Wie Sie mit Thermoelementen Temperaturen effizient messen

Technische Herausforderungen und entsprechende Lösungen

Die von einem Thermoelement gemessene Temperatur wird von der Thermospannung abgeleitet, die die Temperaturdifferenz zwischen der Heiß- und Kalt-/Vergleichsstelle des Thermoelements widerspiegelt. Bei der Berechnung der Temperatur über der Heißstelle sollte diese Berechnung auf der genauen Messung der Temperatur an der Vergleichsstelle des Thermoelements basieren. Die Vergleichsstellenkompensation berechnet die Temperatur an der Heißstelle durch Aufsummieren der Kaltstellentemperatur und des Temperaturunterschieds (Delta-Temperatur), die von der Thermospannung abgeleitet wird.

Dazu wird ein hochpräziser Umgebungstemperatursensor in die Signalaufbereitung des Thermoelements integriert. Auf der Leiterplatte sollte der Umgebungstemperatursensor so nahe wie möglich an der Vergleichsstelle des Thermoelements platziert werden, um den Fehler bei der Temperaturdifferenzmessung zu minimieren.

Wie erwähnt, ist ein Nachteil des Thermoelements dessen Nichtlinearität. Um deren Einfluss auf die Wandlung von Thermospannung zu Temperatur zu reduzieren, sollte der Korrekturalgorithmus in den A/D-Wandler mit integriert werden. Für verschiedene Arten von Thermoelementen sind bestimmte Verfahren erforderlich, um den nichtlinearen Zusammenhang zwischen der Thermospannung und der Temperatur zu korrigieren, da der Seebeck-Koeffizient über der Temperatur nicht konstant ist.

Eine Lösung bietet eine Umsetzungstabelle (Lookup-Tabelle) im Speicher. Mit ihr wird die Temperatur entsprechend der mit ihr gekoppelten Thermospannung geortet und die Temperatur zwischen benachbarten Punkten durch lineare Interpolation abgeleitet. Die Umsetzungspaare werden aus empirischen Test- und Messergebnissen für jede Art von Thermoelement gewonnen. Eine genauer Abgleich setzt voraus, dass benachbarte Punkte in der Lookup-Tabelle so nah wie möglich beieinander liegen, was mehr Daten und daher einen größeren Speicher erfordert.

Ein anderes Verfahren, um die Nichtlinearität in der Wandung von Thermospannung zu Temperatur zu kompensieren, ist die Interpolation. Ein Polynom höherer Ordnung wird für jede Art von Thermoelement erstellt, indem die vorhandenen Daten der gemessenen Thermospannung mathematisch an jeden Temperaturpunkt angepasst werden. Diese Gleichung wird dann als Übertragungsfunktion verwendet, um die entsprechende Differenztemperatur aus einer Thermospannung abzuleiten.

Die Korrektur erfolgt mit Hilfe eines Mikroprozessors oder Mikrocontrollers. Im folgenden Beispiel werden die Korrekturkoeffizienten verwendet, die aus der Thermoelement-Datenbank ITS-90 des National Institute of Standards and Technology (NIST) abgeleitet wurden, um die beste Wandlungsgenauigkeit für alle Arten von Thermoelementen zu gewährleisten.

In vielen industriellen Anwendungen werden nacheinander mehrere verschiedene Thermoelemente verwendet. Daher wird erwartet, dass die Signalaufbereitung alle Thermoelement-Typen mit einer ebenso guten Genauigkeit abdeckt. Anderenfalls wird die Signalaufbereitungsschnittstelle wesentlich komplexer.

Der Entwurf einer genauen, flexiblen und dennoch kosteneffizienten Schaltung zur Signalaufbereitung für ein Thermoelement erfordert viele Fachkenntnisse und kann sehr zeitaufwändig sein. Mit einem der zahlreich verfügbaren Signalaufbereitungs-ICs lässt sich das Design vereinfachen, der Entwicklungsaufwand verringern und die Markteinführung beschleunigen. An dieser Stelle wollen wir uns den MCP9600 von Microchip näher ansehen.

Leistungsmerkmale des MCP9600

Der MCP9600 ist ein Thermoelement mit Thermospannungs-/Temperaturwandler. Der MCP9600 ist ein hochintegrierter monolithischer Baustein, der die gewandelten digitalen Ausgangsdaten direkt über die I2C-Schnittstelle bereitstellt (Bild 2). Enthalten ist ein 18-Bit Sigma-Delta-ADC, der verschiedene Einstellungen ermöglicht, um die Auflösung und Wandlungszeit anzupassen. Abhängig von der Art des verwendeten Thermoelements und der erforderlichen Auflösung lässt sich der A/D-Wandler mit einer Auflösung von 12, 14, 16 und 18 Bit konfigurieren. Als Kompromiss ermöglicht die niedrigere Auflösung eine schnellere Wandlungszeit und umgekehrt. Die Temperaturauflösung lässt sich anwenderseitig auf 0,0625 °C/LSB oder 0,25 °C/LSB einstellen.

Wie zuvor erwähnt, wird ein rauscharmer Verstärker benötigt, um die Thermospannung an die Eingangsstufe des A/D-Wandlers anzupassen. Der MCP9600 verwendet eine Verstärkereingangsstufe mit geschalteten Kondensatoren, um das Eingangssignal auf eine maximale Auflösung von 2 μV/LSB bei der 18-Bit-ADC-Einstellung zu verstärken. Der Baustein verfügt außerdem über integrierte Korrekturkoeffizienten für acht Thermoelementtypen (K, J, T, N, E, B, S und R), um die Messgenauigkeit an der Heißstelle mit maximal ±1,5 °C über dem gesamten Messbereich sicherzustellen.

Für batteriebetriebene oder energieeffiziente Anwendungen bietet der MCP9600 zwei Stromsparmodi: Shutdown und Burst. Beide ermöglichen einen optimalen Kompromiss zwischen Temperaturüberwachung, Stromverbrauch und Eigenwärme-Überwachung. Der Baustein bietet auch zugängliche Register, über die Anwender den Thermoelementtyp, den Betriebsmodus, bis zu vier Alarmgrenzwerte und die ADC-Einstellungen auswählen können. Damit steht maximale Flexibilität bei der Anpassung an alle Arten von Standard-Thermoelementen für verschiedene Temperaturmessungen zur Verfügung.

Fazit: Thermoelemente sind die erste Wahl für eine Temperaturmessung über große Temperaturbereiche. Um die Messleistung eines Thermoelements unter verschiedenen Bedingungen zu maximieren, müssen Korrekturalgorithmen in die Signalaufbereitungsschaltung integriert werden. Die Algorithmen wirken sich auf Linearisierung, rauscharme Verstärkung und Kaltstellenkompensation aus. Integrierte Thermoelemente vereinfachen die Entwicklung: Der MCP9600 vereint diese Funktionen in einem monolithischen Chip, der einen Verstärker mit geschalteten Kondensatoren, einen 18-Bit A/D-Wandler und eine Datenverarbeitungseinheit enthält, um eine genaue und kostengünstige Lösung für die Temperaturüberwachung über weite Bereiche bereitzustellen.

* Robin Yang arbeitet als Senior Applications Engineer im Bereich Mixed Signal und Linear bei Microchip in Chandler, USA.

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