Digital konfigurierbare Thermoelementverstärker mit Kaltstellenkompensation und hochauflösendem A/D-Wandler Aufbau einer Thermoelementverstärker-Schaltung #####

Gegenüber Temperatursensoren haben Thermoelemente einige Vorteile: Sie sind unempfindsam gegenüber extremen Temperaturen, Druck, Vibration oder chemischen Einflüssen. Verbunden mit fünf aktiven Bauteilen kann man mit ihnen messtechnische Lösungen mit hoher Präzision sehr flexibel realisieren.

Digital konfigurierbare Thermoelementverstärker mit Kaltstellenkompensation und hochauflösendem A/D-Wandler

Gegenüber Temperatursensoren haben Thermoelemente einige Vorteile: Sie sind unempfindsam gegenüber extremen Temperaturen, Druck, Vibration oder chemischen Einflüssen. Verbunden mit fünf aktiven Bauteilen kann man mit ihnen messtechnische Lösungen mit hoher Präzision sehr flexibel realisieren.

Die Messung mit Thermoelementen ist eine etablierte Methode zur Erfassung von sehr hohen und sehr niedrigen Temperaturen. Die Vorteile liegen in der guten Auflösung, der relativ hohen Genauigkeit und dem einfachen Aufbau: Ein Thermoelement besteht aus zwei verschiedenen, an der Spitze zusammengeschweißten Metalldrähten. Für verschiedene Typen von Thermoelementen hat Rutronik (www.rutronik.com) einen universellen Messverstärker entwickelt.

Die Schaltung enthält einen integrierten Halbleitersensor, der je nach Spezifikation der Klemmentemperatur des Thermoelements (Kaltstelle) mit einer Toleranz von ca. ± 0,5 K misst. Der komplette Messverstärker wird aus fünf Komponenten gebildet: aus dem Instrumentenverstärker EL8173, dem Halbleitersensor ISL21400, dem digitalen Potentiometer ISL95810 zum Verstärkungsabgleich – alle Bauteile stammen von Intersil (www.intersil.com) – sowie dem 22-bit-Delta-Sigma-A/D-Wandler MCP3550 von Microchip (www.microchip.com) mit der dazugehörigen Spannungsreferenz ISL21009-25, ebenfalls von Intersil. Am Ausgang steht dem Anwender eine der Temperaturkurve entsprechende proportionale Spannung zur Verfügung. Die Schaltung arbeitet mit einer einfachen 5-V-Spannungsversorgung.

Die Schaltungstopologie bietet Flexibilität: Die Schaltung ist für einen großen Arbeitstemperaturbereich ausgelegt und kann so beliebige Temperaturen erfassen; die Konfigurierbarkeit der Schaltung über die I²C-Schnittstelle erlaubt jegliche Anpassung – auch bei In-Circuit-Programmierungen. Außerdem ist die Schaltung schnell genug, um auch in thermischen Regelkreisen oder bei Diagnosefunktion von verschiedenen Aggregaten eingesetzt zu werden. Auf eine analoge Linearisierung der Thermoelementkennlinie wurde im Zeitalter von kostengünstigen Mikrocontrollern im Cent-Bereich bewusst verzichtet. Zum einen lässt sich die Schaltung damit sehr universell auslegen und zum anderen kann ein nachfolgender Mikrocontroller eine gezielt auf den jeweiligen gewünschten Temperaturbereich und auf das Thermoelement abgestimmte Korrekturkennlinie zur Linearisierung benutzen.