Schaltungstipp Präzise Temperaturmessung mit Thermoelementen des Typs K

Autor / Redakteur: James Fitzgerald * / Kristin Rinortner

In diesem Tipp stellen wir eine kompakte, preisgünstige Lösung zur Aufbereitung von Thermoelementsignalen und deren Digitalisierung mit einem hochauflösenden A/D-Wandler vor.

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Bild 1: Thermoelementmesssystem (Typ K) mit integrierter Kaltstellenkompensation (vereinfachte Blockschaltung)
Bild 1: Thermoelementmesssystem (Typ K) mit integrierter Kaltstellenkompensation (vereinfachte Blockschaltung)
(Bild: ADI)

Bei der Schaltung in Bild 1 handelt es sich um eine komplette Signalaufbereitung für ein Thermoelement mit Kaltstellenkompensation und nachgeschaltetem 16 Bit Sigma-Delta A/D-Wandler. Der Thermoelementverstärker AD8495 ist eine einfache und preiswerte Lösung zur Messung von Temperaturen mit Thermoelementen des Typs K (Paarung Nickel-Chrom/Nickel ) einschließlich Kaltstellenkompensation.

Ein Instrumentenverstärker mit fester Verstärkung im AD8495 verstärkt das kleine Spannungssignal des Thermoelements und liefert 5 mV/°C am Ausgang. Die hohe Gleichtaktunterdrückung des Verstärkers sperrt Gleichtaktrauschen, das über die langen Anschlussleitungen des Thermoelements aufgenommen werden kann. Die hohe Impedanz der Eingänge erleichtert eine Erweiterung mit einem externen Filter für zusätzlichen Schutz.

Der differenzielle Verstärker AD8476 liefert den richtigen Signalpegel und die Gleichtaktspannung zum Treiben des 16 Bit, Sigma-Delta-A/D-Wandlers AD7790. Die Schaltung ist eine kompakte, preisgünstige Lösung zur Aufbereitung von Thermoelementsignalen und der Digitalisierung mit einem hochauflösenden A/D-Wandler.

Schaltungsbeschreibung

Ein Thermoelement ist ein einfaches, weit verbreitetes Bauteil zur Messung von Temperaturen. Es besteht aus zwei unterschiedlichen Metallen, die an einem Ende miteinander verbunden sind (Hot Junction). Das andere Ende des Thermoelements ist mit den Metallleitungen verbunden, die zur Messelektronik führen. Diese Verbindung bildet einen zweiten Übergangspunkt – genannt Cold Junction oder Kaltstelle. Um die Temperatur an der Messstelle (TMJ) zu erhalten, muss die differenzielle Spannung, die das Thermoelement erzeugt, bekannt sein. Außerdem muss die Fehlerspannung, die durch die Temperatur an der Referenzstelle (TRJ) erzeugt wird, spezifiziert sein.

Da mit Hilfe von Thermoelementen nur eine Temperaturdifferenz ermittelt werden kann, sind zur Messung der absoluten Temperatur weitere Maßnahmen notwendig. Hierzu muss die absolute Temperatur an den Drahtenden (Übergabepunkt) ermittelt und zum Differenz-Messergebnis addiert werden. Man spricht hierbei von einer Kaltstellenkompensation. Die Elektronik muss Änderungen der Temperatur am Referenzpunkt (Cold Junction) kompensieren, damit die Ausgangsspannung einer genauen Darstellung der Hot-Junction-Messung entspricht.

Die Schaltung nutzt den Thermoelementverstärker AD8495 an einer 5-V-Versorgung. Die Ausgangsspannung des AD8495 ist für 5 mV/°C kalibriert. An einer unipolaren 5-V-Versorgung ist der Ausgang linear zwischen etwa 75 mV und 4,75 V. Dies entspricht einem Temperaturbereich von 15 bis 950°C.

Der Ausgang des AD8495 treibt den nichtinvertierenden Eingang des differenziellen Verstärkers AD8476 der als Spannungsfolger geschaltet ist. Dieser wandelt das massebezogene Eingangssignal in differenzielle Ausgangssignale zum Treiben des A/D-Wandlers.

Ein differenzieller Tiefpass- und ein Gleichtaktfilter vor dem Eingang des AD8495 verhindern, dass HF-Signale, die, falls sie den AD8495 erreichen, gleichgerichtet werden können und als Temperaturschwankungen erscheinen. Die beiden 100-Ω-Widerstände und der 1-μF-Kondensator bilden einen differenziellen Filter mit einer Cutoff-Frequenz von 800 Hz.

Die beiden 0,01-μF-Kondensatoren bilden Gleichtaktfilter mit einer Cutoff-Frequenz von 160 kHz. Ein ähnlicher Filter befindet sich am Ausgang des differenziellen Verstärkers AD8476, bevor das Signal an den A/D-Wandler AD7790 gelangt.

Die Eingänge des AD8495 sind vor Abweichungen der Eingangsspannung bis 25 V von der Versorgungsspannung mit entgegengesetzter Polarität geschützt. Zum Beispiel verkraftet das Bauteil in dieser Schaltung mit einer positiven Versorgung von 5 V und der negativen Versorgung auf Masse (GND) eingangsseitig Spannungen von –20 bis 25 V. Spannungen an den Referenz- und Messpins sollten die Versorgung nicht mehr als 0,3 V übersteigen. Diese Eigenschaft ist speziell in Anwendungen mit kontrollierter Einschaltreihenfolge (Power Supply Sequencing) wichtig. Hier kann es passieren, dass die Signalquelle aktiv ist, bevor die Versorgungsspannungen am Verstärker anliegen.

Die theoretische Auflösung des Systems kann aus der Bandbreite, der Spannungsrauschdichte und der Verstärkung des AD8495 berechnet werden. Die Auflösung Spitze/Spitze (rauschfreier Code) in Bit beträgt 12,4 Bit.

Gleichung 1.
Gleichung 1.

RFC – rauschreier Code [Bit]

RD – Rauschdichte

V – Verstärkung

BW – Bandbreite.

Beim AD8476 handelt es sich um einen komplett differenziellen Präzisionsverstärker mit sehr geringer Stromaufnahme. Der Baustein enthält integrierte, per Laser abgeglichene Dünnfilmwiderstände von 10 kΩ für eine Verstärkung von 1. Der Präzisionsverstärker eignet sich für diese Anwendung gut, da er für den AD8495 eine Last mit relativ hoher Impedanz darstellt.

Der AD7790 ist eine komplette analoge Eingangsstufe (AFE) mit geringem Energieverbrauch. Sie eignet sich für Anwendungen, bei denen Messungen mit niedrigen Frequenzen durchgeführt werden. Das AFE enthält einen rauscharmen Sigma-Delta-ADC mit einer Auflösung von 16 Bit und einem differenziellen Eingang, der gepuffert oder ungepuffert nutzbar ist.

Testergebnisse

Ein wichtiges Maß für die Leistungsfähigkeit der Schaltung ist der Linearitätsfehler. Der Ausgang des AD8495 ist von −25 bis 400°C auf 2°C genau. Um in diesem Bereich oder außerhalb eine noch höhere Genauigkeit zu erzielen, muss ein Algorithmus zur Linearitätskorrektur in Software implementiert werden. Die Testsoftware nutzt die NIST-Tabellen zu Thermospannungen von Thermoelementen, um von 15°C bis 950°C einen Ausgangsfehler von 1°C zu erzielen.

Bild 2 vergleicht die Leistungsfähigkeit des AD8495 mit dem vogestellten System und dem Ergebnis nach der Linearitätskorrektur am ADC-Ausgang. Die Software-Implementierung des Algorithmus’ beschreibt die Application Note AN-1087.

Auch das Rauschen des Systems ist für die Genauigkeit der Schaltung wichtig. Bild 3 zeigt ein Histogramm von 1000 Messungen. Diese Daten wurden mit dem Evaluation Board CN-0271, angeschlossen an die System Demonstration Platform (SDP-B) EVAL-SDP-CB1Z, ermittelt.

Das gemessene Spitze/Spitze-Rauschen beträgt etwa 6 LSB (1 LSB = 4,9 V ÷ 65536 = 74,8 μV). Dies entspricht 0,449 mVss und 13,4 Bit rauschfreier Auflösung.

Dies zeigt, dass der Wandler die rauschfreie Auflösung nicht herabsetzt, da die gemessene Auflösung einer festen Thermoelementeingangsspannung etwa die gleiche Zahl rauschfreier bit liefert wie durch das theoretische Ausgangsrauschen des AD8495 vorausgesagt.

Häufige Varianten

Zur Messung von Minustemperaturen legt man eine Spannung am Referenzpin an, um einen Offset der Ausgangsspannung bei 0°C zu erhalten. Die Ausgangsspannung des AD8495 beträgt

UOUT = (TMJ × 5 mV/°C) + UREF

Den gesamten Bereich des Thermoelements (Typ K) von −200 bis 1250°C kann man messen, indem man die Schaltung so modifiziert, dass sie mit bipolaren Spannungen arbeitet. Beim Betrieb des AD8495 an einer unipolaren Versorgungsspannung werden Messungen von Temperaturen, die unter der Umgebungstemperatur liegen, nichtlinear, da der Ausgang in der Nähe der Versorgungsspannung in die Sättigung geht. Um die Genauigkeit bei niedrigeren Temperaturen beizubehalten sollte eine bipolare Versorgungsspannungen genutzt werden oder der Ausgangspegel angepasst werden, indem man die geeignete Offsetspannung an den Referenzanschluss anlegt.

Der AD8494 ist für Thermoelemente des Typs J kalibriert. Sowohl der AD8494 wie auch der AD8495 sind auf Referenztemperaturen zwischen 0 und 50°C optimiert. Die Bausteine AD8496 (Typ J) und AD8497 (Typ K) sind auf Referenztemperaturen zwischen 25°C und 100°C optimiert. Die Schaltung hat sich hinsichtlich guter Stabilität und Genauigkeit bewährt.

Schaltungsevaluierung und Test

Diese Schaltung nutzt das Board EVAL-CN0271-SDPZ und die System Demonstration Platform (SDP-B) EVAL-SDP-CB1Z. Beide Boards haben 120polige Stecker und ermöglichen so einen schnellen Aufbau und die Evaluierung der Schaltung. Das EVAL-CN0271-SDPZ enthält die zu evaluierende Schaltung, wie in diesem Beitrag beschrieben. Das SDP-B Controller Board wird mit der Evaluation Software CN-0271 verwendet um die Daten vom Schaltungsboard EVAL-CN0271-SDPZ zu erfassen.

Die folgenden Geräte sind erforderlich:

  • Ein PC mit USB-Port und Windows XP oder Windows Vista (32 Bit) oder Windows 7 (32 Bit)
  • Das Schaltungsevaluierungsboard EVAL-CN0271-SDPZ
  • Das SDP-B Controller Board (EVAL-SDP-CB1Z) oder das SDP-S Controller Board (EVAL-SDP-CS1Z)
  • Die SDP Evaluierungssoftware CN-0271
  • Eine 6-V-Stromversorgung (EVAL-CFTL-6V-PWRZ) oder eine äquivalente DC-Versorgung

Aufbau und erste Schritte

Laden der Evaluation Software, indem man die CD mit der Evaluation Software CN-0271 in das CD-Laufwerk des PC einlegt. Jetzt wird das Verzeichnis mit der Evaluation Software ausgewählt und die Software gestartet.

Bild 1 zeigt das Blockschaltbild der hier beschriebenen Schaltung, die sich in der Datei EVAL-CN0271-SDPZ-SCH-RevA.pdf befindet und im Design Support Package CN-0271 enthalten ist.

Zunächst verbindet man den 120poligen Stecker am Schaltungsboard EVAL-CN0271-SDPZ mit dem Stecker CON A am SDP-B Controller Board (EVAL-SDP-CB1Z). Man sollte Nylonschrauben verwenden, um die beiden Boards zu sichern. Dies erfolgt über die Bohrungen an den Enden der 120poligen Steckverbinder.

Bei abgeschalteter Stromversorgung werden der EVAL-CFTL-6V-PWRZ Stecker und die mit J5 bezeichnete Buchse miteinander verbunden. Falls dies nicht möglich ist, verbindet man die Pins +6 V und GND mit den vorgesehenen zweipoligen Schraubklemmen von J4 am Board. Das mit dem SDP-B Board mitgelieferte USB-Kabel wird an den USB-Port am PC angeschlossen.

Jetzt verbindet man einen Anschluss eines Thermoelements (Typ K) mit J1 am Board und das andere Ende mit dem Testequipment.

Test

Man startet die Evaluation Software und verbindet das USB-Kabel vom PC zum mini-USB Stecker am SDP-B Board. Sobald eine Kommunikation hergestellt ist, kann man das SDP-B Board nutzen, um serielle Daten vom Board EVAL-CN0271-SDPZ zu senden, zu empfangen oder zu erfassen.

Bild 4 zeigt einen Screenshot des SDP-B Evaluation Software Interface. In Bild 5 ist das Evaluation Board EVAL-CN0271-SDPZ und das SDP-B Board zu sehen. Informationen über das SDP-B Board findet man im Benutzerhandbuch UG-277.

* James Fitzgerald ist als Applikationsingenieur bei Analog Devices in Wilmington, USA, tätig.

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