Schaltungstipp Präzise Temperaturmessung mit Thermoelementen des Typs K

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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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.

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 mV_ss 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.

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