Thermoelement-Signalaufbereiter und Signalaufbereitung in der Nähe der Vergleichsstelle

Zuvor haben wir uns in dieser Serie mit den Funktionsprinzipien monolithischer Thermoelement-Signalaufbereiter befasst. Zur Vertiefung unserer Diskussion untersucht dieser Artikel einige andere Optionen für Thermoelementanwendungen, nämlich den AD594/AD595, den MAX6675 und den ADS1220. Einige der Grundkonzepte des vorherigen Artikels gelten auch für die hier besprochenen Thermoelement-Konditionierer. Alle diese Signalaufbereiter sollten beispielsweise in der Nähe der Vergleichsstelle des Thermoelements platziert werden. Einige Funktionen können jedoch gerätespezifisch sein.

Um es prägnant zu halten, werden wir versuchen, uns hauptsächlich auf die Hauptfunktionen jedes dieser Geräte zu konzentrieren.

Der AD594/AD595 ist ein kompletter Thermoelement-Signalaufbereiter, der einen Verstärker und einen Vergleichsstellenkompensator in einem einzigen Paket integriert. Abbildung 1 zeigt das Funktionsblockdiagramm und den grundlegenden Einzelversorgungsanschluss des Geräts.

Ein grundlegender Teil der Schaltung ist die Rückkopplungsschleife, die vom rechten Differenzverstärker (mit Verstärkung G), dem Hauptverstärker (+A) und dem internen Widerstand zwischen den Pins 8 und 5 erzeugt wird. Das linke Differenzpaar verstärkt die Thermoelementspannung und legt sie an einen Summierungsknoten in der Rückkopplungsschleife an. Der „Ice Point Comp“-Block erzeugt die Kaltstellenkompensationsspannung (CJC) und fügt sie über das rechte Differentialpaar in die Thermoelementschleife ein.

Einzelheiten zur Funktionsweise dieser Schaltung finden Sie im AD594/AD595-Datenblatt. Ohne weiter auf diese Details einzugehen, ist das Endergebnis, dass das Gerät so konzipiert ist, dass es direkt an das Thermoelement angeschlossen wird, eine Vergleichsstellenkompensation und -verstärkung durchführt und einen Ausgang von 10 mV/°C erzeugt. Wenn beispielsweise ein Thermoelement vom Typ J an den AD594 angeschlossen ist, beträgt der Ausgang etwa 500 mV, wenn die heiße Verbindungsstelle eine Temperatur von 50 °C hat.

Beachten Sie, dass AD594 und AD595 durch Laser-Wafertrimmen vorkalibriert sind, um den charakteristischen Kurven von Thermoelementen vom Typ J bzw. K zu entsprechen.

In einem früheren Artikel haben wir besprochen, dass der AD849x, der auch ein Thermoelement-Signalaufbereiter ist, negative Temperaturen messen kann, selbst wenn er von einer Single-Rail-Versorgung gespeist wird. Im Gegensatz zum AD849x benötigt der AD594/AD595 eine Dual-Rail-Versorgung, um Temperaturen unter 0 °C zu messen.

Ein interessantes Merkmal des AD594/AD595 besteht darin, dass bestimmte wichtige Knoten der internen Schaltung an den Gehäusepins verfügbar sind. Beispielsweise ist Pin 8 mit dem internen Rückkopplungspfad des Geräts verbunden. Außerdem ist die CJC-Spannung, die an den rechten Differenzverstärker angelegt wird, an den Pins 3 und 5 verfügbar. Durch die Verfügbarkeit dieser Knoten an den Gehäusepins erhalten wir einen flexibleren Signalaufbereiter, der je nach Anwendung angepasst werden kann Anforderungen.

Schauen wir uns vor diesem Hintergrund an, wie der Zugriff auf den Rückkopplungswiderstand in der Praxis genutzt werden kann. Wie in Abbildung 1 dargestellt, sind unter normalen Betriebsbedingungen die Stifte 9 und 8 miteinander verbunden. Dadurch wird der Verstärkerausgang mit dem internen Rückkopplungswiderstand verbunden, der die Geräteverstärkung festlegt. Das interne Rückkopplungsnetzwerk ist werkseitig so kalibriert, dass es einen Ausgang von 10 mV/°C erzeugt. Um die Verstärkung anzupassen, können wir jedoch einen zusätzlichen Widerstand zwischen den Pins 9 und 5 platzieren. Dieser externe Widerstand liegt parallel zum internen Rückkopplungswiderstand und ermöglicht so Anpassungen der Verstärkerverstärkung. Wir können sogar den internen Widerstand durch den externen ersetzen, indem wir die Verbindung zwischen Pin 9 und 8 entfernen.

Abbildung 2 zeigt die Verstärkungskalibrierung durch Anpassen des Rückkopplungswiderstands.

Das obige Diagramm zeigt, wie der AD594/AD595 verwendet werden kann, um einen Ausgang proportional zur Temperatur auf einer Fahrenheit-Skala (10 mV/°F) zu erzeugen. Betrachten wir als Nächstes die folgende Gleichung für die Temperaturskalenumrechnung:

\[Grad\,Fahrenheit=\frac{9}{5}(Grad \,Celsius)+32\]

Anhand dieser Gleichung können wir überprüfen, dass wir die Verstärkung um \(\frac{9}{5}\) erhöhen (und einen entsprechenden Offsetwert hinzufügen müssen), um einen Ausgang zu erhalten, der sich eher um 10 mV/°F ändert als der werkseitig kalibrierte Wert von 10 mV/°C.

Mit anderen Worten, wir müssen den Rückkopplungswiderstand so anpassen, dass er einen \(10\times\frac{9}{5}=18 mV/°C\)-Ausgang hat.

Das obige Diagramm erreicht dies, indem ein Trimmpotentiometer zwischen den Pins 9 und 8 platziert wird. Bei einem Thermoelement vom Typ J beträgt die Raumtemperaturempfindlichkeit 51,7 μV/°C. Daher kann der resultierende Gewinn für den AD594 wie folgt ermittelt werden:

\[Verstärkung_{Neu}=\frac{18 mV/°C}{51,7 μV/°C}=348,16\]

Wie in diesem Anwendungshinweis erläutert, können wir ein Wechselstromsignal, VTest, an die Pins 1 und 14 anlegen und dann RGain anpassen, bis wir am Ausgang VTest ⨉ GainNew erhalten.

Es ist auch möglich, einen Offset zum Ausgang des AD594/AD595 hinzuzufügen. Eine Möglichkeit zur Durchführung der Offset-Kalibrierung ist in Abbildung 3 dargestellt.

Dies kann besonders hilfreich sein, wenn der Restkalibrierungsfehler des Geräts ausgeglichen werden soll. Der AD594/AD595 ist ein Laserwafer, der so getrimmt ist, dass je nach Leistungsstufe des Geräts ein maximaler Kalibrierungsfehler von 1 °C oder 3 °C erreicht wird. Bei einer anspruchsvollen Anwendung kann man das obige Diagramm verwenden, um diesen Restfehler zu beseitigen. Der 15-MΩ-Widerstand erhöht geringfügig das Potenzial des invertierenden Eingangs des rechten Differenzverstärkers. Dies zwingt den Schaltkreis zu einem negativen Offset von etwa -3 °C. Der „erzwungene“ negative Offset wird dann über das Widerstandsnetzwerk kalibriert, das mit dem nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers verbunden ist. Dieses Kalibrierungsschema stellt sicher, dass ein einziger unidirektionaler Abgleich zum Nullstellen des Fehlers verwendet werden kann. Ein weiteres Beispiel für die Offset-Kalibrierung sehen Sie in Abbildung 2.

Zusätzlich zur Optimierung von Verstärkung und Offset ist es möglich, den Temperaturkoeffizienten des internen Vergleichsstellenkompensators anzupassen. Dadurch können wir den AD594/AD595 mit anderen Thermoelementtypen verwenden. Im Datenblatt wird beispielsweise erläutert, wie der AD594, der werkseitig für Thermoelemente vom Typ J kalibriert ist, neu kalibriert werden kann, um Thermoelemente vom Typ E zu konditionieren.

Eine weitere Option zur Thermoelement-Signalaufbereitung ist der MAX6675, dessen Funktionsblockdiagramm unten dargestellt ist.

Der MAX6675 integriert einen 12-Bit-ADC (Analog-Digital-Wandler) und einen Vergleichsstellenkompensator in einem einzigen Gehäuse. Es kann direkt an ein Thermoelement vom Typ K angeschlossen werden, wie in Abbildung 5 dargestellt.

Das Gerät kann einen weiten Bereich von Hot-Junction-Temperaturen von 0 °C bis 1024 °C messen (beachten Sie, dass es keine negativen Temperaturen messen kann). Die Kaltstellentemperatur bzw. die Betriebstemperatur des MAX6675 sollte im Bereich von -20 °C bis +85 °C liegen.

Wie in Abbildung 4 dargestellt, werden sowohl das CJC-Signal als auch der Thermoelementausgang vom ADC digitalisiert. Das Gerät verwendet diese Informationen, um CJC durchzuführen und das Ergebnis auszulesen (dh die Temperatur wird als 12-Bit-Wert am SO-Pin gemessen). Eine Folge aller Nullen entspricht 0 °C, wohingegen eine Folge aller Einsen bedeutet, dass sich das Thermoelement bei +1023,75 °C befindet.

Als dritte Option für den Thermoelement-Konditionierer möchte ich erwähnen, dass Sie anstelle eines Geräts mit integriertem Vergleichsstellenkompensator auch einen ADC verwenden können, der über einen internen Präzisionstemperatursensor verfügt. Ein Beispieldiagramm, das den ADS1220 verwendet, ist in Abbildung 6 dargestellt.

Der ADS1220 ist ein 24-Bit-ADC mit einem hochpräzisen Temperatursensor, der zur Messung der Gerätetemperatur für CJC-Zwecke verwendet werden kann. Der ADS1220 kann die Kaltstellenkompensation nicht automatisch durchführen; Dies kann jedoch im Prozessor erfolgen, der dem ADC folgt. Wenn die Verwendung des internen Temperatursensors beispielsweise aufgrund seiner begrenzten Genauigkeit oder weil wir den ADC nicht in der Nähe der Vergleichsstelle platzieren können, nicht möglich ist, können wir einen RTD oder einen Thermistor verwenden, um die Temperatur der Vergleichsstelle zu messen. Dies verbraucht jedoch einen zusätzlichen Eingangskanal vom ADC.

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