Temperaturen messen mit Thermoelementen Kaltstellenkompensation auf Basis Hardware und Software - ein Vergleich

Kompensation der Nichtlinearität

Die Nichtlinearität eines Thermoelements lässt sich auf drei Arten kompensieren:

Bei der ersten Möglichkeit wählt man einen relativ flachen Bereich der Kurve und approximiert die Steigung linear an. Diese Methode funktioniert besonders gut über einen begrenzten Temperaturbereich und verlangt keine komplizierten Berechnungen.

Bei der zweiten Möglichkeit legt man in einem Speicher eine Lookup-Tabelle ab, welche die Thermoelementspannungen in die jeweilige Temperatur abbildet. Dabei wird zur Interpolation zwischen den Punkten der Lookup-Tabelle eine lineare Approximation verwendet.

Die dritte Möglichkeit nutzt Gleichungen höherer Ordnung, welche das Verhalten des Thermoelements modellieren. Zu beachten ist, dass die sowohl die Tabellen als auch die Thermoelementgleichungen auf einer Referenzstellentemperatur von 0 °C basieren. Eine Referenzstellenkompensation muss für andere Referenzstellentemperaturen durchgeführt werden.

Des Weiteren gibt es Thermoelemente mit isolierten und nicht isolierten Messstellen. Die Signalaufbereitung für ein Thermoelement sollte so aufgebaut werden, dass bei Messungen mit einem isolierten (massebezogenen) Thermoelement keine Masseschleifen vorhanden sind. Dennoch sollte für Messungen mit einem isolierten Thermoelement auch ein Pfad für die Eingangsbiasströme des Verstärkers zur Verfügung stehen. Falls die Messspitze des Thermoelements isoliert ist, sollte der Eingangsbereich des Verstärkers so ausgelegt sein, dass er mit allen Differenzen des Massepotenzials zwischen Thermoelementspitze und Masse des Messsystems zurechtkommt.

Gegenüber anderen Lösungen zum Messen von Temperaturen ist die komplexe Signalaufbereitung für ein Thermoelement von Nachteil: Die zur Entwicklung und zum Debugging der Signalaufbereitung erforderliche Zeit kann nämlich die Zeit bis zur Markteinführung eines Produkts verlängern. Außerdem können sich Fehler in der Signalaufbereitung, speziell im Bereich der Kaltstellenkompensation, negativ auf die Genauigkeit auswirken. Die folgenden zwei Lösungen adressieren diese Belange:

Bei der ersten Lösung handelt es sich um eine einfache, integrierte Hardwarelösung, bei der die Referenzstellenkompensation in die Thermoelementmessung eingebaut ist. Die zweite Lösung ist eine softwarebasierte Referenzstellenkompensation. Diese Lösung bietet eine höhere Messgenauigkeit sowie genügend Flexibilität für den Einsatz vieler verschiedener Thermoelemente.

Messlösung 1: Optimiert auf Einfachheit

Bild 3 zeigt eine Blockschaltung für Messungen mit einem Thermoelement des Typs K. Die Schaltung basiert auf dem Thermoelementverstärker AD8495 von Analog Devices, welcher speziell für Messungen mit Typ-K-Thermoelementen entwickelt wurde. Die Leistungsdaten sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Optimiert ist diese integrierte Hardware-Lösung auf eine minimale Entwicklungszeit; daher hat sie eine einfache Signalkette und kommt ohne Software-Codierung aus. Nun gilt es, mit dieser einfachen Signalkette die oben beschriebenen Anforderungen an die Signalaufbereitung zu adressieren.

Zuerst wird das kleine Signal wird vom AD8495 mit einer Verstärkung von 122 verstärkt. So entsteht am Ausgang ein Signal von 5 mV/°C. Sowohl das HF-Gleichtakt- als auch das differentielle Rauschen werden mit dem RFI-Filter vor dem Baustein entfernt. Niederfrequentes Gleichtaktrauschen unterdrückt der Instrumentenverstärker des AD8495; noch verbleibendes Rauschen entfernt das Filter nach dem Thermoelementverstärker.

Thermoelement- TypTemperaturbereich Messtelle
Temperaturbereich Referenzstelle
Genauigkeit bei 25 °C
Leistungs-aufnahme
 K -25 bis +400 °C
 0 bis +50 °C
 +/- 3 K (A-Grade), +/- 1 K (C-Grade)
 1,25 mW
Tabelle 1: Zusammenfassung der Leistungsfähigkeit der integrierten Hardware-Lösung.

Der Baustein enthält einen Temperatursensor und kompensiert intern Änderungen der Umgebungstemperatur. Das Bauteil muss in der Nähe der Referenzstelle platziert werden, damit beide die gleiche Temperatur annehmen. Nur so arbeitet die Referenzstellenkompensation richtig.

Dann gilt es die Nichtlinearität zu korrigieren: Der Thermoelementverstärker ist so kalibriert, dass er am Ausgang des linearen Bereichs der K-Typ-Thermoelementkurve 5 mV/°C liefert. Im Temperaturbereich von -25 bis +400 °C beträgt der Linearitätsfehler weniger als 2 °C. Falls Temperaturen jenseits dieses Bereichs gemessen werden müssen, wird der Temperaturbereich mit Hilfe einer Lookup-Tabell oder einer Gleichung in einem Mikroprozessor erweitert; diese Vorgehensweise wird hier aber nicht beschrieben.

In der Blockschaltung (Bild 3) ist ein Widerstand von 1 M-Ohm mit Masse verbunden. Dies ermöglicht den Einsatz von Thermoelementen mit oder ohne Isolation an den Messspitzen. Der AD8495 wird hier mit einer unipolaren Spannung von 5 V versorgt. Das Bauteil wurde speziell zur Messung einiger Hundert mV unter Massepotenzial mit einer unipolaren Spannung entwickelt. Falls eine größere Massedifferenz zu erwarten ist, kann der Verstärker auch mit bipolaren Spannungen arbeiten.

Bild 4 zeigt das Blockdiagramm des Thermoelementverstärkers AD8495. Die Verstärker A1, A2 und A3 sowie die Widerstände bilden einen Instrumentenverstärker; dieser verstärkt die Spannung des Thermoelements so, dass eine Ausgangsspannung von 5 mV/°C entsteht. In der mit Referenzstellenkompensation bezeichneten Funktionseinheit befindet sich ein Sensor, der die Umgebungstemperatur erfasst. Mit steigender Referenzstellentemperatur sinkt die differentielle Spannung am Thermoelement.

Zur Kompensation speist die Referenzstellenkompensationsschaltung in den Verstärker eine zusätzliche Spannung ein, damit die Ausgangsspannung konstant bleibt.