USB-basierte Temperaturüberwachung mit Kaltstellen-Kompensation

Anbieter zum Thema

GLYN GmbH & Co. KG

MTM Power Messtechnik Mellenbach GmbH

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Analog Devices

Thermoelement und Pt100

Sowohl das Thermoelement als auch der Pt100 liefern sehr schwache Signale, die deshalb mit einem PGA verstärkt werden müssen. Da der zweite A/D-Wandler im ADuC7060/ADuC7061 über keinen PGA verfügt, werden beide Signale an den primären A/D-Wandler angeschlossen, der dazu Software gesteuert fortlaufend zwischen beiden Signalen umschaltet.

Das in dieser Applikation verwendete Thermoelement ist vom Typ T mit einem Temperaturbereich von –200 bis 350°C. Die Empfindlichkeit beträgt ca. 40 µV/K. Der A/D-Wandler im bipolaren Modus, kombiniert mit dem auf eine Verstärkung von 32 eingestellten PGA, kann somit den gesamten Temperaturbereich des Thermoelements abdecken.

Kaltstellen-Kompensation

Der Pt100 wird für die Kaltstellen-Kompensation verwendet. In dieser Applikation kommt ein Enercorp PCS 1.1503.1 zum Einsatz, das in einem oberflächenmontierbaren Gehäuse im 0805-Format angeboten wird. Der RTD besitzt einen Temperaturkoeffizienten von 0,385 Ω/K.

Als Referenzwiderstand R_REF sollte ein Präzisionswiderstand mit 5,62 kΩ (±0,1%) verwendet werden.

Die USB-Schnittstelle des ADuC7060/ADuC7061 wird mit einem UART-zu-USB-Wandler implementiert.

Ergänzend zu der in Bild 1 dargestellten Entkopplung sollte auch das verwendete USB-Kabel mit einer Ferritperle versehen sein, um den Störschutz zu verbessern. Die in der Schaltung eingesetzten Ferritperlen sind vom Typ BK2125HS102-T (Taiyo Yuden), die bei 100 MHz eine Impedanz von 1000 Ω aufweisen.

Für die Schaltung wird eine mehrlagige Leiterplatte mit einer großen Massefläche benötigt. Voraussetzung für optimale Ergenisse ist die Anwendung geeigneter Techniken für Layout, Masseverbindung und Entkopplung. Die Leiterplatte des EVAL-ADUC7061MKZ ist in Bild 2 zu sehen.

Beschreibung des Quellcodes

Der zum Testen der Schaltung verwendete Quellcode kann als Zip-Datei von der Internetseite heruntergeladen werden.

Der UART wird für 9600 Baud und 8 Datenbits konfiguriert (ohne Parität und Datenflusskontrolle). Wird die Schaltung direkt mit einem PC verbunden, kann ein Kommunikationsprogramm wie HyperTerminal verwendet werden, um die vom Programm an den UART geschickten Resultate anzusehen (Bild 3).

Temperaturwerte bestimmen

Um einen Temperaturwert zu erhalten, müssen die Temperaturen des Thermoelements und des Pt100 gemessen und addiert werden. Damit lässt sich dann die absolute Temperatur am Thermoelement bestimmen.

Zunächst muss die Spannung an den beiden Zuleitungen des Thermoelements in eine Temperatur umgewandelt werden. Ursprünglich erfolgte dies auf Basis einer einfachen linearen Funktion, wonach die Spannung am Thermoelement 40 µV/K beträgt.

Bild 4 zeigt, dass diese Vereinfachung nur in einem kleinen Bereich bei 0°C einen akzeptablen Fehler ergibt. Besser lässt sich die Thermoelement-Temperatur errechnen, wenn für positive Temperaturen ein Polynom 6. Ordnung und für Temperaturen unter dem Nullpunkt ein Polynom 7. Ordnung verwendet wird.

Dies aber erfordert mathematische Operationen, die die Rechenzeit und den Umfang des Codes erhöhen. Als Kompromiss bietet sich an, die Temperaturen für eine bestimmte Anzahl von Werten vorab zu berechnen und in einer Wertetabelle abzulegen. Zwischenwerte lassen sich durch lineare Interpolation ermitteln. Bild 5 macht deutlich, dass sich der Fehler mithilfe dieser Methode drastisch reduziert.

In Bild 5 ist der Fehler des Algorithmus mit idealen Thermoelement-Spannungen wiedergegeben. Bild 6 wiederum zeigt den Fehler beim Messen von 52 gleichmäßig über den Temperaturbereich verteilten Thermoelement-Spannungen. Der größte Fehler ist hier kleiner als 1°C.