USB-basierte Temperaturüberwachung mit Kaltstellen-Kompensation

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GLYN GmbH & Co. KG

MTM Power Messtechnik Mellenbach GmbH

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Analog Devices

Pt100-Temperatur bestimmen

Die Pt100-Temperatur wird dagegen mithilfe einer linearen Funktion bestimmt, denn die Temperaturänderungen des Widerstandsthermometers dürften gering sein und es sind keine nennenswerten Fehler durch Nichtlinearitäten zu erwarten.

Als Alternative können für den Pt100 die gleichen Wertetabellen eingerichtet werden wie für das Thermoelement. Dabei ist zu beachten, dass die Temperatur-Widerstands-Kurve des Pt100 mit einem anderen Polynom beschrieben wird.

Details zur Linearisierung und Ergebnismaximierung des Pt100 finden Sie im Applikationshinweis AN-0970 (RTD Interfacing and Linearization Using an ADuC706x Microcontroller).

Gängige Abwandlungen

Der Reglerbaustein ADP3333-2.5 kann durch den Baustein ADP120-2.5 ersetzt werden, der einen größeren Temperaturbereich von –40 bis 125°C bietet und weniger Strom zieht (typisch 20 μA statt 70 μA), dafür aber für eine geringere maximale Eingangsspannung (5,5 V statt 12 V) ausgelegt ist.

Werden am Mikrocontroller mehr GPIO-Pins benötigt, ist der ADuC7060, der im LFCSP- oder LQFP-Gehäuse mit 48 Pins angeboten wird, eine weitere Option. Programmierung und Debugging des ADuC7060/ADuC7061 können über ein herkömmliches JTAG-Interface erfolgen.

Für eine gewöhnliche UART/RS-232-Schnittstelle kann der UART-zu-USB-Wandler durch den ADM3202 ersetzt werden, der eine Versorgungsspannung von 3 V benötigt. Soll der Temperaturbereich größer sein, kann ein anderes Thermoelement (beispielsweise vom Typ J) verwendet werden.

Um den Fehler der Kaltstellen-Kompensation zu minimieren, ist es möglich, den Pt100 nicht auf der Leiterplatte zu montieren, sondern direkt mit der Vergleichsstelle in Kontakt zu bringen.

Anstatt die Vergleichsstellen-Temperatur mit einem Pt100 und einem externen Referenzwiderstand zu messen, kann auch ein externer digitaler Temperatursensor eingesetzt werden. Unter anderem lässt sich der ADT7410 über die I²C-Schnittstelle an den ADuC7060/ADuC7061 anschließen.

Weitere Einzelheiten zum Thema Kaltstellen-Kompensation finden sich im Kapitel zu Temperatur Sensoren (Kapitel 7) des Buches „Sensor Signal Conditioning“ von Analog Devices.

Ist eine Isolation zwischen dem USB-Steckverbinder und dieser Schaltung erforderlich, sollten die Isolationsbausteine ADuM3160/ADuM4160 hinzugefügt werden.

Evaluierung und Test der Schaltung

Der Testaufbau ist in Bild 7 zu sehen. Das Thermoelement ist an J2-8 und J2-9 angeschlossen und J2-5 ist mit J2-8 zu verbinden. Die Stromversorgung des EVAL-ADUC7061MKZ erfolgt über den USB-Anschluss vom PC.

Zwei Methoden wurden angewandt, um die Leistungsfähigkeit der Schaltung zu evaluieren. Zunächst wurde die Schaltung getestet, indem das Thermoelement an das Board angeschlossen und Eiswasser bzw. kochendem Wasser ausgesetzt wurde.

Der Multifunktionskalibrator Wavetek 4808 wurde benutzt, um vollständige Aussagen über den Fehler zu bekommen (Bilder 4 und 6). Anstelle des Thermoelements wurde hierbei das Kalibriergerät als Spannungsquelle verwendet, wie in Bild 7 dargestellt.

Um den gesamten Bereich eines Thermoelements vom Typ T abzudecken, wurde das Kalibriergerät auf 52 Thermoelement-Spannungen im Bereich von –200 bis 350°C eingestellt, sodass der negative und der positive Temperaturbereich des Thermoelements vom Typ T erfasst wurde (siehe hierzu die ITS-90-Tabelle für Thermoelemente vom Typ T).

Um die Genauigkeit des Algorithmus für die Wertetabellen zu beurteilen, wurden 551 Spannungswerte, die mit Abständen von jeweils 1 K Temperaturen im Bereich von –200 bis 350°C abdecken, an die Temperaturberechnungsfunktionen übergeben. Anschließend wurden die Fehler für die lineare Methode und die sukzessive Approximation (Bilder 4 bzw. 5) errechnet. //

* * Michael Looney, Alexandru Buda ... arbeiten als Applikationsingenieure im Evaluierungs- und Design-Support bei Analog Devices in Norwood/USA.