Hallo zusammen, ich bin auf der Suche nach einem möglichst einfachen Schaltungsvorschlag, um sehr kleine Temperaturänderungen eines NTC (100K, Chip in Glasperle) sicher zu erfassen. Die absolute Temperatur ist völlig irrelevant, die relative Änderungen bewegt sich im Bereich 0,2 bis 0,3 °C innerhalb einiger Sekunden (einzig der Wärmekapazität und Trägheit der Komponenten geschuldet, das "Event" selbst ist eine sehr kurze minimale Verpuffung/Flamme innerhalb weitgehend geschlossenen Raumes eines alten Flammpunktmessgeräts) mit anschließend auch langsamer Abkühlung. Neben diesem tatsächlich "gesuchten Ereignis" gibt es noch eine weitere Quelle für Wärmeeintrag: All die vorhergehenden "Zündversuche", die allerdings mit einer recht weit vom Sensor entfernten Prüfflamme vorgenommen werden. Eine einzelne "Testung" führt zu keinem merklichen Temperaturanstieg, in Summe kann damit die Temperatur innerhalb mehrerer Minuten doch langsam "wegdriften". Ich dachte daran, mit NTC und weiterem 100k Widerstand einen Spannungsteiler zu bauen und den NTC damit ratiometrisch auszuwerten. Dann eine Art AC-Kopplung / Differenzierer, um nur die Änderungen am Spannungsteiler zu erfassen (aber wie macht man das am Besten - R/C Glied, auch ein OpAmp?), und diese kleine Spannungsänderung dann mittels OpAmp zu verstärken. OpAmp-Ausgang an Mikrocontroller-ADC-Eingang. Und vielleicht noch den Spannungsteiler so an die Versorgungsspannung "anhängen", dass man ihn nur gelegentlich - also vor jeder Messung - "aktiviert", um Selbsterwärmung zu verhindern (wobei das vielleicht durch die AC-Kopplung auch egal ist?). Macht das grundsätzlich Sinn, oder würdet ihr ganz anders vorgehen? Ich habe häufig gefunden, einen NTC-Wert gerade nicht mittels OpAmp zu "verstärken", irgendwas zu linearisieren oder zu konditionieren. Aber es geht mir in diesem Fall ja gar nicht um die absolute Temperatur, ich möchte nur gerne kleinstmögliche Temperaturunterschiede (dessen Zeitdomäne ich ebenfalls kenne, Bandpassfilter?!) zu erfassen. Jeder konkrete Schaltungsvorschlag, Bauteilempfehlungen, oder auch Kommentare zu oben beschriebener Idee sind willkommen. Viele Grüße Ingo
Das Eingangssignal mit einem Tiefpass oder einer S/H-Schaltung verzögern und die Differenz zwischen Ein- und Ausgangssignal bilden.
Ich verwende auch NTC's(10k) mit einem 10k in Serie, und messe mit einem 24bit Wandler. So kann ich auf 0.001K stabil regeln.
Ein NTC ändert seiner Widerstand stetig wenn seine Umgebung stetig in seiner Temperatur ist. Ergo wäre die Grund Vorraussetzung zum Messen relativ kleiner Wärmeänderungen eine sehr stabile kleine Umgebung des NTC -Sensor. Welche Sprache soll der NTC sprechen? Grad oder Ohm? Ich nehme mal Grad an. Ein NTC reagiert auf Grund der thermisch wirksamen Massen, die zum einen der Sensor mit seinem Körper selber bildet ,inkl. aller notwendigen Anbauten extrem träge. Deshalb habe ich erhebliche Zweifel ,dass sich eine Verpuffung in einem einfachen Aufbau genau in Celsius reproduzierbar thermisch erfassen lässt. Wie machen das die, welche genug Geld in die Hand nehmen können...die Profis...? Ps: Mit NTC´s habe ich in Verbindung mit der thermischen Erfassung von HF-Leistung bis 600MHz in meinem Fall, etwas Erfahrung. Wobei 600MHz meine VNA Messgrenze ist den ich zum bereinigen der Anpassungs Verluste benötige. Ich messe ja nur das was ankommt und nicht das was ich einspeise. Beste Grüße!
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Wenn Du am Ende das ganze ohnehin mit einem ADC und µC digitalisierst, warum läßt Du nicht einfach Deinen ADC permanent samplen (vermutlich reicht ein bzw. wenige Male pro Sekunde aus) und klaubst Dir die interessanten Ereignisse direkt aus dem digitalen Datenstrom raus? In welchem Bereich schwankt eigentlich Deine Umgebungstemperatur?
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Herbert Z. schrieb: > Ergo wäre die Grund Vorraussetzung zum Messen relativ kleiner > Wärmeänderungen eine sehr stabile kleine Umgebung des NTC -Sensor. Meine Idee war, den NTC "in der Luft, in der die Verbrennung stattfindet" hängen zu lassen; quasi entkoppelt vom trägen System der Umgebung. Das Event ließe sich dann gerade eben dadurch identifizieren, dass es kurzzeitig eine Diskrepanz zwischen NTC-Temperatur und Durchschnittstemperatur des gesamten Systems gibt. > Welche Sprache soll der NTC sprechen? Grad oder Ohm? > Ich nehme mal Grad an. Das "Auswertesystem" soll mir am Besten weder Grad noch Ohm ausgeben, sondern das Ereignis "Gas/Luft-Gemisch hat sich entzündet" mit true/false bewerten. > Ein NTC reagiert auf Grund der thermisch wirksamen Massen, die zum einen > der Sensor mit seinem Körper selber bildet ,inkl. aller notwendigen > Anbauten extrem träge. Deshalb habe ich erhebliche Zweifel ,dass sich > eine Verpuffung in einem einfachen Aufbau genau in Celsius > reproduzierbar thermisch erfassen lässt. Das ist nicht notwendig, es muss nur erfasst werden, dass sie stattgefunden hat. Purzel H. schrieb: > Ich verwende auch NTC's(10k) mit einem 10k in Serie, und messe mit einem > 24bit Wandler. So kann ich auf 0.001K stabil regeln. Das ginge bestimmt. Ich scheue mich allerdings etwas vor den Schaltungsanforderungen, die es vermutlich zu beachten gilt, um 24-bit Auflösung sinnvoll zu messen. Mario M. schrieb: > Das Eingangssignal mit einem Tiefpass oder einer S/H-Schaltung verzögern > und die Differenz zwischen Ein- und Ausgangssignal bilden. Das klingt so, wie ich mir das vorstelle: Wie macht man das, S/H-Schaltung aus 2 OpAmps (Impedanzwandler und Spannungsfolger), und mit einem dritten OpAmp die Differenz zum aktuellen Signal mit gewünschter Verstärkung an den ADC? Ich hab's jetzt mal testweise so probiert, um ein Gefühl dafür zu bekommen, ob das überhaupt klappt:
1 | Vcc |
2 | | |
3 | 100k |
4 | | |
5 | --------------C/R-Glied (10uF/1kOhm)----AD620A IA Modul----Arduino-ADC-Pin |
6 | | |
7 | NTC100k |
8 | | |
9 | GND |
Im Anhang ist ein Bild des Signals nach Glättung (10-Punkte rolling-average), Sampling alle 100ms, Differenzierung durch Subtraktion des letzten Wertes vom aktuellen Wert. Vielleicht muss das schon gar nicht mehr verbessert werden...
Purzel H. schrieb: > So kann ich auf 0.001K stabil regeln. Da glaub ich noch nicht dran. M.W. schafft das noch nicht mal die PTB.
Harald W. schrieb: > Da glaub ich noch nicht dran. M.W. schafft das noch nicht mal > die PTB. Andere bekommen 0.6mK hin. https://www.seabird.com/technical-papers/measurement-uncertainty
Purzel H. schrieb: > Ich verwende auch NTC's(10k) mit einem 10k in Serie, und messe mit einem > 24bit Wandler. So kann ich auf 0.001K stabil regeln. Das glaubst aber auch nur du.
Ingo S. schrieb: > Jeder konkrete Schaltungsvorschlag, Bauteilempfehlungen, oder auch > Kommentare zu oben beschriebener Idee sind willkommen. Mach es weitestgehend digital, alles andere wird deutlich aufwändiger und ist nicht zeitgemäß. Je nach Anforderung braucht es einen ADC mit 10 Bit oder mehr. Der interne deines uC deiner Wahl kann reichen, muss nicht. Aber auch beim Analogteil sollte man Grips einsetzen, denn dort will man keine Kurzzeitdriften, welche das Ergebnis deutlich verfäschen. Also einen OPV mit geringem Offset von vielleicht 100uV oder weniger und kleiner, thermischer Drift von vielleicht 1-5uV/K. Auf jeden Fall keinen RC-Hochpass davor, sondern alles DC gekoppelt. Und auch auf die Eigenerwärmung des Sensors achten, auch wenn beo 100k nicht so viel Strom fließt. Aber 100k an 2,5V sind schon 62,5uW. Naja, sollte verkraftbar sein.
Ist es nicht viel einfacher, so etwas optisch zu erfassen?
Stefan F. schrieb: > Ist es nicht viel einfacher, so etwas optisch zu erfassen? In der Tat. Eine Verpuffung/Flamme macht Wärmestrahlung, also IR. Mit dem passenden Phototransistor/diode und OPV kein Problem. Allerdings kein 08/15 Empfänger, denn bei denen ist bei ~2um Wellenlänge Feierabend. Man braucht da eher 10-20um.
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Du kannst auch 2 NTC hintereinander schalten und am Mittelpunkt den AD-Wandler messen lassen. Langsame Drift - beide NTCs messen das Selbe, ihr Widerstand ändert sich gleichsinnig, die Brückenspannung bleibt unverändert. Verpuffung - der NTC im Epizentrum wird deutlich schneller warm, die Brückenspannung ändert sich. Ich würde mal mit einem UV Sensor gucken, ob du damit die Flamme detektieren kannst. Bei kommerziellen Flammwächtern von Brennersteuerungen (Kromschröder) wird das so gemacht. Die werden lange genug daran experimentiert haben. Erdgas, Wasserstoff, Propan/Butan zusammen mit Sauerstoff, also alles blaue Flammen.
Ingo S. schrieb: > Das ist nicht notwendig, es muss nur erfasst werden, dass sie > stattgefunden hat. Dann würde ich den NTC vergessen und mir das ganze optisch zb. über den Strom einer Fotodiode (BPW34) anzeigen lassen. Ob dazu noch Linsen oder Filter notwendig sind muss man testen, ebenso noch die "Elektronik" danach.
Rainer W. (rawi) zweifelte .. > Purzel H. schrieb: >> >> So kann ich auf 0.001K stabil regeln. > >Da glaub ich noch nicht dran. M.W. schafft das noch nicht mal die PTB. Ich redete von Stabilitaet, nicht absoluter Genauigkeit... was reinkommt ist die Drift des Sensors, sowie der Referenz.
Wie Stefan und Falk schon richtig angemerkt haben, so wäre eine optische Detektion der IR Wärmestrahlung die direkteste Methode. In der Praxis ist das jedoch aufgrund der Bauform von genormten Flammpunktmessgeräten, die nicht bereits solche Detektoren besitzen - egal ob uralt (https://collection.sciencemuseumgroup.org.uk/objects/co12713/abel-penskys-flash-point-apparatus-no-1534-flash-point-apparatus) oder fabrikneu (https://www.lin-tech.ch/english/af82000eng.html), quasi unmöglich nachzurüsten. Vollautomatische Systeme arbeiten mit genau diesen 10-20um IR-Detektoren. Plus typischerweise Temperatur- und Drucksensoren. Die normalen "Arduino Flame Detection Modules" aka Fernbedienungs-IR-Diode kann man hier vergessen, da klappt ein normaler Fototransistor noch besser (soweit man denn eine sichtbare/gelbe Flamme hat). Da die Betrachtung aber immer durch die Zündflamme hindurch und durch ein kleine Betrachtungsöffnung hindurch in den Becher mit der Prüflösung erfolgt, wie gesagt: baulich kaum möglich, das nachzurüsten. Eine 1mm NTC-Glasperle an Nähgarn-dünnem Lackdraht lässt sich jedoch durch jede Ritze/Spalt hindurchfädeln. Gruß Ingo
Ich habe mir letzte Woche diese da anliefern lassen: < https://www.digikey.de/en/products/detail/te-connectivity-measurement-specialties/NB-PTCO-167/13916740 > und < https://www.digikey.de/en/products/detail/te-connectivity-measurement-specialties/NB-PTCO-046/13916737 > Vor allem der 2. ist wirklich schnuckelig klein. Für gute thermische Empfindlichkeit dürfte die Wärmekapazität wichtig sein. Wieviel Bit liefern bei Deinem ADC eigentlich noch einen sinnvollen Beitrag zum Ergebnis? Ich habe bei einem 16-Bit-ADC noch Kanäle frei, das ganze soll in einer geschachtelten Regelung mit 2 Peltiers /PT1000 im niedrigen mK-Bereich stabil sein. Es ist noch unklar, was die Grenze sein wird. (Laserfrequenz auf ein paar MHz etc regeln.. ) Gemacht wurde das jedenfalls schon. Gruß, Gerhard
Mit einem Pulsamplitudendiskriminator?
Ingo S. schrieb: > Eine 1mm > NTC-Glasperle an Nähgarn-dünnem Lackdraht lässt sich jedoch durch jede > Ritze/Spalt hindurchfädeln. Alternative. Nimm zwei isolierte, blanke Drähte nah beieinander. Die Flamme ionisiert die Luft und macht sie leitfähig. Das kann man deutlich einfacher messen.
Ingo, jetzt hast du mich abgehängt. Wenn da kein Platz für einen optischen Sensor ist, dann passt auch dein NTC nicht. Es gibt klitzekleine Photodioden (z.B. https://www.distrelec.de/de/ir-fotodiode-940nm-1002-wuerth-elektronik-1541021eca170/p/30273958). Außerdem kann man Licht durch Lichtleiter woanders hin weiter leiten.
Falk B. schrieb: > Alternative. Nimm zwei isolierte, blanke Drähte nah beieinander. Die > Flamme ionisiert die Luft und macht sie leitfähig. Das kann man deutlich > einfacher messen. Prinzipiell ja... aber zum einen ist eine stabil brennende Flamme einfacher zu detektieren, als eine Verpuffung, die nur Bruchteile von Sekunde dauert. Außerdem mußt du dafür die heißeste Stelle im Flammkegel erwischen. Bei einer nur wenige cm³ Verpuffung ist das reine Glückssache. Deshalb misst man prakischerweise den Ionisationsstrom gleich mit der Zündkerze. Nur wie willst du Zündfunken und Ionisationsstrom durch Verpuffung auseinanderhalten? Stefan F. schrieb: > Es gibt klitzekleine Photodioden (z.B. > https://www.distrelec.de/de/ir-fotodiode-940nm-1002-wuerth-elektronik-1541021eca170/p/30273958). > Außerdem kann man Licht durch Lichtleiter woanders hin weiter leiten. - 940 nm ist noch zu kurzwellig - Lichtleiter verhalten sich wie man es von ihnen erwartet, nur bei sichtbarem Licht. Nich bei langwelligem IR und bei UV eben auch nicht jedes Material. Ich erinnere mich an einen Fall, da hatten wir in der Halbleiterherstellung eine Endpunktüberwachung, wo mittels LWL durch ein Quarzglasfenster ins Plasma geguckt wurde. Nach ca 2 Jahren wurde das System instabil und fand sporadisch nicht mehr den EP. Erst als der schweineteure LWL ausgetauscht wurde, lief es wieder stabil. Augenscheinlich degenerieren die Lichtleitfasern, oder deren Oberflächenvergütung durch UV
Gerald B. schrieb: > - 940 nm ist noch zu kurzwellig Das war ja auch nur ein Beispiel zur Größe. Dieser und andere Hersteller haben viele weitere Modelle im gleichen Format.
Falk B. schrieb: > Mach es weitestgehend digital, alles andere wird deutlich aufwändiger > und ist nicht zeitgemäß. Genau nicht. Ich verstehe nicht, warum man bei einfachsten Problemen Zeit mit sinnlosem Digitalmüll verschwendet. Und der Begriff "zeitgemäß" verursacht bei mir Pickel. Spannungsteiler aus 100k und dem NTC ist erst mal ok. Wichtig ist jetzt erst mal der Frequenzbereich des interessierenden Signals. Und da ist das Temperatursignal wohl wenige Sekunden, die störende Drift im Bereich mehrerer Minuten. Ergo braucht es einen Verstärker mit Bandpass, Bandbreite vielleicht von 5 mHz bis 1 Hz und dahinter einen Komparator. 1.5µF Folie parallel zum NTC sind dann schon der 1 Hz Tiefpass. Dahinter ein CR-Glied mit 1.5µF und 22 MOhm. Als Verstärker dahinter vielleicht einen billigen, hochohmigen MCP6002, den 2. OPV kann man dann gleich als Komparator misbrauchen, es geht ja um recht langsame Signale. Noch ein Trimmer zum Schwelle einstellen, das ganze mit 5V versorgen, fertig.
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