Widerstandsmessung - Spannung verstärken

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Widerstandsmessung - Spannung verstärken
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BID = 1010818

innos07

Gerade angekommen


Beiträge: 7
 

  


Hallo liebes Electronic Werkstatt Forum!

Ich war schon häufiger stiller Mitleser eurer Threads, doch jetzt komme ich tatsächlich nicht mehr weiter und muss euch direkt um Hilfe fragen.

Ich möchte einen Temperatursensor auslesen. Dieser Sensor verändert seinen Widerstand je nach Temperatur und ich möchte diesen Widerstand mit meinem Mikrocontroller messen.
Also Spannungsteiler und dann die Spannung auslesen. Das Problem dabei ist, dass der Messbereich dann nur zwischen 1,5V und 2,5Volt ist, aber mein 10 Bit ADC natürlich von 0-5V messen kann. Um die Genauigkeit der Messung zu erhöhen will ich also erstmal die Spannung aus dem Spannungsteiler "normieren" und mittels OPV auf 0-5V verstärken.
Soweit die Theorie.

Meine bisherige Schaltung habe ich angehängt. Es handelt sich also um einen Differenzverstärker, der quasi folgende Rechenschritte machen soll:
1. von meinem Signal (~1,5V bis ~2,5 V) Minimum (1,5V) subtrahieren
2. Ergebnis durch das neue Maximum teilen (also zufällig 1V)
3. Neues Signal (was von 0-1V geht) mal 5 nehmen (=> Gain soll 5 sein)


mit der Bedingung, dass R1=R3 und R2=R4 sollte also meine Ausgangsspannung vom OPV (TLV 2371)
Ua = (R2/R1) * (Ue2 - Ue1) sein.

Das Problem:
bei aktuellen Raumbedingungen messe ich gerade ~1980 Ohm am Sensor. Der Input am nicht-invertierendem Eingang ist somit ca. 1,8V und beim invertierendem 1,5V. Es sollten also 0,3*5 = 1,5V am Ausgang liegen. Leider messe ich nur ~0,98V also ein wesentlich kleineren Gain.

Der OPV ist RRIO und sollte mit +-5V Supply laufen. Ich habe eine Ladungspumpe, die mir ca. -4,4V liefert.
Zur Spannungsmessung nehme ich ein handelsübliches Multimeter.

Was mache ich bloß falsch? Ich bin mittlerweile leicht verzweifelt. Vielen Dank schonmal für eure Hilfe!




BID = 1010820

Offroad GTI

Urgestein



Beiträge: 11940
Wohnort: Cottbus

 

  

Der Spannungsteiler wird von den Widerständen der OPV-Schaltung belastet, womit (quasi) das Teilungsverhältnis beeinflusst wird. R1 und R3 müssen über einen Impedanzwandler an die Spannungsteiler angeschlossen werden, dann stimmen auch die Bedingungen für den Differenzverstärker wieder.




_________________
Theoretisch gibt es zwischen Theorie und Praxis keinen Unterschied. Praktisch gibt es ihn aber.








BID = 1010826

innos07

Gerade angekommen


Beiträge: 7

Danke für die schnelle Antwort!

Verstehe...
Soweit ich das nun überschaue muss ich also noch 2 OPVs der Schaltung hinzufügen und die als Impedanzwandler (kein Rückführungswiderstand) vor R1 und R3 schalten.

Gibts da auch eine passive Lösung, die ohne weitere OPVs auskommt? Bei Wikipedia ist etwas von passiver Impedanzwandlung als Zweitor die Rede. Würde das bei mir auch klappen bei der richtigen Wahl von den ohmschen Widerständen? Ich bin ja hier nur im Gleichstrom unterwegs.
Wenn es eine passive Möglichkeit gibt, würde ich mich über ein Stichwort freuen, wonach ich suchen könnte.

BID = 1010835

Ltof

Inventar



Beiträge: 8753
Wohnort: Hommingberg

Das ließe sich auch vollständig mit einem OP abbilden. R1, R3 und R4 braucht man nicht.

Quick and dirty ...

Brücke:
oben: 2k2, 3k3
unten: Sensor, 3k3

Gegenkopplung: 6k8

Passt nicht perfekt. Das Feintuning kannst Du selbst machen.

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„Schreibe nichts der Böswilligkeit zu, was durch Dummheit hinreichend erklärbar ist.“
(Hanlon’s Razor)

BID = 1010837

perl

Ehrenmitglied



Beiträge: 11110,1
Wohnort: Rheinbach


Zitat :
Gibts da auch eine passive Lösung, die ohne weitere OPVs auskommt?
Kaum.
Man kann die Widerstände am Opamp aber wesentlich hochhohmiger machen, damit die Brücke nicht so stark belastet wird. Dann kommst du näher an die theoretischen Werte.
Da das Ausgangssignal ohnehin nicht linear dem Widerstand des Sensors folgt, kannst du auch ein bischen gewinnen, indem du dafür sorgst, daß im interessantesten Temperaturbereich der Lastwiderstand gleich dem Sensorwiderstand ist.

Am einfachsten aber wird es sein, wenn du dich von dieser rudimentären Schaltung ganz verabschiedest und einen integrierten Temperatursensor verwendest, der den Temperaturmeßwert seriell schon fertig als Digitalwert ausgibt.
Meist haben diese Teile, die z.B. auch auf Motherboards verwendet werden, eine Auflösung von etwa 0,25°C / LSB.
z.B.: https://www.conrad.de/de/temperatur......html oder
https://www.conrad.de/de/temperatur......html
Wenn du unbedingt den ADC des µC benutzen willst, kannst du auch so etwas verwenden: https://www.conrad.de/de/temperatur......html

BID = 1010838

Kleinspannung

Urgestein



Beiträge: 12881
Wohnort: Tal der Ahnungslosen

Ich nehm dafür immer einen DS18S20
https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/DS18S20.pdf

Ist ein 1-Wire Sensor,und mit Trick auf 1/10 Grad genau.
Da braucht der µC nicht mal ADC haben,und für den Sensor genügen drei "Strippen" und ein Widerling.
Den OPV und Ladungspumpen Quatsch kann man sich auch sparen.

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Manche Männer bemühen sich lebenslang, das Wesen einer Frau zu verstehen. Andere befassen sich mit weniger schwierigen Dingen z.B. der Relativitätstheorie.
(Albert Einstein)

BID = 1010850

attersee

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Wohnort: Wien


Zitat :
mit Trick auf 1/10 Grad genau

Was ist der Trick? Das Datenblatt spezifiziert doch 0,5 °C im Bereich -10 °C bis +85 °C. Oder meinst Du die Auflösung?
1/10 °C ist nämlich nicht ganz ohne.

Grüße, attersee

BID = 1010852

Kleinspannung

Urgestein



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Wohnort: Tal der Ahnungslosen


Zitat :
attersee hat am 15 Jan 2017 00:54 geschrieben :

Oder meinst Du die Auflösung?
1/10 °C ist nämlich nicht ganz ohne.

Ok,dann hab ich mich sicher falsch ausgedrückt,und meinte dann wohl Auflösung.
Ob er auf 1/10° wirklich genau ist,kann ich nicht verifizieren,dazu fehlt mir die Referenz.
Aber ausgeben kann er es auf alle Fälle mit 1/10tel Stelle.
Die Programmsequenzen hab ich mir auch nur aus dem Internet geklaut,verstanden hab ich sie nicht wirklich.
Aber es funktioniert,obwohl es nach Datenblatt wohl nur "halbe" Grad gibt.

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(Albert Einstein)

BID = 1010858

attersee

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Wohnort: Wien


Zitat :
dazu fehlt mir die Referenz.

Mit Eiswasser in einem nicht zu kleinen Thermosgefäß kannst Du 0 °C in für diesen Zweck hinlänglicher Genauigkeit darstellen.

Grüße, attersee

BID = 1010876

innos07

Gerade angekommen


Beiträge: 7


Zitat :
perl hat am 14 Jan 2017 23:10 geschrieben :

Da das Ausgangssignal ohnehin nicht linear dem Widerstand des Sensors folgt, kannst du auch ein bischen gewinnen, indem du dafür sorgst, daß im interessantesten Temperaturbereich der Lastwiderstand gleich dem Sensorwiderstand ist.



Ich möchte eigentlich mit dieser Messung indirekt auf die Bodenfeuchte einer Bodenprobe schließen, indem ich an anderer Stelle die Probe erwärme und dann eben die Wärmeleitfähigkeit aus dem Temperatursensor schließe und das direkt mit dem Wassergehalt korreliere. Mir ist bewusst, dass da einige Fehlergrößen drin stecken. Leider kann ich noch nicht sagen, wo der genaue Temperaturbereich liegt. Dazu bräuchte ich den fertigen Aufbau und da bin ich noch etwas von entfernt. Dann werde ich sicher noch solch ein Tuning vornehmen.

Auch wenn es mir noch nicht ganz einleuchtet, wie man mit der Anpassung des Lastwiderstandes an Genauigkeit gewinnt. Damit würde man doch nur allgemein die Spannung erhöhen. (... und damit die geringere Anfälligkeit gegenüber Störungen?)



Da ich eben aus dem Kontext der Bodenproben komme und ich ohne hin auch später noch eine direkte Widerstandsmessung an der Probe vornehmen will, komme ich nun erstmal nicht über eine möglichst exakte Widerstandsmessung drumherum. Zumal ich mir einbilde, dass ich bei meinem Sensorwiderstand den Wärmeschluss zur Probe besser hinkriegen kann, als mit so einem integriertem System mit Pins. Die werden sich doch nur auf einer Platine besser eignen, oder?


Zitat :

Das ließe sich auch vollständig mit einem OP abbilden. R1, R3 und R4 braucht man nicht.

Quick and dirty ...

Brücke:
oben: 2k2, 3k3
unten: Sensor, 3k3

Gegenkopplung: 6k8

Passt nicht perfekt. Das Feintuning kannst Du selbst machen.


Mhh führt diese Auslegung der Brücke nicht dazu, dass es zu negativen Spannungen am Ausgang des OPVs kommen kann? Diese wären für meinen ADC ja nicht messbar.



Vielen Dank für eure vielen Antworten!

BID = 1011107

Kleinspannung

Urgestein



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Wohnort: Tal der Ahnungslosen


Zitat :
innos07 hat am 15 Jan 2017 13:52 geschrieben :

als mit so einem integriertem System mit Pins. Die werden sich doch nur auf einer Platine besser eignen, oder?

Ob es jetzt für deinen Zweck geeignet ist,kann ich nicht beurteilen.
Aber den DS18S20 kannst behandeln wie etwa den Aussenfühler von den billigen Thermometern.
Drei Strippen ranlöten,Schrumpfschlauch drüber > fertig.
Dann kannst das Ding auch in Wasser oder Schnee stecken.
Und der Leitungswiderstand hat (wenns nicht grad hunderte Meter sind) keinen Einfluss auf das Messergebniss,da die Daten in digitaler Form auf einem "Bus" abgeholt werden.
Kannst ja auch noch als Vergleich integrieren,dein µC dürfte ja chronisch unterbeschäftigt sein...


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BID = 1011112

perl

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Zitat :
auf die Bodenfeuchte einer Bodenprobe schließen, indem ich an anderer Stelle die Probe erwärme und dann eben die Wärmeleitfähigkeit aus dem Temperatursensor schließe und das direkt mit dem Wassergehalt korreliere
Ich für fürchte, daß das aus mancherlei Gründen schlecht bis gar nicht funktioniert.

BID = 1011115

Kleinspannung

Urgestein



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Wohnort: Tal der Ahnungslosen

Gabs nicht eigentlich zur Feuchtemessung speziell dafür ausgebildete Sensoren?

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(Albert Einstein)

BID = 1011121

perl

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Zitat :
Gabs nicht eigentlich zur Feuchtemessung speziell dafür ausgebildete Sensoren?
Ja, aber nur in speziell dafür gebauten Wäschetrocknern.

BID = 1011131

innos07

Gerade angekommen


Beiträge: 7

Also Ich habe jetzt doch OPVs genommen zur Impedanzwandlung. Das ergab nun das tollste Ergebnis. Ich habe nun tatsächlich eine ziemlich genaue Messung der Temperatur auf ~0.1°C genau. Wenn ich dann ersteinmal meinen genauen Messbereich kenne, werde ich durch Tuning der Widerstände bestimmt nochwas rausholen können!


Zitat :
Kleinspannung hat am 16 Jan 2017 23:23 geschrieben :

Gabs nicht eigentlich zur Feuchtemessung speziell dafür ausgebildete Sensoren?



Ja, es gibt spezielle Feuchtesensoren, aber die Gängigen messen nur den elektrischen Widerstand oder vielleicht mal kapazitiv. Diese Phänomene sind aber auch stark von der Anzahl an freien Ladungsträgern abhängig. Das fließt bei einer anderen Messung (induktiv) bereits schon alles indirekt mit ein. => die thermische Leitfähigkeit/Kapazität hatte ich bisher noch nicht auf dem Zettel. Die ist zwar auch nicht allein nur vom Wassergehalt abhängig, aber irgendwo muss ja auch mal Schluss sein


Zitat :

Und der Leitungswiderstand hat (wenns nicht grad hunderte Meter sind) keinen Einfluss auf das Messergebniss,da die Daten in digitaler Form auf einem "Bus" abgeholt werden.


mhh das ist natürlich verlockend. Ich bin aber mit ca. 40cm Kabel glaube ich noch weit davon entfernt... Ich guck mir das jetzt erstmal an, was mein Aufbau die Tage leistet.

Vielen Dank an euch alle!


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