Verbesserte Filterung und Anzeige von RTD-Sensoren

Für eine Anwendung wird ein Temperatursensor benötigt. eine Genauigkeit von etwa +-3 Grad ist akzeptabel.

Aus Kostengründen habe ich mich für dieses RTD entschieden . Der Sensor wird von einem 12-Bit-ADC eines Mikrocontrollers abgetastet. Das RTD befindet sich in einer Wheatstone-Brücke mit einer geregelten 3,3-V-Versorgung (bei Betrachtung der Versorgung mit einem Oszilloskop habe ich nicht viel Rauschen / Welligkeit gefunden). Die Wheatstone Bridge ist mit einem MCP6N11 Instrumentenverstärker verbunden .

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Das RTD ist auf einer separaten Platine mit etwa 50 cm Draht montiert, der durch eine laute Umgebung verläuft. Daher wird die Filterstufe zwischen Brücke und Verstärker platziert.

Der gewünschte Temperaturbereich liegt zwischen 50 und 200 Grad Celsius. Die Verstärkung des Verstärkers ist auf 15 eingestellt und wird von einer einzigen 3,3-V-Versorgung versorgt.

Leider weichen die Messwerte ständig um 30 bis 50 Prozent ab. Außerdem schleicht sich noch etwas Rauschen durch den Filter. Der Verstärker ist direkt mit dem 12-Bit-ADC verbunden.

Was kann ich tun, um diese Schaltung zu verbessern?

1. Was ist der interessierende Temperaturbereich und die Verstärkung des Verstärkers? 2. Wie hoch ist die Versorgungsspannung des Verstärkers? 3. Wie ist Ihr ADC eingerichtet? 4. Können Sie einen vollständigen Schaltplan Ihrer analogen Schaltung posten?
@EMFields Der Beitrag wurde aktualisiert.
Bitte erinnern Sie daran, wenn Sie es noch nicht mitgebracht haben oder es sich um eine vorhandene Installation handelt, RTD ist teuer, groß und langsam (aufgrund der Größe und Wärmekapazität). Wird normalerweise für eine Genauigkeit von 0,1 Grad Celsius verwendet. 3-Grad-Genauigkeit kann eine andere einfachere und kostengünstigere Wahl haben, wie z. B. Thermoelement, mit passendem IC-Chip, der für den direkten Anschluss ausgelegt ist.
Für leitungsgebundenes Rauschen, Spule in Reihe schalten, um Hochfrequenz zu blockieren, Kappe gegen Masse, um Hochfrequenz kurzzuschließen. Metallabschirmung, um abgestrahlten Lärmeingang zu blockieren. Höhere Frequenzen umfassen HF-Rauschen und jedes Signal, das höher als das erforderliche Signal ist. RTD ist langsam, da in Sekundenschnelle jede Frequenz höher als, sagt 1 bis einige Hz, herausgefiltert werden kann. In seltenen Fällen ist das Rauschen magnetisch, verwenden Sie eine Mag-Abschirmung, Mu-Metall oder ähnliches mit „niedrigem magnetischen Widerstand“, wie beiliegende Box, wie z Größe, In-Out-Erdungsklemme)
@EEdeveloper Mir ist bewusst, dass ein Thermoelement möglicherweise eine bessere Lösung ist. Ich habe es jedoch nicht geschafft, ein billiges Thermoelement in irgendeiner Form von Edelstahlgehäuse zu finden.
Der Schaltplan zeigt keine gemeinsame Masse zwischen der 3,3-V-Versorgung und der Versorgung des Instrumentenverstärkers. Bitte verdeutlichen Sie den Schaltplan. Ein Foto der Anordnung wäre hilfreich. Sind C1 bis C3 Keramik?

Antworten (3)

Erwägen Sie, die Brücke und den Instrumentenverstärker loszuwerden. Versorgen Sie den RTD (über 10k) mit derselben Referenzspannung, die Ihr ADC verwendet - dies wird als ratiometrische Messung bezeichnet und beseitigt eine der großen Fehlerquellen, dh da RTD und ADC letztendlich beide von einer gemeinsamen Referenzspannung gespeist werden, spielt es keine Rolle wenn diese Referenzspannung driftet.

Aus dem Gedächtnis hat ein 1k-RTD also einen Widerstand von 1000 Ohm bei 0 °C und etwa 1690 Ohm bei 100 °C. Wenn Ihre ADC-Referenzspannung 3,3 Volt beträgt und der RTD von 10 kOhm gespeist wird, beträgt die Spannungsänderung zwischen 0 °C und 100 °C 0,300 Volt bis 0,477 Volt. Dies ist eine Änderung von 177 Millivolt bei einer Temperaturänderung von 100 °C

Ihr ADC ist 12 Bit, daher hat er eine Auflösung von 3,3 Volt/ 4096 = 0,80566 mV.

Bei einer Änderung von 100 °C ändert sich die Eingangsspannung also um 0,177 Volt mit einer Auflösung von 0,80566 mV – das bedeutet, dass Ihr ADC 219,7 Schritte in einem Bereich von 100 °C ODER auflösen kann, seine tatsächliche Auflösung beträgt etwa 0,5 °C.

Dies sollte leicht die gewünschte Genauigkeit erreichen.

Übrigens müssen Sie den gesamten Bereich bis zu 200 ° C berechnen, aber ich sehe keine Probleme, dies mit der gewünschten Genauigkeit zu erreichen.

Kurz gesagt: Reduzieren Sie Ihre Fehler, indem Sie Dinge loswerden, die Sie nicht benötigen.

Wenn es um die Filterung geht, verwenden Sie auf jeden Fall einen externen Tiefpassfilter, aber filtern Sie auch in der Software, indem Sie das Signal überabtasten und mitteln.

Die Art und Weise, wie er gezeigt hat, ist ratiometrisch zur 3,3-V-Versorgung - kann nicht anders sein, es sei denn, es gibt irgendwo eine zweite Spannungsreferenz.
@SpehroPefhany - das ist der springende Punkt - seine ADC-Referenz ist möglicherweise nicht dieselbe Referenz wie die analoge Schaltung.
Die Schaltung läuft alle auf der gleichen 3,3-V-Versorgung, die die ADC-Referenz enthält
@Roel - danke, dass du das klargestellt hast, aber die Grundvoraussetzung meiner Antwort bleibt bestehen - du brauchst keine Brücke (eine weitere Fehlerquelle) und keinen Instrumentenverstärker (auch eine Fehlerquelle).

Wenn Sie dieselbe Versorgung für die Brückenspeisung wie der Verstärker und die MCU verwenden, sehe ich an Ihrer Schaltung nicht viel falsch.

Sie müssen jedoch C4 entfernen - es sollte nicht vorhanden sein oder nicht mehr als ein paar hundert pF betragen. So wie Sie es gezeigt haben, führt es höchstwahrscheinlich zu Instabilität. Wenn Sie vielleicht 1K zwischen dem Ausgang und C4 hinzufügen können, ohne ADC-Fehler zu verursachen, kann es bleiben.

Sie haben einen Fehler in Ihren Schaltplänen. Sie müssen den oberen Draht zwischen R1 und RTD an den positiven Ausgang der 3,3-V-Stromversorgung anschließen (es sollte eine Verbindung statt einer Kreuzung geben). Trennen Sie auch die positive Stromversorgung vom R5.

Und damit der Eingang nicht erdfrei ist, sollten Sie den negativen Ausgang der 3,3-V-Stromversorgung mit analoger Masse erden.

Eingangsteil repariert

PS: Und wie Spehro Pefhany bereits erwähnt hat, kann der C4 nicht direkt an den Ausgang des Operationsverstärkers angeschlossen werden. Dies führt zu Oszillationen des Operationsverstärkers. Platzieren Sie einen Widerstand zwischen Ausgang und C4 (den ich in meinem Bild nicht repariert habe).

Verbesserte Filterung und Anzeige von RTD-Sensoren
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