High Impedance, Low Drift Instrumentation Amplifier for Pt100 and Pt1000

Dette projekt er under opbygning

Fra en god ven har jeg fået nogle Pt100 temperatur føler, som jeg nu vil anvende til noget praktisk. En føler i røgovnen er gået i stykker, så den skal udskiftes med en Pt100 føler. Nu er sagen blot, at denne føler passer ikke elektrisk med min elektronik, som jeg lavede til LM35DZ føleren. Derfor har jeg lavet diagrammet nedenfor, som også kan bruges til en Pt1000 føler, hvis blot nogle modstandsværdier ændres. For beregning af modstande og forstærkning har jeg lavet et regneark i Excel for High Impedance, Low Drift Instrumentation Amplifier for Pt100 and Pt1000 Lige et par ord om Pt100/Pt1000. Det er en platintråd med en modstand på 100,00 Ohm/1000,00 Ohm ved 0 °C. Tråden indkapsles i en passende beskyttelse, så den kan indføres i forskellige medier. Ametek har skrevet en artikel om temperaturmåling med Pt elementer, så jeg kan kun anbefale at læse denne: Ametek Temperaturmåling. Mit måleområde skal gå fra 0 °C til 100 °C, og i dette område er stigningen i modstanden 0,3851 Ohm per °C. Altså en lineær stigning. Min forstærker skal opbygges af de komponenter, som jeg har liggende i skuffen. Jeg har ingen SMD komponenter, så det bliver de gode "gammeldags typer" fra 1990'erne. Jeg valgte "OP Amplifier" LF353, da strømforbruget er moderat (og jeg har mange liggende i skuffen). LF353 er en dobbelt forstærker, så selvom jeg kun skal bruge 3 forstærker, foretrækker jeg den frem for TL082 og TL081, da disse har et meget større strømforbrug. De to indgange på IC4, som ikke bruges, lægges til GND. Udgangen er åben. Jeg begyndte med en målebro, hvori Pt100 skal indgå som den fjerde modstand (100,00 Ohm ved 0 °C). Derfor bliver R4 også 100,00 Ohm. Der skal være 0 volt over broen ved 0 °C. Modstandene R3 og R5 skal også være ens, værdien bestemmes af den strøm, som tillades at gå gennem Pt100. Jeg har valgt 9,1 kOhm, som giver 1,087 mA ved 0 °C, når spændingen over broen er 10 volt. Ved højere temperatur falder strømmen, da modstanden stiger. Anbefalet strøm i Pt100 er 1 mA til 3 mA. En for stor strøm vil opvarme platintråden og dermed give en forkert måling. Se mit Excel regneark for beregning af modstandene High Impedance, Low Drift Instrumentation Amplifier for Pt100 and Pt1000. Så skal forstærkeren laves. Jeg har valgt 0 volt ved 0 °C og 10 volt ved 100 °C. Derfor er forsynings spændingen på +- 15 volt. Spændingen over broen ved 100 °C er 41,67 mV, forstærkningen bliver så 10V/41,67 mV = 240 gange eller 47,6 dB. Alle modstande i forstærkeren er valgt til 100 kOhm på nær R11', som består af 3 modstande i serie. 91 kOhm + 8,2 kOhm + 1 kOhm (P2). Det betyder at modstanden R11 kan varieres mellem 99,2 kOhm og 100,2 kOhm. P2 indstiller CMRR ved 0 °C (0,00 volt ved 0 °C). P1 indstiller forstærkningen til 10 volt ved 100 °C. Alle modstande skal udvælges til samme værdi for bedste resultat. For justering af P1 og P2, benyt vand med mange isklumper for 0 °C og kogende vand for 100 °C. Vout er 10 volt, men hvis man ønsker en lavere spænding til et digitalt voltmeter, kan man benytte en spændingsdeler R12 og P3. Her er valgt R12 10 kOhm P3 2 kOhm, som kan give alt fra 0 volt til 1,667 volt. En anden mulighed er at udskifte P1 2 kOhm med 10 kOhm. Forstærkningen sænkes 10 gange med potentiometer armen sat til 43%. I mit diagram vises V1 og V2 som 2 batterier på 15 volt, det er fordi, jeg kan ikke simulere en strømforsyning i mit program.

Diagram for High Impedance, Low Drift Instrumentation Amplifier for Pt100 og Pt1000

Diagrammet til højere viser Power Supply for Pt100 og Pt1000 Amplifier. Det er en gængs opstilling af en splittet strømforsyning med 1 stk. 3-Terminal Positive Regulator og 1 stk. 3-Terminal Negative Regulator. µA78L15 og µA79L15 kan levere 100 mA med en "Heat Sink" påsat. Forstærkeren bruger ca. 16 mA og de to LED bruger ca 14 mA med R1 og R2 på 2,7 kOhm. Så det giver ingen problemer med varme. Printet bliver udlagt så LM7815 og LM7915 også kan anvendes. Husk blot, det er transformatoren, som sætter en øvre grænse for strømmen. Bemærk de to dioder D4 og D5. De anvendes i en splittet strømforsyning for at beskytte de to regulatorer mod modsat polaritet ved start op eller en kortslutning. De to andre dioder D2 og D3 skal ligeledes beskytte de to regulatorer, hvis Vout bliver større end Vin. Hvis Vout bliver 7 volt større end Vin, ødelægges regulatorerne. R1 og R2 begrænser strømmen i dioderne, hvis lysstyrken ønskes nedsat, kan værdierne ændres til f.eks. 3,3 kOhm. Transformatoren er intern beskyttet, så der er kun anvendt en 100 mA træg sikring F1 på primærsiden.

Power Supply for Pt100 og Pt1000

Print kortet -PCB- ses herunder. Som nævnt ovenfor, er det muligt at anvende begge typer "Voltage Regulators", µA78L15/µA79L15 og LM7815/LM7915. Der er kun anvendt 5 jumper -"Lus"- på printet, som er lavet på et Euro kort 100x160 mm, men savet ned til 130x100 mm. De tre potentiometer P1, P2 og P3 er alle "10-turns", så kan man indstille værdierne mere korrekte. Et tip: indstil de 3 trimmer til den angivet værdi inden de loddes i printet. Jeg har lavet en simulation på -50 °C og Vout viste -5,146 volt, ved 200 °C viser Vout 13,50 volt. Det er fordi max sving er +-13,5 volt ved 15 volt forsynings spænding, så max temperatur, der kan måles, er ca. 130 °C. Et tip: Ved at mindske forstærkningen 10 gange, så Vout bliver 1 volt, kan man måle en meget højere temperatur. Brug mit Excel regneark og find de korrekte værdier High Impedance, Low Drift Instrumentation Amplifier for Pt100 and Pt1000.

PCB komponent siden 130 x 100 mm

PCB kobber siden 130 x 100 mm

Nu er diagrammet og PCB lay out klar, så næste skridt er at fremstille printet og montere komponenterne. Der går nok nogen tid, for jeg håber på godt vejr, så jeg kan lave noget i haven og lidt malearbejde på huset. Ikke at forglemme - fiskeri i august og september. Vi ses.

PCB aptering: Beskrivelsen herefter er almen gældende for alle PCB. Montering af enhedens komponenter er blot et spørgsmål om placering af alle komponenter i overensstemmelse med PCB Top Overlay og Materialelisten. Når alle komponenter er monteret og enheden afprøvet og fundet i orden, skal undersiden først renses for fluss midler (lodde harpiks) inden den lakeres med en transparent beskyttelseslak Plastik 70, som isolerer, beskytter og forsegler loddesiden af printet. Det bedste rensemiddel er isopropyl alkohol fra Matas eller karboratorsprit fra Statoil. Der findes en PCB Cleaning 101 hjemmeside på engelsk. Montering af PCB foregår efter følgende princip, de laveste komponenter monteres først, d.v.s. jumper, små dioder, modstande, små kondensatorer, LED, transistorer, IC eller IC sokler, sikringer, klemrækker, trimmer, potentiometer, høje radiale el. lytter og nettrafo. LED monteres på frontpladen så man kan se, om enheden er i On eller Off. Til de, som ikke er så bekendt med elektronik, vil jeg blot sige: Der er nogle komponenter, som skal vendes korrekt - dioder, transistorer, IC, el. lytter, og nettrafo. De andre passive komponenter - modstande og kondensatorer, kan isættes vilkårligt, MEN vend modstandene ens, så farvekoden læses ens på alle lodrette samt alle vandrette modstande. Vend også kondensatorerne ens m.h.t. teksten. Det letter senere fejlfinding. Aksiale el. lytter vendes med påskriften opad, så værdien kan aflæses under et service tjek.

LÆS DENNE ANSVARSFRASKRIVELSE: Du er velkommen til at bygge denne "High Impedance, Low Drift Instrumentation Amplifier for Pt100 and Pt1000" efter diagrammet og mit PCB udlæg, men du skal ikke forvente hjælp, hvis det går "galt". Dette kredsløb anvender potentielt dødelige niveauer af spænding og strøm. VÆR FORSIGTIG! Hvis du ikke er sikker på, hvad du gør, især når det kommer til kredsløb med strøm fra 230VAC. DET ER DIT ANSVAR: At hente hjælp, at forlade projektet, ikke komme til skade, ikke bygge sjusket kredsløb, ikke såre andre, ikke starte brande. Denne information stilles til rådighed som en service til enhver person. Et hvert ansvar for sikker og korrekt anvendelse af dette kredsløb fraskrives.

one.com