Thermometer mit Korrelationsverfahren
Widerstand ist zwecklos
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Messaufbau mit Sigma-Delta-Wandler
Besteht eine DC-Gegentaktstörung (Normal Mode), kann diese als Gleichspannungsquelle in Reihe mit dem Prüfling geschaltet bzw. dargestellt werden (Bild 3). Subtrahiert man nun die bei umgekehrter Polarität gemessene Spannung UBC2 von UBC1 und dividiert den Wert durch zwei, so erhält man die Messspannung (siehe Gleichung 7).
(7)
Da die Störgröße konstant ist (Gleichspannung), was nicht mit dem Umpolen der speisenden Stromquelle korreliert, kürzt sich UM bei der Subtraktion in Gleichung 7.
Delta-Sigma-Wandler
Mit dem 16-bit-Delta-Sigma-Wandler »ADS1148« (UB = 3,3 V) wurde ein Messsystem aufgebaut, um Widerstände zwischen 0 und 500 Ω mithilfe des geschilderten Prinzips der Korrelation in Bezug auf eine integrierte 2,048-V-Referenz zu messen.
Im ADC werden ein Speisestrom von IM = 250 µA und eine Verstärkung des PGA von acht eingestellt. Die Verstärkung führt zu einem Eingangsspannungsmessbereich von ±256 mV. Der Maximalwert für RM von 500 Ω ergibt mit dem Speisestrom von 250 µA eine Spannung von 125 mV, was knapp 50 % des Eingangsspannungsmessbereichs entspricht. Damit kann das Messsystem Störer bis zu einem Pegel, der dem maximal auftretenden Nutzsignal entspricht, ohne Verfälschung verarbeiten. Ein ADC mit 16 bit liefert eine Auflösung von 31 mΩ (Gleichung 8).
(8)
Die Datenrate wird auf 20 SPS eingestellt sodass AC-Störer bei 50 Hz und 60 Hz besonders gut unterdrückt werden.Störfestigkeit
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Für die Untersuchung der Störfestigkeit wird die Störspannungsquelle mit einem 22-kΩ-Widerstand in Reihe parallel zum Prüfling geschaltet (Bild 4). Zwei Elektrolyt-Kondensatoren entkoppeln, um die AC-Störer zu untersuchen. Man vergleicht Messungen mit einer Störspannung (UDC +20 V oder –20 V) mit Messungen ohne Störung. Während im ungestörten Betrieb die Spannung zwischen den Punkten
B und C je nach Polarität der Messung +55 mV oder –55 mV beträgt, addiert sich bei einer Störspannung von UDC = +20 V ein zusätzlicher Spannungsabfall von 198 mV (Gleichung 9). Das Störsignal beträgt also das 3,6-fache des Nutzsignals (Gleichung 9).
(9)
Der gemessene Widerstand ändert sich durch die Störspannung um 0,1 Ω unabhängig von der Polarität der Störung. Gemäß Gleichung 10 entspricht dies einer Störunterdrückung von ADC = –78 dB (Gleichung 10).
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Hinsichtlich AC-Störern erreicht man bei einer Amplitude von 9 V (18 Vpp), für Frequenzen von 50 Hz und 60 Hz, eine Mindeststörunterdrückung von –76,4 dB.
Zusammenfassung
Die Messergebnisse zeigen, dass die Störunterdrückung eines Delta-Sigma-Wandlers unter Zuhilfenahme des Korrelationsverfahrens gegenüber netzfrequenten Störern möglich ist; auch gegenüber Gleichspannungsstörern. Ohne Korrelation – keine Unterdrückung. Mit dem vorgestellten Konzept kann bei Störspannungen in der Größenordnung des maximalen Nutzsignals mit einer Störunterdrückung von –78,0 dB eine Beeinflussung der Messung verhindert werden. Wird höhere Auflösung benötigt, kann ein ADC mit höherer Auflösung (z. B. 24 bit) eingesetzt werden. (vw)
Über die Autoren:
Prof. Dr. M. Junker ist Leiter des Fachbereichs Prozessmesstechnik am Institut für Leistungselektronik und Antriebstechnik der Fakultät für Elektrotechnik an der Hochschule Mannheim und E. Petrevska ist Entwicklungsingenieurin für Fabrikautomation bei Pepperl + Fuchs, Mannheim.
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