Temperaturen präzise messen

Auswahl der Bauelemente

Die verwendeten Bauteile müssen bestimmte Eigenschaften haben, um den Anforderungen des Messverstärkers und der gesamten Signalkette gerecht zu werden. Die folgenden Punkte geben einen Überblick:

• Für den Eingangsverstärker muss ein äußerst driftarmer Instrumentenverstärker verwendet werden, denn die Thermospannungen liegen im Bereich von ca. 6 μV/K bis 50 μV/K.
• Die Offsetspannung des Eingangsverstärkers muss möglichst gering sein, um bei hoher Verstärkung (für sehr kleine Thermospannungen) den Instrumentenverstärker nicht in die Aussteuergrenze zu treiben.
• Eine hohe Gleichtaktunterdrückung ist für eine störungsfreie Messung notwendig.
• Für die Vergleichsmessstelle sollte ein Temperaturfühler gewählt werden, der über den gesamten Einsatz-Temperaturbereich die richtige Korrekturspannung liefert.
• Der A/D-Wandler sollte nach dem Delta-Sigma-Prinzip arbeiten und über eine 50-Hz/60-Hz-(sin x)/x-Filterfunktion verfügen.

Zum Aufbau des Thermoelementverstärkers werden fünf aktive und nur wenige passive Bauelemente benötigt. Die Basis der Schaltung (Bild 4) bilden der Instrumentenverstärker EL8173, die Temperatur/Spannungs- Referenz ISL21400 zur Kaltstellenkompensation und das digitale Potentiometer ISL95810 zur Einstellung der Verstärkung in Abhängigkeit des Thermoelementtyps. Hinzu kommen der 22-bit-Delta-Sigma-A/D-Wandler MCP355x und die passende, stabile 2,5-V-Spannungsreferenz ISL21009- 25. Alle Elemente benötigen eine Spannungsversorgung von 5 V. Bei den passiven Bauelementen hat Rutronik Metallschichtwiderstände mit einer Toleranz von einem Prozent sowie MKP-Filterkondensatoren hoher Güte von Wima und Arcotronics ausgewählt. Zur Entkopplung kommen Tantal- Kondensatoren von AVX zum Einsatz.

Schaltungstechnik im Detail

Der Micropower-Instrumentenverstärker wurde mit seinen Rail-to-Rail- Eigenschaften speziell für eine Versorgungsspannung von 5 V optimiert. Zur Bandbreitenbegrenzung und Rauschreduzierung sowie als effektive Filterung der Störungen für Sensoren in den Zuleitungen dient das Tiefpassfilter (8 Hz) mit den Eingangswiderständen R₁ und R₂ und dem Kondensator C₁. Die Eingangskapazitäten des Instrumentenverstärkers wirken zusammen mit den Widerständen R₁ und R₂ als Gleichtaktfilter zur Kompensation der mit zunehmender Frequenz limitierten Gleichtaktunterdrückung des Instrumentenverstärkers.

Ein weiteres Tiefpassfilter an den positiven Feedback-Eingängen R₄, R₅ und C₂ reduziert das Spannungsrauschen der Spannungsreferenz mit einer Tiefpassfrequenz von 1,6 Hz. Die Widerstände R₁ und R₂ wirken zusätzlich als Eingangsstrombegrenzung bei Übersteuerung der Instrumentenverstärker- Eingänge. Dies wird zwar beim Anschluss des niederohmigen Thermoelements mit seinen kleinen Spannungen kaum passieren, doch bei extremen Störspitzen bzw. einem versehentlichen Anschluss einer Spannungsquelle bieten die Widerstände Schutz vor Zerstörung.

Der Widerstand R3 sorgt für einen definierten Bezugspunkt an den Instrumentenverstärkereingängen und verhindert eine Übersteuerung des Instrumentenverstärkers EL8173 bei offenen Eingangsklemmen. Bei der Topologie der Schaltung wurde gezielt darauf geachtet, einen  »echten« Differenzverstärker einzusetzen. Somit lässt sich sowohl ein so genanntes Floating- Thermoelement ohne Massebezug, wie in der Praxis meist üblich, als auch ein massebezogenes Thermoelement anschließen.

1. Temperaturen präzise messen
2. Heiß oder kalt: das Messprinzip
3. Auswahl der Bauelemente
4. Programmierbare Flexibilität

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