Thermoelement-Vergleichsstellenkompensation mithilfe analoger Temperatursensoren

Thermoelement-Nachschlagetabellen und mathematische Modelle verwenden eine Vergleichsstelle bei 0 °C, um die Thermoelement-Ausgangsspannung anzugeben. In der Praxis liegt die Kaltstelle jedoch meist nicht bei 0 °C und es ist eine Signalaufbereitungselektronik erforderlich, um die Ausgangsspannung richtig zu interpretieren. Im Zusammenhang mit Thermoelementen wird dies als Kaltstellenkompensation (Cold Junction Compensation, CJC) bezeichnet.

In diesem Artikel erfahren Sie, wie analoge Schaltkreise zur Implementierung einer Vergleichsstellenkompensation verwendet werden können.

Die Grundidee der analogen Kaltstellenkompensation ist in Abbildung 1 dargestellt.

In Abbildung 1 gehen wir davon aus, dass sich die Heißverbindung, die Kaltverbindung und das Messsystem jeweils bei Th, Tc und TADC befinden. Die Vergleichsstellentemperatur (Tc) wird von einem Temperatursensor (oft ein Halbleitersensor, manchmal ein Thermistor) gemessen und an die „Kompensatorschaltung“ geliefert, um den entsprechenden Kompensationsspannungsterm Vcomp zu erzeugen. Diese Spannung wird zum Thermoelementausgang Vtherm addiert; somit beträgt die vom ADC gemessene Spannung:

$$V_{out}=V_{therm}+V_{comp}$$

Aus unserem vorherigen Artikel zur Kaltstellenkompensation wissen wir, dass Vcomp gleich der Spannung ist, die das Thermoelement erzeugt, wenn seine heiße Verbindungsstelle bei Tc und seine kalte Verbindungsstelle bei 0 °C liegt. Diese Spannung kann aus der Thermoelement-Referenztabelle oder einem mathematischen Modell ermittelt werden. Die Implementierung einer Nachschlagetabelle oder einer mathematischen Gleichung kann bei analogen Schaltkreisen eine große Herausforderung darstellen. Daher kann Vcomp bei einem analogen Design nur ein ungefährer Wert des tatsächlichen Thermoelementausgangs sein.

Analoge CJC-Schaltungen verwenden normalerweise eine lineare Näherung, um eine Kompensationsspannung nahe dem tatsächlichen Thermoelementausgang zu erzeugen. Diese Ausgabe ist möglich, weil sich die Kaltstellentemperatur typischerweise in einem relativ engen Bereich um die Raumtemperatur ändert, was bedeutet, dass eine lineare Näherung relativ genaue Werte liefern kann. In den nächsten Abschnitten werfen wir einen Blick auf einige Beispiele für analoge CJC-Diagramme.

Eine Beispielimplementierung der analogen Vergleichsstellenkompensation ist in Abbildung 2 dargestellt.

In diesem Fall wird der TMP35, ein Niederspannungs-Temperatursensor von Analog Devices, zur Messung der Kaltstelle eines Typ-K-Thermoelements verwendet. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers misst die Thermoelement-Ausgangsspannung Vtherm sowie die vom TMP35 erzeugte Spannung, geteilt durch die Widerstände R1 und R2 (Vcomp). In mathematische Sprache übersetzt ist die Spannung am nichtinvertierenden Eingang, VB, gegeben durch:

$$V_{B}=V_{therm}+V_{comp}$$

Aus der Vergleichsstellenkompensationstheorie wissen wir, dass Vcomp gleich der Spannung sein sollte, die das auf 0 °C bezogene Thermoelement ausgibt, wenn es einer Temperatur von Tc ausgesetzt wird, wobei Tc typischerweise in einem engen Bereich um die Raumtemperatur liegt. Tabelle 1 zeigt die Ausgangsspannung eines Thermoelements vom Typ K über den Temperaturbereich von 0 °C bis 50 °C.

Abbildung 3 verwendet die obigen Daten (Tabelle 1), um den Ausgang des Thermoelements Typ K im Verhältnis zur Temperatur darzustellen.

Über diesen begrenzten Temperaturbereich scheint das Thermoelement eine relativ lineare Reaktion zu haben. Damit die Kompensatorschaltung diese Werte erzeugen kann, sollte Vcomp den gleichen Temperaturkoeffizienten wie das verwendete Thermoelement haben und einen beliebigen Punkt aus der obigen Kennlinie durchlaufen. Anhand der Daten in der Tabelle können Sie erkennen, dass sich der Ausgang eines Thermoelements vom Typ K bei Raumtemperatur (25 °C) um etwa 41 μV/°C ändert.

Die vom TMP35, Knoten A in Abbildung 2, erzeugte Spannung hat einen Temperaturkoeffizienten von 10 mV/°C. Um diesen Wert auf 41 μV/°C zu reduzieren, benötigen wir einen Skalierungsfaktor von 41 μV/°C 10 mV/°C = 0,0041. Dieser Skalierungsfaktor wird durch den durch R1 und R2 gebildeten Widerstandsspannungsteiler erreicht, der wie folgt berechnet wird (Gleichung 1):

$$Dämpfung\,Faktor = \frac{R_{2}}{R_{1}+R_{2}}=\frac{0,102\,k\Omega}{24,9\,k\Omega+0,102\,l\ Omega}\ungefähr0,0041$$

Da Vcomp nun den gleichen Temperaturkoeffizienten wie das Thermoelement hat, müssen wir sicherstellen, dass es auch einen beliebigen Punkt der Kennlinie des Thermoelements durchläuft. Der TMP35 erzeugt einen Ausgang von 250 mV bei 25 °C. Dieser Wert multipliziert mit 0,0041 (dem Dämpfungsfaktor) ergibt Vcomp = 1,025 mV, was nahe am idealen Ausgang aus der Tabelle liegt (1 mV bei 25 °C). Deshalb benötigen wir beim TMP35 nur einen Widerstandsspannungsteiler, um den Temperaturkoeffizienten des Halbleitertemperatursensors an den des verwendeten Thermoelements anzupassen, und ein Offsetwert ist nicht erforderlich. Um diese Diskussion weiter zu verdeutlichen, schauen wir uns ein weiteres Beispiel an.

Eine weitere analoge Vergleichsstellenkompensationsschaltung ist in Abbildung 4 dargestellt.

Um diese Schaltung besser zu verstehen, ignorieren wir zunächst den Teil „Offset-Einstellung“ in Abbildung 4 und ermitteln die Spannung am Knoten C. In diesem Beispiel wird der LM335 zum Erfassen der Vergleichsstellentemperatur verwendet. Der über den LM335 angeschlossene Potentiometer ermöglicht die Kalibrierung des Temperaturkoeffizienten des Sensorausgangs auf den Nennwert von 10 mV/°C. Der Ausgang des LM335 ist proportional zur absoluten Temperatur, wobei der extrapolierte Ausgang des Sensors bei 0 K (−273,15 °C) auf Null Volt geht.

Der Fehler am Ausgang dieses Sensors ist nur ein Steigungsfehler. Dadurch kann die Sensorkalibrierung durch eine Einzelpunktkalibrierung bei einer beliebigen Temperatur durch den Topf über den Sensor hinweg erreicht werden. Um beispielsweise den TC des Sensors auf 10 mV/°C zu kalibrieren, können wir den Poti so einstellen, dass er eine Ausgangsspannung von VA = 2,982 V bei 25 °C hat, wie unten berechnet:

$$V_{A}\,@26°C=10mV/°C\times(25+273.15)\simeq2.982\,V$$

Ähnlich wie in unserem vorherigen Beispiel teilt der durch R3 und R4 erzeugte Widerstandsspannungsteiler den Temperaturkoeffizienten von 10 mV/°C des Halbleitersensors auf den des verwendeten Thermoelements herunter. Beispielsweise benötigen wir für ein Thermoelement vom Typ K (41 μV/°C) einen Skalierungsfaktor von 41 μV/°C 10 mV/°C = 0,0041. Deshalb sollten wir haben:

$$\frac{R_{4}}{R_{4}+R_{3}}=0,0041$$

Unter der Annahme von R3 = 200 kΩ erhalten wir R4 = 823 Ω. Dadurch wird sichergestellt, dass VB einen Temperaturkoeffizienten von 41 μV/°C hat. Die Spannung am Knoten C ergibt sich aus Gleichung 2:

$$V_{C}=V_{therm}+V_{B}$$

Um eine Vergleichsstellenkompensation zu erreichen, sollte VB den gleichen Temperaturkoeffizienten wie das verwendete Thermoelement haben und einen beliebigen Punkt der Thermoelement-Ausgangskurve durchlaufen. Bei 25 °C beträgt VA = 2,982 V und daher VB = 2,9820,0041 = 12,22 mV. Aus Tabelle 1 geht hervor, dass der ideale Ausgang 1 mV bei 25 °C beträgt. Daher müssen wir aus Gleichung 2 einen Gleichstromwert von 11,22 mV subtrahieren, um die entsprechende Kompensationsspannung zu erzeugen. Dies wird durch den Teil „Offset-Anpassung“ in Abbildung 4 erreicht.

Der LM329 ist eine präzise temperaturkompensierte 6,9-V-Spannungsreferenz. Wenn wir R7 außer Acht lassen, bilden die Widerstände R5 und R6 einen Spannungsteiler. Dieser Spannungsteiler sollte 6,9 ​​V auf 11,22 mV am Knoten D dämpfen. Daher haben wir:

$$\frac{R_{6}}{R_{6}+R_{5}}=\frac{11,22mV}{6,9V}=0,0016$$

Unter der Annahme von R5 = 200 kΩ erhalten wir R6 = 320 Ω. Daher ist die Gesamtleistung der Schaltung gegeben durch:

$$V_{out}=V_{C}-V_{D}=V_{therm}+V_{B}-V_{D}$$

Wobei VB-VD die gesamte Kompensationsspannung ist und die Ausgangsspannung gegenüber der Temperaturkurve eines Thermoelements vom Typ K erzeugt. R7 und R2 in Abbildung 4 ermöglichen uns die Feinabstimmung der Gleichspannung von Knoten D und die Eliminierung konstanter Fehler durch Widerstandswerte usw. In diesem Artikel haben wir die Grundlagen analoger Vergleichsstellenkompensationsschaltungen erläutert.

Weitere Informationen zu den Schaltkreisen in den Abbildungen 2 und 4 finden Sie im „Linear Circuit Design Handbook“ und „IC Temp Sensor Provides Thermoelement Cold-Junction Compensation“ von Analog Devices bzw. Texas Instruments.

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