Schaltungstipp

Isoliertes vierkanaliges Temperatur-Messsystem mit 0,5°C Genauigkeit

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Programmierbare Stromquelle für Widerstandsthermometer und Biasspannungsgeneratorschaltung für Thermoelemente

Messungen mit Widerstandsthermometer verlangen eine rauscharme Stromquelle, welche das Widerstandsthermometer und einen Referenzwiderstand treibt. Für Messungen mit Thermoelementen ist eine Gleichtaktspannung erforderlich, welche die niedrige Thermoelementspannung an den Eingangsbereich des AD7193 anpasst. Die Schaltung in Bild 2 erfüllt beide Anforderungen. Sie nutzt den rauscharmen CMOS-Operationsverstärker AD8603 mit Rail-to-Rail-Ein/Ausgang, einem maximalen Eingangsbiasstrom von 1 pA und einer maximalen Offsetspannung von 50 μV in Verbindung mit dem einkanaligen 2-Ω-SPST-Schalter ADG702 und dem achtkanaligen Matrix-Schalter ADG738.

Mit offenem ADG738 und geschlossenem ADG702 verhält sich der AD8603 für die Thermoelementanwendung wie ein rauscharmer Spannungsfolger mit niedriger Ausgangsimpedanz. Die Spannung des Digitalpotentiometers AD5201 wird gepuffert. Sie wird für die Thermoelement-Gleichtaktspannung (normalerweise 2,5 V, halbe Versorgungsspannung) verwendet. Das Digitalpotentiometer AD5201 wird mit der driftarmen (5 ppm/°C) 4,096-V-Referenz ADR3440 getrieben, um eine hohe Genauigkeit sicherzustellen.

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Mit geschlossenem ADG738 und offenem ADG702 erzeugt der AD8603 den Anregungsstrom für den Widerstandsthermometer IEXC = UW / RREF.

Temperaturmessungen sind hochgenaue und langsame Vorgänge. Daher steht genügend Einschwingzeit zur Verfügung, um die Stromquelle zwischen allen vier Kanälen umzuschalten. Dies ergibt eine ausgezeichnete Kanal/Kanal-Anpassung, niedrige Kosten und kleine Leiterplattenabmessungen.

Der ADG738 ist ein 8:1-Multiplexer, der die Stromquelle zwischen den Kanälen umschaltet. Damit Zwei-, Drei- und Vier-Draht-RTD-Konfigurationen unterstützt werden, braucht jeder der vier Kanäle zwei Schalter.

In vielen Anwendungen kann sich das Widerstandsthermometer weit entfernt von der Messschaltung befinden. Der Widerstand der langen Verbindungsleitungen kann speziell bei Widerstandsthermometern mit niedrigem Widerstandswert große Fehler generieren. Die Einflüsse des Leitungswiderstands lassen sich mit einer Drei-Draht-RTD-Konfiguration minimieren (Bild 3).

Falls S1 des ADG738 geschlossen und S2 offen ist, beträgt die Spannung am Eingang von AD7193 U1. Bei offenem S1 und geschlossenem S2 beträgt die Spannung am Eingang von AD7193 U2. Die Spannung über dem RTD beträgt URTD. Der Anregungsstrom der Stromquelle beträgt IEXC. U1 und U2 enthalten den durch den Leitungswiderstand erzeugten Fehler.

U1 = (RRTD + RW3) IEXC (Gl. 1)

U2 = RW2 + RRTD + RW3) IEXC (Gl. 2)

URTD = RRTD IEXC (Gl. 3)

Mit der Annahme RW1 = RW2 = RW3 und der Kombination der Gleichungen 1, 2 und 3 ergibt sich:

URTD = 2U1 –U2 (Gl. 4)

RRTD = URTD / IEXC = (2U1 – U2) / IEXC (Gl. 5)

Gleichung 5 zeigt, dass die Drei-Draht-Konfiguration zwei separate Messungen (U1 und U2) benötigt, um RRTD zu berechnen. Dabei sinkt die Ausgangsdatenrate. In den meisten Anwendungen ist dies unproblematisch.

Die Vier-Draht-RTD-Verbindung benötigt zwei zusätzliche Messleitungen. Sie ist jedoch unempfindlich gegenüber Leitungswiderständen und braucht nur eine Messung.

Bild 4 zeigt die Steckerkonfiguration und Jumper-Stellungen für Zwei-, Drei- und Vier-Draht-RTD- und Thermoelement-Anwendungen.

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