PT100 & MCP3551 & Pico

Resistance Temperature Detector (RTD)

Pt100 Sensoren sind im Prinzip präzise Ohmmeter. Ein Pt100 ändert seinen Widerstand um etwa 0,385 Ω/Kelvin oder 0,385 Ω/1°C. Bei 0°C hat er genau 100Ω. Pt100-Widerstandsthermometer bieten einen breiten Temperaturbereich, der von -200°C bis +850°C reicht, und zeichnen sich durch ihre hohe Genauigkeit aus. Ihre Widerstand-Temperatur-Kurve ist nahezu linear, was die Kalibrierung und Interpretation der gemessenen Werte erleichtert. Im englischen werden diese Temperaturfühler als Resistance Temperature Detector oder auch kurz RTD bezeichnet.

PT100-Temperaturfühler haben oft ein mehrere Meter langes Anschlusskabel. Dieses Kabel hat einen sogenannten Leitungswiderstand, der mit der Länge zunimmt. Bei einem Pt100 sind wir aber darauf angewiesen, den Widerstand an der Messstelle so exakt wie möglich zu erfahren. Der Leitungswiderstand verfälscht unsere Messung. Die Vierdrahtmessung oder Kelvinschaltung verhindern dieses Problem. Die Hersteller der Sensoren geben bestimmte Messströme vor. Bei den meisten modernen Pt100 liegt er bei 1mA. Das bedeutet, eine Temperaturänderung von 0,5°C beinhaltet eine Spannungsänderung von 0,2 Millivolt. Das ist nicht viel und der einfache A/D-Umsetzer im Mikrocontroller (hier ein Pico) ist damit hoffnungslos überfordert, selbst wenn der Einfachheit halber die Auflösung nur 1 Kelvin betragen soll. Es stellt sich die Frage nach einem besseren Exemplar. Ich nehme den MCP3551 von Microchip Microchip bietet immer eine ausgezeichnete Dokumentation. Weiterhin gibt es viele Beispiele im Netz.

Vierleiter PT100-Sensor, 22Bit ADC MCP3551 und einen Mikrocontroller Pico werden für das Projekt benötigt. Für die Entwicklung der MicroPython Software wurde alles auf einem Steckbrett (Breadboard) gesteckt.

Zusätzlich zur Dokumentation für den MCP3551 liefert Microchip auch ein Beispiel für die Projektierung (AN1154).
Das Beispiel wurde so übernommen und muss hier nicht weiter vertieft werden. Angesteuert wird der MCP3551 über SPI. Das bedeutet, dass man mittels Chip Select (CS), mehrere PT100 Einheiten ansteuern kann. Der Pico wird sicherlich mit einer Einheit von vier Sensoren spielend fertig. Ich habe das nicht ausprobiert, da ich nur einen PT100 besitze und der Sensor sehr teuer ist.

Null Grad Celsius, entspricht 100 Ohm am Pt100, erzeugt einen Digitalwert von „xxxxx“ im Analog Digital Wandler MCP3551. Diesen Digitalwert benötigt die Software als Kalibrierung. Zwei Möglichkeiten gibt es für diese Messmethode: PT100 ins Eiswasser legen oder einen Kalibrierwiderstand von exakt 100Ω verwenden. Das obige Bild zeigt die zweite Möglichkeit. Weitere Details siehe Software.

Die Software für den Mikrocontroller Pico wurde mit der Entwicklungsumgebung VS-Code und eine Bibliothek MicroPico erstellt. Der Mikrocontroller visualisiert über die serielle Schnittstelle UART die Daten zu PuTTY. Weitere Details siehe Software.