "1)" ist der Wert in mV am Ausgang kleiner aber grundsolide unveränderlich. Werde morgen den Tag brauchen meine Schaltung durchzutesten und alle Permutationen der beiden Potis im Detail durchmessen. danach werde ich auch "2)" mit einem 10kR Widerstand wie beschrieben versehen. Mal sehen was herauskommt und daraus lernen.
Alerdings interessiert mich eine Schaltung wie in deinem letzten Satz angesprochen sehr. JKe einfacher desto stabiler (hoffe ich!). Bitte Skizze hier veröffentlichen. danke
Besserwessi
10.10.2008, 10:30
Hier also die einfache Schaltung zur Auswertung der Brücke. Die Widerstände R2 und R3 muß man ggf. dem gewünschen Ausgangsspannungsbereich anpassen. Notfalls einen kleinen Poti in Reihe vorsehen.
Der LM358 ist nicht gerade ein präzisions OP, aber für einen 8 oder 10 Bit AD Wandler und mit Abgleich des Absolutwertes sollte er ausreichen. Die Widerstände sollten Metallfilm typen sein.
Wenns stabiler sein soll, ein besserer OP (z.B. AD8551, LTC2050, OP07) und wenn möglich kein Poti. Wahrscheinlich wäre dann aber auch ein 4 Leiter Anschluß der PT100 sinnvoller.
Besserwessi
10.10.2008, 12:52
Habe gerade gesehen der 220 K Widerstand müßte eher etwa 2,2, K sein. So wie gezeichnet gibt das sehr viel Verstärkung.
@ Besserwessi: danke für den Schaltplan. Wie lautet die Gleichung zur Berechnung der Verstärkung nach deiner Schaltung. Danke.
Besserwessi
13.10.2008, 19:33
Die Verstärkung ist V = 1 + R3* (R1+R2) / (R1*R2).
Das ist im Wesentlichen ja ein nicht invertierender Verstärker, wobei R1 und R2 Wechselspannungsmäßig parallel geschaltet sind.
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