Schaltungstipp

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

Seite: 3/5

Firmen zum Thema

Schutzschaltungen

Transienten und Überspannungen können während der Fertigung oder in der Anwendung auftreten. Um einen wirkungsvollen Schutz zu erreichen und die internen Schutzmechanismen der ICs zu ergänzen, sind zusätzliche externe Schutzmaßnahmen erforderlich. Der externe Schutz verursacht zusätzliche Kapazitäten, Widerstände und Leckströme. Diese Effekte sollte man sorgfältig in Betracht ziehen, um eine hohe Genauigkeit zu erzielen. Bild 5 zeigt die zusätzliche Schutzschaltung.

Leckströme können RTD-Messungen wesentlich beeinträchtigen und sind daher zu berücksichtigen. Auch in Thermoelementmessungen können Leckströme Fehler hervorrufen, wenn signifikante Leitungswiderstände vorhanden sind.

Bildergalerie
Bildergalerie mit 10 Bildern

In dieser Schaltung klemmt das TVS-Modell PTVS30VP1UP Spannungstransienten schnell auf 30 V mit einem typischen Leckstrom von nur 1 nA bei 25°C. Ein 30-V-TVS wurde gewählt, damit DC-Überspannungen von 30 V bewältigt werden. Ein 1,69-kΩ-Widerstand, gefolgt von Schottky-Dioden des Typs BAV199LT1G mit geringem Leckstrom wird verwendet, um die Spannung bei Transienten und DC-Überspannungen auf die 5-V-Versorgungsleitung zu klemmen. Der 1,69-kΩ-Widerstand begrenzt bei 30-V-DC-Überspannung den Strom durch die externen Dioden auf etwa 15 mA.

Um sicherzustellen, dass die Versorgungsleitung diesen Strom aufnehmen kann, wird eine Zener-Diode zum Klemmen der Versorgungsleitung verwendet. Somit ist gewährleistet, dass die absoluten Maximalwerte aller an die Versorgung angeschlossenen ICs nicht überschritten werden. Zu diesem Zweck wurde die 5,6-V-Zener-Diode NZH5V6B gewählt. Ein 300-Ω-Widerstand begrenzt jeden weiteren Strom, der in die Bauteile AD7193 oder ADG738 fließen könnte.

Isolation

Die Bauteile ADuM5401 und ADuM1280 nutzen iCoupler-Technologie von Analog Devices. Sie bieten eine Isolationsspannung von 2500 Veff zwischen der Mess- und Controller-Seite der Schaltung. Der ADuM5401 liefert auch die isolierte Leistung für die Messseite der Schaltung. Die im ADuM5401 enthaltene isoPower-Technik nutzt HF-Schaltelemente zur Übertragung von Leistung über einen Transformator. Besondere Aufmerksamkeit muss dem Layout der Leiterplatte gewidmet werden, um Emissionsstandards zu erfüllen. Empfehlungen für das Leiterplattenlayout enthält die Applikationsschrift AN-0971.

Testergebnisse der Thermoelementkonfiguration

Die Leistungsfähigkeit der Schaltung ist stark vom Sensor und der Konfiguration des AD7193 abhängig. Der Ausgang des Typ-K Thermoelements variiert von −10 bis 60 mV im Temperaturbereich von −200 bis 1350°C. Der PGA des AD7193 ist für G = 32 konfiguriert. Der Spannungshub am Ausgang des PGA beträgt −320 mV bis 1,92 V oder 2,24 Vss. Mit aktiviertem „Chop”, 50Hz/60Hz Rauschreduzierung und dem Filterwort FS[9:0] = 96 ist das Rauschverteilungshistogramm für 1024 Samples in Bild 6 dargestellt.

Die Auflösung des AD7193 beträgt 24 Bit oder 224 = 16 777 216 Codes. Der volle Dynamikbereich des AD7193 beträgt 2 × UREF = 2 × 4,096 V = 8,192 V. Die Ausgangsspannung des Thermoelements nach dem PGA beträgt lediglich 2,24 Vss und belegt nicht den kompletten Dynamikbereich des AD7193. Deshalb wird der Bereich des Systems um einen Faktor von 2,24 V / 8,192 V reduziert.

Die Rauschverteilung beträgt etwa 40 Codes Spitze/Spitze. Die rauschfreie Code-Auflösung über den 2,24-Vss-Messbereich ergibt sich wie folgt:

Die rauschfreie Auflösung (Arauschfrei) beträgt somit 16,8 Bit.

Der Vollausschlag-Temperaturbereich des Typ-K Thermoelements reicht von −200 bis 1350°C oder 1550°Css. Die 16,8 Bit rauschfreie Code-Auflösung entsprechen daher einer rauschfreien Temperaturauflösung von 0,013°C.

Linearität der Thermoelementmessung

Bild 7 zeigt die ungefähre Linearität des Typ-K Thermoelementsystems. The Kaltstellen-Temperatur in diesem Plot beträgt 0°C.

Die Präzisionsspannung zur Kalibrierung sowie zum Testen wird von der hochgenauen DC-Spannungsquelle des Typs Fluke 5700A mit einer Auflösung von 10 nV bereitgestellt. Der Spannungsfehler in Bild 8 liegt in einem Bereich von 0,2 μV vom Idealwert entfernt, und entspricht etwa 0,004°C. Dieses Resultat ist das Kurzzeitgenauigkeitsergebnis unmittelbar nach einer Systemkalibrierung bei 25°C ohne die Einflüsse der Temperaturdrift.

Der dominante Fehler für diese Schaltung resultiert aus der Kaltstellen-Kompensationsmessung. In dieser Schaltung wird der ADT7310 für die Kaltstellen-Kompensation verwendet. Er hat einen typischen Fehler von −0,05°C und im ungünstigsten Fall einen Fehler von ±0,8°C über den Temperaturbereich von −40 bis 105°C für eine 5-V-Versorgung. Bei einer Versorgungsspannung von 3 V weist das Bauteil einen maximalen Fehler von ±0,4°C über diesen Temperaturbereich auf.

(ID:42496018)