1_5_4_PT100_Sensor_4-Leiter-Schaltung

Die 4-Leiter-Messchaltung eignet sich sehr gut, um einen linearen Messwiderstand (hier PT100) anzuschließen. Die Vorteile sind: - Das Messergebnis ist weitgehend unabhängig von der Länge der Messleitung. - Die Linearität des Sensors bleibt erhalten. Die Intention der vorliegenden Schaltung ist der Entwurf einer Messchaltung, die den PT100-Sensor an den ADC eines ATmega328P-Controllers anbindet. Ziel der Schaltung ist es, bei einer Versorgungsspannung von 5V und durch die Verwendung von rail-to-rail OPV eine optimale Ausnutzung der Auflösung des ADU zu erhalten. Der Messbereich wurde von -24°C ... 99°C festgelegt. Da die Spannungs-Range uch die rail-to-rail OPV nicht ganz auf 0V, bzw. 5V liegt, ist der gesicherte Messbereich -20°C … 90°C. Durch entsprechende Einstellung, lässt sich dies natürlich sehr einfach verschieben, bzw. (auf Kosten der Auflösung) auch erweitern. In der vorliegenden Simulation wird der Abgleich der Schaltung mit eine interaktiven Simulation durchgeführt. Dies erfolgt in 2 Schritten: 1. Einstellung des Offset mit dem Poti P2 Der Offset dient dazu, dass die Schaltung bei der Temperatur -24°C die Spannung Ua = 0V ausgeben kann. Daher muss P2 so eingestellt werden, dass an RT = 90,67Ohm (-24°C) und P2 ein identischer Spannungsfall vorliegt. Daher werden beide Widerstände vom konstanten Strom I0 = 1mA durchflossen. Damit muss P2 auf 90,76Ohm abgeglichen werden und die Spannung Ub wird dann zu 0. 2. Einstellung des Verstärkungsfaktors Vu3 mit P3. Dieser dient zur Anpassung des Messergebnisses an den ADC-Eingang. Dabei ist die Wandlerauflösung der Messbereich und die maximale Differenzspannung Ub zu beachten. Der ADC arbeitet hier mit einer Auflösung von 8 Bit (möglich wären 10 Bit). Damit ergibt sich eine Spannungsauflösung von Ulsb = 19,53mV. Die Temperaturauflösung soll 0,5°C betragen. Bei T = 99°C ergibt sich: Ua = dT * Ulsb / 0,5°C = 123°C * 19,76mV / 0,5°C = 4,804 V Ub = I0 * RT - Uoffset = 1mA * 138,1Ohm - 90,76mV = 47,34 mV --> Vu3 = Ua/Ub = 4,804 V / 47,34 mV = 101.46 --> P3 = R10 * (Vu3 - 1) = 1k Ohm * 100,46 = 100,46 kOhm Mit einem Parameter-Sweep kann nun sehr einfach die Linearität der Schaltung überprüft werden. Einstellungen: Component RT (90.76 Ohm....138.1 Ohm) Step 10 Ohm Methode: DC-Operating Point