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

Eine alternative Messlösung

Eine zweite Messlösung ist auf Genauigkeit und Flexibilität optimiert. Diese erlaubt Messungen mit Thermoelementen der Typen J, K oder T mit hoher Genauigkeit. Die Schaltung enthält einen hochgenauen A/D-Wandler zur Messung der relativ niedrigen Thermoelementspannung und einen sehr genauen Temperatur-Sensor, um die Referenzstellentemperatur zu messen. Beide Bauteile werden von einem separaten Mikrocontroller über eine SPI-Schnittstelle gesteuert. Zu sehen ist ein Thermoelement mit einer exponierten Messspitze für eine optimale Reaktionszeit. Auch hier muss die Signalkette die oben genannten Anforderungen an die Signalaufbereitung adressieren.

Wieder ist der erste Schritt die Spannungsverstärkung: Der A/D-Wandler AD7793 (Bild 5) mit geringem Stromverbrauch dient zum Messen der Spannung am Thermoelement. Die Anschlüsse des Thermoelements sind mit den differenziellen Eingängen AIN1+ und AIN1- verbunden und gelangen über einen Multiplexer und über einen Puffer an einen Instrumentenverstärker, welcher das kleine Spannungssignal des Thermoelements verstärkt.

Da der Eingangskanal gepuffert ist, befinden sich Filterkondensatoren an der Eingangsstufe. Rauschen, welches eventuell an den Anschlüssen des Thermoelements vorhanden ist, wird somit eliminiert.

Der AD7320 (Bild 6) misst die Referenzstellentemperatur bei -10 bis +85 °C auf +/-0,2 °C genau. Ein On-Board-Temperatursensor sorgt für eine zur absoluten Temperatur proportionale Spannung. Diese wird mit einer internen Referenzspannung verglichen und in einen digitalen Präzisionsmodulator gespeist. Das digitalisierte Ergebnis des Modulators wird zur Aktualisierung eines 16bit-Registers mit Temperaturwerten verwendet. Das Temperaturwertregister kann dann von einem Mikrocontroller über ein SPI zurückgelesen werden. Auch hier gilt es, den Temperatursensor möglichst nahe an der Referenzstelle zu platzieren, um die genaue Werte zu erhalten.

Nichtlinearität korrigieren: Der AD7320 bietet eine ausgezeichnete Linearität über den gesamten Temperaturbereich (–40 bis +125 °C). Korrekturen oder eine Kalibrierung durch den Anwender sind nicht erforderlich.

Zur Bestimmung der tatsächlichen Thermoelementtemperatur muss die Referenztemperaturmessung in eine äquivalente thermoelektrische Spannung gewandelt werden. Dies geschieht mit Gleichungen, welche das National Institute of Standards and Technology (NIST) bereitstellt. Die Spannung wird dann zu der durch den AD7793 gemessenen Thermoelementspannung addiert. Anschließend wird die Summe - ebenfalls mit Gleichungen des NIST - zurück in eine Thermoelementtemperatur übersetzt.

Die Leistungsfähigkeit der softwarebasierten Referenzstellenmessung wird in Tabelle 2 zusammengefasst.

Thermoelement- TypTemperaturbereich Messstelle
Temperaturbereich Referenzstelle
Genauigkeit bei 25 °C
Leistungs-aufnahme
J, K, TGesamter Bereich-10 bis +85 °C/-20 bis +105 °C+/- 0,2 K/+/- 0,25 K3 mW/ 3mW
Tabelle 2: Zusammenfassung der Leistungsfähigkeit der softwarebasierten Referenzstellenmessung.