Mit drei rauscharmen und selbstkalibrierenden Delta-Sigma-A/D-Wandlern (24 Bit) mit proprietären Live-at-zero-Eingangspuffern löst der LTC2983 von Linear Technology die Herausforderungen des hochpräzisen Messens eines Thermoelements. Der Baustein ist einfach einzusetzen und kann vielseitig zur Digitalisierung von Dioden der Typen E, J, K, N, T, S und R, von Thermistoren und von RTDs konfiguriert werden.
Eine der am häufigsten gemessenen physikalischen Größen ist die Temperatur. Zur präzisen Digitalisierung der Temperatur kommen in vielen Anwendungen Sensoren zum Einsatz, die elektronische Signale als Funktion der Temperatur ausgeben. Ein solcher Sensor ist der RTD.
Ein RTD ist ein Baustein, dessen Widerstand als Funktion der Temperatur variiert. RTDs können für zwei-, drei- und vieradrige Verbindungen konfiguriert werden und basieren auf unterschiedlichen Standards, z. B. Temperaturkoeffizienten, aber auch Sollwiderstandswerten bei 0 °C.
Der Widerstand eines RTD wird ermittelt, indem ein Erregungsstrom an ein in Reihe geschaltetes RTD mit bekanntem Messwiderstand angelegt wird. Eine Messung dieser Art ist ratiometrisch und nicht vom absoluten Wert der A/D-Wandlerreferenz oder des Erregerstroms abhängig.
Die temperaturabhängige Variation des RTD-Widerstands kann sehr klein sein. Der Widerstand des RTD PT100 variiert beispielsweise um ca. 0,03 Ohm pro zehntel Grad Celsius, sodass Beeinträchtigungen aufgrund von externen Eingangsschutz- und Filterschaltungen, des Leistungswiderstands sowie parasitärer Thermoelementeffekte möglich sind. Ein für RTD-Messungen vorgesehener Baustein muss für zwei-, drei- und vieradrige Konfigurationen geeignet sein, eine hohe Eingangsimpedanz aufweisen sowie Funktionen zur Fehlermeldung und Quellen für Erregerstrom enthalten.
Der Messwiderstand kann teuer sein. Die Verbindung seiner Spannungsausgangsfilter-Schaltungen und des parasitären Leitungswiderstands mit dem Referenzeingang eines A/D-Wandlers ist schwierig. Der LTC2983 löst diese designbezogenen Herausforderungen durch die Kombination von drei rauscharmen und kontinuierlich selbstkalibrierenden Delta-Sigma-A/D-Wandlern (24 Bit) mit einem Erregerstrom-D/A-W mit Hochimpedanz-Trennverstärkern und Hunderten von Schaltern, um die erforderlichen Messungen automatisch auszuführen.
Zwei A/D-Wandler messen gleichzeitig den Spannungsabfall über Messwiderstand und RTD und eleminieren so die typischen Probleme der Widerstandsmessung mit dem A/D-W-Referenzeingang. Der LTC2983 berechnet den RTD-Widerstand, prüft auf Fehler und meldet diese und gibt die Ergebnisse als Grad Celsius oder Fahrenheit und den RTD-Widerstand in Ohm aus.
Um die Funktion des Bausteins zu evaluieren, werden der LTC2983 und spezielle RTD-Demonstrationsschaltungen mit der zugehörigen Demonstrationssoftware, einem Ölbad und einem RTD-Kalibrator verwendet. Die LTC2983-Demoplatine interagiert mit der Linduino- oder DC590 USB-Platine und wird mit der spezifischen RTD-Platine verbunden. Das Demonstrationssystem kann zur Evaluierung der RTD-Leistung und der Funktionen des LTC2983 herangezogen werden.
Es enthält einen simulierten RTD, einen 100-Ohm-Widerstand mit parasitärem Thermoelement, um die Stromquellen-Erregungsumkehrung des LTC2983 zu demonstrieren. Es enthält zudem einen RTD der Baureihe PT100 mit einem Jumper, der den drei- oder vieradrigen Anschluss ermöglicht, sowie ein 10-k-Potentiometer zur Demonstration der RTD-Bereiche und der Fehlermeldungsfunktionen. Alle Sensoren profitieren von der Möglichkeit, die Widerstandsmessung des LTC2983 gemeinsam verwenden zu können.
Eine präzise Methode zum Messen der Temperatur mit einem echten Sensor bietet ein temperaturgesteuertes Ölbad. In diesem Fall wird ein vieradriger RTD der Baureihe PT100 in ein auf 100 °C geheiztes Ölbad gelegt. Wie Sie sehen, nimmt das Demonstrationssystem den LTC2983-Ausgang ab, der exakt 100 °C meldet. Der entsprechende Messwiderstand ist zwischen Kanal 1 und Kanal 2 fixiert und sein Wert wird im LTC2983 gespeichert.
Der 2-Kiloohm-Messwiderstand wird von allen drei Sensoren auf der Demonstrationsplatine genutzt. Der LTC2983 enthält viele Mechanismen zur Fehlermeldung. Durch Einstellen des RTD-Simulators mit variablem Widerstand können logische Fehler – Sensortemperatur über oder unter dem RTD-Messbereich – und Bausteinfehler – RTD kurzgeschlossen oder unterbrochen, Messwiderstand kurzgeschlossen oder unterbrochen – ausgelöst werden.
Bei logischen Fehlern wird die berechnete Temperatur gemeldet, bei Bausteinfehlern dagegen eine Temperatur von –999 Grad, also ein ungültiger Messwert. Die spezielle RTD-Platine enthält einen Festwiderstand (100 Ohm), der als RTD bei 0 °C mit einem parasitären Thermoelement in der Verbindung zwischen dem RTD und dem LTC2983 verwendet wird. Parasitäre Thermoelemente beeinträchtigen aufgrund der Drahtverbindungen zum RTD die Genauigkeit der RTD-Messungen.
Diese Beeinträchtigungen resultieren in Temperaturfehlern und Abweichungen vom Nullwert. In Verbindung mit einer Heißluftpistole simuliert diese Demonstrationsschaltung die tatsächlichen Auswirkungen parasitärer Thermoelemente. Um diesen Auswirkungen entgegenzuwirken, kann der LTC2983 eine automatische Rotation des Erregerstroms vornehmen. Wenn diese Rotation eingeschaltet wird, werden die durch parasitäre Thermoelemente verursachten Fehler kontinuierlich aus dem Ergebnis entfernt.
Diese Schaltung lief über zwei Tage. Am ersten Tag war die Rotation eingeschaltet (blaue Kurve), am zweiten Tag ausgeschaltet (rote Kurve). Durch die automatische Rotation werden Auswirkungen aufgrund der Erwärmung und Abkühlung des Raums eliminiert. Alle Schalter und Stromquellen für die automatische Rotation sind in den LTC2983 integriert und können problemlos mit der Software aktiviert und deaktiviert werden.
Um Messungen über den gesamten RTD-Temperaturbereich mit einer Genauigkeit besser als 1 °C durchzuführen, wird ein Temperaturkalibrator benötigt. In diesem Fall wird die Kalibratortemperatur manuell in Schritten von 100 °C in einen RTD der Baureihe PT100 eingetragen. Daraus resultiert eine Genauigkeit, die noch unterhalb von einem zwanzigstel Grad Celsius liegt. Dies ist bei jedem RTD-Typ möglich. Unter Verwendung einer Softwaresteuerung kann ein Kalibrator auch verwendet werden, um automatisch alle Temperaturen und RTD-Typen abzudecken.
Hier wird die Funktion des LTC2983 bei Verwendung eines RTD der Baureihe PT100 mit einer Ungenauigkeit unterhalb von einem zwanzigstel Grad Celsius gezeigt. Der LTC2983 kann aber nicht nur RTD-Werte digitalisieren, sondern auch die Temperatur von Thermoelementen und Thermistoren messen. Die 20 Eingänge des LTC2983 können per Software zur Digitalisierung jedes dieser Sensortypen konfiguriert werden. So lässt sich ein Hardwaredesign für viele verschiedene Sensortypen nutzen.
Die Universal-Demonstrationsplatine ist mit einem Klemmenblock ausgestattet, damit RTDs, Thermoelemente und Thermistoren direkt angeschlossen werden können. Neben Standard-RTDs kann der LTC2983 auch kundenspezifische Table-driven-RTDs digitalisieren. Der LTC2983 ist ein hochpräzises und einfach einzusetzendes Temperaturmesssystem. Es wird direkt mit RTDs verbunden, legt den Erregerstrom an, misst gleichzeitig RTD und Messwiderstand und meldet die Ergebnisse in Grad Celsius oder Fahrenheit.
Externe Referenzen, Puffer und Schaltungen zur Pegelumsetzung werden nicht benötigt. Zudem kann der Baustein vielseitig konfiguriert werden, um RTDs der Baureihen PT10, PT50, PT100, PT200, PT500, PT1000 und NI120 ebenso wie Thermoelemente, Dioden und Thermistoren zu digitalisieren. Beachten Sie die anderen Videos dieser Reihe mit weiteren Informationen zu den einzigartigen Funktionen des LTC2983 im Hinblick auf Thermoelemente und Thermistoren.