Schaltungstipp

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

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Testergebnisse der RTD-Konfiguration

Für einen Pt100-Widerstandsthermometer beträgt die standardmäßige ADC-Verstärkungseinstellung G = 8. Für einen Pt1000-Widerstandsthermometer beträgt die standardmäßige Verstärkungseinstellung G = 1. Die Referenzspannung des A/D-Wandlers entspricht der Spannung über dem 4,02-kΩ-Referenzwiderstand. Der Temperaturkoeffizient eines Pt100-Widerstandsthermometers beträgt ungefähr 0,385 Ω/°C. Bei 850°C kann der Widerstand bis zu 400 Ω betragen. Bei einem standardmäßigen Anregungsstrom von 400 μA beträgt die maximale Widerstandsthermometerspannung etwa 160 mV. Die Referenzspannung zum ADC beträgt 4,02 kΩ × 400 μA = 1,608 V. Für G = 8 beträgt die maximale Widerstandsthermometerspannung 160 mV × 8 = 1,28 V. Dies entspricht ungefähr 80% des verfügbaren Bereichs.

Für einen Pt1000-Widerstandsthermometer beträgt der maximale Widerstand bei 850°C ungefähr 4 kΩ. Der standardmäßige Anregungsstrom beträgt 380 μA. Dies resultiert in einer maximalen Widerstandsthermometerspannung von 1,52 V. Die Referenzspannung zum A/D-Wandler beträgt 4,02 kΩ × 380 μA = 1,53 V. Eine standardmäßige Verstärkung von G = 1 wird verwendet. Die maximale Widerstandsthermometerspannung nutzt fast den gesamten verfügbaren Bereich.

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Der Widerstand des Widerstandsthermometers R mit dem ADC-Code (Code), der Auflösung (N), dem Referenzwiderstand (RREF) und der Verstärkung (G) ergibt sich wie folgt:

R = (Code / 2n) (RREF / G) (Gl. 7)

Die Leckströme des TVS, der Dioden, der Klemmdioden und des ADC sind die größten Fehlerquellen in der RTD-Messschaltung. Und das obwohl für die Schaltung nanoamp-Bauteile verwendet wurden.

Der gesamte Leckstrom für alle Eingänge beträgt 9 nA (3 nA vom AD7193, Puffer eingeschaltet), 5 nA von der Klemmdiode und 1 nA von der TVS-Diode). Alle vier Kanäle erzeugen somit einen maximalen Leckstrom von 36 nA. Durch die Rückkopplungsschleife in Bild 2 fließt ein konstanter Strom über den Referenzwiderstand. Dies bedeutet, dass Leckströme den RTD-Anregungsstrom beeinträchtigen und so einen Fehler produzieren.

Der standardmäßige Anregungsstrom beträgt 400 μA für Pt100 und 380 μA für Pt1000. Der ungefähre Systemfehler im ungünstigsten Fall infolge der Leckströme für Pt100-RTDs beträgt:

Für einen Pt100 mit einem Messbereich von −200 bis 850°C entspricht dies einer Systemgenauigkeit von ungefähr 400 Ohm / 0,385 Ohm /°C.

Die Höhe des Fehlers hängt von der Konfiguration der Eingangsanschlüsse ab. Nach der Einrichtung einer Eingangskonfiguration kann eine Kalibrierung bei Raumtemperatur den Fehler weiter reduzieren.

Ein Versuch wurde durchgeführt, um die Einflüsse des Leckstromes zu zeigen. Jeder Kanal wurde zunächst als Vier-Draht-RTD konfiguriert. Ein Widerstand mit 100 Ω wurde an Kanal 1 in der RTD-Position angeschlossen. Widerstände mit Null Ohm wurden an die Eingänge der anderen drei Kanäle angeschlossen.

Die Verstärkung wurde auf G = 1 eingestellt. Der Anregungsstrom betrug 380 μA (Pt1000-Konfiguration).

Die Daten wurden aufgenommen. Dann wurden die Jumper, welche Kanal 4, Kanal 3 und Kanal 2 verbunden, nacheinander entfernt und für jede Situation die Daten aufgenommen. Bild 9 zeigt die Ergebnisse.

Der ADC-Code veränderte sich von etwa 437800 zu 437600 entsprechend einer Messänderung von 104,9015 Ω auf 1048627 oder 0,0388 Ω. Dies repräsentiert einen Messfehler von etwa 0,1°C. Der Messfehler lässt sich beseitigen, indem man bei Raumtemperatur mit einer festen Eingangskonfiguration kalibriert.

Häufige Varianten

Die rauscharme 16/24 Bit-Sigma/Delta-ADC-Familie AD779x mit geringer Stromaufnahme ist eher geeignet für einkanalige- oder Low-Power-Anwendungen. Der 16 Bit Digital-SPI-Temperatursensor ADT7311 mit ±0,5°C Genauigkeit ist für Automobil-Anwendungen qualifiziert. Die Genauigkeit der Schaltung zur Kaltstellenkompensation lässt sich mit einem digitalen Temperatursensor wie etwa dem ADT7320 mit ±0,25°C Genauigkeit verbessern.

Eine Isolation bis 5 kVeff ist mit dem Digitalisolator ADuM6401 mit DC/DC-Wandler möglich.

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