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Die Leiterplatte zeigt in der Mitte den IC, links und rechts davon eine Referenz und unten rechts einen AD-Wandler. Der blaue 12k4 ist ein Widerstand mit 0,01% Toleranz und geringem TK, der schwarze der gleiche mit 1000 Ohm. Die Stecker dienen zum schnellen An- und Abstöpseln verschiedenster Platin Sensoren im Vierleiterbetrieb. Ganz auf der rechten Seite befindet sich ein diskreter sehr schneller Spannungssregler. Die Schaltung ist ausgelegt für einen 5-7 Volt Single Supply Betrieb. Der Schaltplan ist dem IC Datenblatt zu entnehmen, er wurde zum Großteil übernommen, lediglich die Schaltung noch an die Randbedingungen des Einsatzzweckes angepaßt. Beispielsweise mußte gleichzeitig zum analogen auch ein digitaler Ausgang zur Verfügung gestellt werden, daher der Wandler. Auch sollte die Schaltung im Vierleiterbetrieb verwendbar sein. Der zu messende Temperaturbereich ist eingestellt auf -100°C bis 100°C. Die blaue Schottkydiode ist eine vergessene "Angstdiode", die nachträglich an diesem Prototypen noch rangelötet worden ist. Zum Austrimmen wurden drei Potentiometer eingebaut, die nach erfolgreicher Trimmung durch Festwiderstände ersetzt worden sind. Diese Potentiomer sind auch dann sinnvoll, wenn ständig der Sensor getausch werden muß und jeder der neuen Sensoren abgetrimmt werden muß. Es macht an dieser Stelle keinen Sinn den Schaltplan der obigen Schaltung genau zu zeigen, der Hersteller beschreibt die Schaltung sehr ausführlich, und ein Anpassen an die eigenen Randbedingungen sind aus Erfahrung immer erforderlich. Wie funktioniert die Schaltung?Der IC hatte zwei eingebaute Präzisionsstromquellen von typisch 900 µA. Das besondere ist, daß beide Stromquellen den nahezu gleichen Strom liefern, mit einem typischen Mismatching 0,5µA zueinander. Einer der Trimmer kann zusätzlich noch dieses Mismatching nullen. Eine der beiden Stromquellen speist einen 1000 Ohm Präzisionswiderstand, an dem eine Spannung von 900 mV abfällt. Die zweite Stromquelle speist den Platinsensor, in unserem Fall einen PT1000, ein Platinwiderstand, der bei einer Temperatur einen Widerstand von 1000,0.. Ohm hat (im Idealfall). An beiden Widerstanden fällt bei null °C die gleiche Spannung ab. Ein integrierter Instrumentenverstärker (Subtrahierer) verstärkt die Differenz des Spannungsabfall an beiden Widerständen. Bei null °C, wäre die Differenz im Idealfall null Ohm. Unterschied zwischen PT1000 und PT100Ein PT1000 ist jedoch ein temperaturabhängiger Widerstand. Er hat bei null °C 1000 Ohm, bei 1°C 1003,85 Ohm bei 10°C 1038,5 Ohm und so weiter. Der Temperaturkoeffizient beträgt je nach Platinmaterial +3,85 Ohm/°C beim PT1000 und +0,385 Ohm/°C beim PT100. Ein PT1000 hat daher eine größere Steilheit und ermöglich damit eine höhere Auflösung. Ihm genügen auch geringe Ströme, eine Eigenerwärmung insbesondere sehr kleiner Sensoren wird minimiert. Mit einem PT100 ist es leichter einen Weitbereichsthermometer aufzubauen. Closed loop des Differenzverstärkers bestimmt den MeßbereichWir wissen nun der Spannungsabfall am Präzisionswiderstand bleibt konstant, der Spannungsabfall am Platinsensor steigt mit zunehmender Temperatur und damit auch die Differenz am Instrumentverstärker. Der Instrumentenverstärker verstärkt nun diese Differenz mit einem festeingestellten Verstärkungsfaktor. Der Verstärkungsfaktor kann durch externe Widerstände eingestellt werden. Je nach dem wie groß dieser Verstärkungsfaktor gewählt ist, bestimmt es den Meßbereich. Es ist offensichtlich ein Meßbereich von -200°C bis 800°C erreicht natürlich nicht die Auflösung wie beispielsweise -50°C bis 50°C. Alle Details dazu stehen im Datenblatt. Mehr ist nicht dran, wobei das nicht abwertend gemeint ist, gute Instrumentenverstärker und Stromquellen zu bauen braucht sein Wissen. Im Prinzip kann die Schaltung aus Einzelbausteinen nachgebaut werden, nur eine Frage ob es sich lohnt. Besonderheiten zu beachten
Kalibrationzur Kalibration sind die idealen geeigneten Hilfsmittel ein Mittelklasse Multimeter, eine genau bekannte Referenztemperatur (genauer Thermometer) und eine leicht verstellbare Präzisions Widerstandsdekade sowie ein Rechner. Eine Toleranz von 0,01% für die Dekade wäre eine feine Sache. Mit einem der drei Trimmer läßt sich die 1000 Ohm Toleranz des Sensors einstellen. Dazu wird die momentane Raumtemperatur exakt gemessen. Mit dem Voltmeter die Ausgangsspannung am IC messen, diese auf den Sollwert der dazugehörigen Temperatur einstellen. Ein Platinsensor mit hoher Grundgenauigkeit ist dank der manuellen Kalibration nicht erforderlich. Die Linearität müßte auch bei preisgünstigeren Exemplaren ähnlich sein, wie bei einem mit hoher Grundgenauigkeit, wobei ich mir da gar nicht mal so sicher bin - bitte das Sensor Datenblatt zu Rate ziehen. Mit dem letzten der drei Trimmer läßt sich noch der Verstärkungsfaktor des Instrumentenverstärkers einstellen, wobei das die wichtigste Einstellung ist. Mit der Dekade lassen sich nun die verschiedenen Temperaturen simulieren, man braucht daher keine Klimakammer. Ein Messen über den gesamten Temperaturbereich und die Darstellung als Graph ist dabei sehr nützlich. Leider wirst auch Du feststellen, daß dies mehrere iterative Durchläufe erfordert, bis Du ein annehmbares Ergenis erreichst. Insbesondere die Dreherei an den schwergängigen Drehknöpfen der Dekade nervt mit Zeit gewaltig. Irgendwann wenn Dir Dein gewünschter Temperaturbeich genau genug ist solltest Du damit aufhören. In dieser Phase kannst du an den Potis drehen wie Du willst, es passiert nicht mehr das was Du erwartest - ein Poti beeinflußt das andere mit einer Wechselwirkung. Zudem wird der Einfluß der Nichtlinearität des Sensors immer größer, insbesondere bei den weiter vom Nullpunkt entfernten Temperaturen, leider läuft die Kurve immer weiter weg und kommt nicht ab einer bestimmten Temperatur wieder zurück. Nun hilft nur noch die Rechnerkalibration. Schließlich hast Du Dir ja die Meßwerte immer mitgeschrieben, oder noch besser gleich in einen PC geschrieben auf dem ein Mathematikprogramm läuft. Eine Polynom Korrektur zur Linearisierung der Meßkurve, dann stimmt es auch über den gesamten Temperaturbereich. Für ein analoges Auslesen ist das zugegeben umständlich, die Spannungswerte bei Ablesen immer zu rechnen. Bei Anwendungen die in den Rechner gehen (AD-Wandler) sollte die Polynominal Regression (Korrektur) kein Hindernis sein. Eiswasser und FieberthermometerUm an zwei Punkte der PT1000 Kennlinie zu gelangen ist hilft auch die Physik. Wer keine Widerstandsdekade und einen Präzisionsthermometer zu Verfügung hat, kann sich behelfen mit einem Fieberthermometer am besten aus dem klinischen Bereich. Diese sollen eine Genauigkeit in der Größenordnung von 0,1°C haben. Sensor an ein Ohmmeter anschließen und zusammen mit dem Thermometer unter die Achselhöhle, ca. 10 Minuten warten bis ein thermischer Ausgleich stattgefunden hat. Um idealerweise auch noch die Eigenerwärmung des Platinsensors zu berücksichtigen, kann der Sensor auch aus der Stromquelle betrieben werden, die Spannung am Sensor wird gemessen. Diese Methode erfordert jedoch zusätzlich eine sehr genaue Messung des 900 µA Stromes, das ist kein Billigst Multimeter, geeignet z.B. ein HP 3457A. Die Eiswassermethode beruht darauf, daß bei Normalluftdruck schmelzendes Eiswasser eine Temperatur von null °C hat. Das Wasser sollte dabei ständig umgerührt werden. Selbst ausprobiert habe ich noch keine der Methoden.
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