Analogtipp Einfache Schaltung erfasst sehr kleine Temperaturdifferenzen

In diesem Analogtipp stellen wir eine Schaltung vor, mit der sich Temperaturdifferenzen im Bereich von –250 bis 850°C sehr genau bestimmen lassen.

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Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Analog Devices

In vielen Anwendungen ist es wichtiger, die Temperaturdifferenz zwischen zwei Punkten in einem System zu messen als die Temperatur nur an einem oder dem anderen Punkt. So wird zum Beispiel die Temperaturdifferenz zwischen dem Zu- und Ablauf einer Heizungsanlage verwendet, um den Wirkungsgrad des Systems, das heißen Dampf durch Radiatoren in einem Appartement zirkuliert, zu berechnen. Die absolute Temperatur in diesem System zu kennen ist hingegen nicht relevant.

Eine Möglichkeit die Temperaturdifferenz zu ermitteln ist die Spannungsdifferenz zwischen zwei Widerstandsthermomethern (RTDs) zu messen. Dabei befindet sich ein RTD am Eingang des Heizsystems und der andere am Ausgang. Leider sind Widerstandsthermometer teuer, haben nur eine geringe Empfindlichkeit und müssen durch eine stabile Stromquelle angeregt werden.

Bild 1 zeigt eine einfache Schaltung, welche die Temperaturdifferenz misst. Die Temperaturtransducer AD590 erzeugen Ausgangsströme, die proportional zur absoluten Temperatur (PTAT) sind. Diese Ströme fließen durch die Widerstände R1 und R2. Die Spannungsdifferenz zwischen ihnen repräsentiert die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Sensoren. Dieser Spannungsabfall wird verstärkt und liefert eine auf Masse bezogene Ausgangsspannung, die mit einem A/D-Wandler gemessen werden kann. Kalibrierung und Fehlerkorrektur können über Software erfolgen, um eine genaue Messung zu erhalten.

Die Temperaturtransducer liefern zur absoluten Temperatur proportionale Ausgangsströme mit einem typischen Wert von 1 µA/K oder 298,2 µA bei Zimmertemperatur (25°C). Das Widerstandsthermometer, über eine geschirmte, nicht auf Masse liegende Zweidrahtleitung verbunden, kann sich in einer Entfernung von mehr als 300 m von der Schaltung befinden. Die Temperaturmessung ist differenziell. Selbsterwärmungseffekte werden somit ausgelöscht. Auch ist keine präzise Linearisierungsschaltung erforderlich.

Der Ausgangsstrom des AD590 fließt durch einen 10-kΩ-Widerstand und bewirkt eine Spannung von 10 mV/K. Der Instrumentenverstärker AD8220 mit JFET-Eingang konfiguriert für eine Verstärkung von 10, liefert ausgangsseitig 100 mV/°C. Somit entspricht der erzielbare Ausgangsbereich an einer 5-V-Stromversorgung einem differenziellen Temperaturbereich von ±25°C in einem Bereich von –55 bis 150°C. Für den AD8220 sind Eingangsbiasströme von 10 pA (max.) spezifiziert. Somit sind durch Biasströme induzierte Fehler vernachlässigbar.

U_DIFF, die Spannungsdifferenz zwischen den zwei Eingängen des Instrumentenverstärkers, berechnet sich zu

U_DIFF = (R2 × I2) – (R1 × I1),

mit R1= R2 = R wird

U_DIFF = R × (I2 – I1).

Die Übertragungsfunktion der Schaltung wird damit

U_OUT = (G × U_DIFF) + U_REF.

Darin ist G die Verstärkung des Instrumentenverstärkers. Diese kann wie folgt berechnet werden:

G = 1+ (49,4 kΩ/RG)

RG ist der externe Widerstand über den RG-Anschlüssen.

Kleine Temperaturdifferenzen lassen sich erfassen, indem man R1 und R2 oder die Systemverstärkung erhöht. Dabei muss ein Kompromiss zwischen Messbereich und Genauigkeit gefunden werden. Wird zum Beispiel der Widerstand auf 2 kΩ gesenkt, reduziert sich die Empfindlichkeit auf 20 mV/°C. Allerdings steigt der Messbereich auf ±125°C. Mit dieser Schaltung lässt sich die Temperaturdifferenz zwischen zwei Punkten innerhalb des Temperaturbereichs zu jeder beliebigen Zeit aufzeichnen.

Tabelle 1 zeigt den Temperaturbereich und die Empfindlichkeit der Schaltung, basierend auf den Widerstandswerten für R1 und R2 sowie der Verstärkung G. Die Schaltung kann eine Temperaturdifferenz mit einem Fehler von 0,05°C erfassen.

Die Toleranz der beiden Widerstände kann einen Verstärkungsfehler bewirken. Widerstände mit einer Toleranz von 1% können einen Verstärkungsfehler von bis zu 2% hervorrufen. Dies kann zu einem Ausgangsfehler von 0,5°C führen. Die Offset- und Verstärkungsfehler lassen sich über Softwarekalibrierung messen und eliminieren. R1 und R2 sollten gut aufeinander abgestimmt (Matching) sein oder Bauteile mit geringem Temperaturkoeffizienten (<10 ppm/°C) sein.

Die Spannung am REF-Anschluss ist auf mittlere Versorgung (2,5 V) eingestellt. Der Einfachheit halber sollte man einen Widerstandsteiler von der Versorgung, gefolgt von einem Puffer zum REF-Anschluss verwenden, um eine niedrige Impedanz zu erhalten.

Die Topologie dieser Schaltung ist nicht durch den Bereich von –55 bis 150°C des AD590 eingeschränkt. Für einen größeren Bereich können die AD590s durch RTDs ersetzt werden, um die differenziellen Temperaturen über einen Bereich von –250 bis 850°C zu messen. Mit RTDs tragen die Spannungsabfälle auf den Verbindungsleitungen zum Gesamtfehler bei. Daher muss so genanntes „Kelvin Sensing” eingesetzt werden.

* Chau Tran arbeitet als Applikationsingenieur bei Analog Devices in Wilmington, USA.

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