Annons

Noggrann omvandlarkrets för temperatursensorer

En ny, noggrann temperatur-till-bit-omvandlare löser mätproblem som uppkommer då temperaturgivare av olika slag ansluts. Kretsen LTC2983 löser samtliga av de unika problem som termoelement, RTDer, termistorer och dioder uppvisar.

Trots att temperaturen spelar så stor roll för oss är det svårt att mäta den noggrant. Innan det fanns modern elektronik att tillgå uppfann Galileo en rudimentär termometer som kunde detektera temperaturförändringar. Två hundra år senare upptäckte Seebeck att termoelement ger en spänning som är en funktion av temperaturgradienter i olika metaller.
Numera är det vanligt att termoelement liksom temperaturberoende motståndselement (RTDer och termistorer) och halvledarelement (dioder) används för elektrisk temperaturmätning. Trots att de metoder som utnyttjas för att beräkna temperaturen från dessa element är välkända är det svårt att mäta temperaturer noggrannare än inom 0,5ºC eller 0,1ºC.

Fig 1. Temperaturnoggrannhet för LTC2983.

Digitalisering av dessa grundläggande sensorelement kräver expertis inom analog kretskonstruktion, digital kretskonstruktion och utveckling av firmware.
LTC2983 samlar denna expertis i en enda integrerad krets och löser samtliga av de unika problem som termoelement, RTDer, termistorer och dioder uppvisar. Den kombinerar alla analoga kretsar som behövs för vardera sensortyp med algoritmer för temperaturmätning och linjäriseringsdata för att direkt mäta samtliga sensorer och ge resultatet i °C.

Kortfattat om termoelement
Termoelement genererar spänning som en funktion av temperaturskillnaden mellan toppen (termoelementets temperatur) och den elektriska anslutningen på kretskortet (kalla lödstället, ”cold junction”). För att bestämma termoelementets temperatur krävs noggrann temperaturmätning vid kalla lödstället; detta kallas kompensering för kalla lödstället. Temperaturen vid kalla lödstället bestäms vanligtvis genom att en separat temperatursensor (inte ett termoelement) placeras vid kalla lödstället. LTC2983 gör att dioder, RTDer och termistorer kan användas som sensorer för kalla lödstället.
För att omvandla utspänningen från termoelementet till ett temperaturresultat måste en polynomekvation av hög ordning (upp till 14e ordningen) lösas (med hjälp av tabeller eller matematiska funktioner) för både den uppmätta spänningen och kalla lödställets temperatur. LTC2983 har dessa polynomer inbyggda för samtliga åtta standardiserade termoelement (J, K, N, E, R, S, T och B) liksom användarprogrammerad tabelldata för kundspecifika termoelement. LTC2983 mäter samtidigt termoelementets utgång och kalla lödställets temperatur och utför alla beräkningar som behövs för att rapportera termoelementets temperatur i °C.

Viktigt om termoelement
Den spänning som ett termoelement genererar är liten (<100 mV fullskala).

Fig 2. Konstruktionsproblem förknippade med termoelement.

Resultatet är att offset och brus hos den A/D-omvandlare som mäter spänningen måste vara lågt. Dessutom är det ett absolut spänningsmått som kräver en noggrann referensspänning med låg avdrift. LTC2983 har en lågbrusig, kontinuerligt offset-kalibrerad 24-bitars delta-sigma A/D-omvandlare (offset och brus <1 µV) med en 10 ppm/ºC MAX-referens.

Fig 3. Termoelementmätning med diodbaserad kompensering för kalla lödstället.

Utspänningen från ett termoelement kan även ligga under jord när toppen utsätts för temperaturer under temperaturen vid kalla lödstället. Detta komplicerar system genom att det antingen kräver tillägg av en sekundär negativ matning eller en krets som skiftar ingångsnivån. LTC2983 har en egenutvecklad ingångsenhet som kan digitalisera signaler under jord på en enda jordrefererad matning.
Utöver mycket noggrann mätning måste termoelementkretsar inkludera brusbortstötning, ingångsskydd och antivikningsfiltrering. Impedansen på LTC2983s ingång är hög med en maximal inström på mindre än 1 nA. Den kan hantera externa skyddsmotstånd och filtreringskondensatorer utan att introducera extra fel. Den inkluderar ett inbyggt digitalt filter med 75 dB bortstötning av både 50 Hz och 60 Hz.
Feldetektering är en viktig egenskap hos många mätsystem baserade på termoelement. Det vanligaste fel som rapporteras är en öppen krets (trasigt eller frånkopplat termoelement). Termoelementets ingång har historiskt sett utrustats med strömkällor eller “pull-up”-motstånd för att detektera denna typ av fel. Problemet med den metoden är att dessa inducerade signaler leder till fel och brus samt påverkar ingångens skyddskretsar. LTC2983 inkluderar en unik skyddskrets för öppen krets som kontrollerar om termoelementet är trasigt precis före mätcykeln. Detta gör att mätnoggrannheten inte störs av den öppna kretsens exciteringsström/-motstånd. LTC2983 rapporterar också fel berörande kalla lödställets sensor. Den kan också detektera, rapportera och återhämta sig från elektrostatisk urladdning (ESD) som kan uppstå när långa sensoranslutningar utnyttjas i industrimiljöer. LTC2983 indikerar också genom sin felrapportering om den uppmätta temperaturen ligger över eller under det förväntade området för ett visst termoelement.

Kortfattat om dioder
Dioder är billiga halvledarbaserade komponenter som kan utnyttjas som temperaturgivare. De används normalt som sensorer för kalla lödstället hos ett termoelement. När en exciteringsström läggs över en diod genererar den en spänning som är en funktion av temperaturen och den pålagda strömmen. Om två perfekt matchade exciteringsströmkällor av känt förhållande läggs på dioden står utspänningen i känd proportion till temperaturen (PTAT).

Viktigt att komma ihåg om dioder
För att ge upphov till en PTAT spänning av känd proportionalitet krävs två välmatchade strömkällor av känt förhållande.

Fig 4. Konstruktionsproblem förknippade med dioder.

LTC2983 genererar noggrant detta förhållande genom att utnyttja en delta-sigma översamplande arkitektur. Dioder och de ledningar som ansluter till ADCn har okända parasitiska diodeffekter. LTC2983 har ett mätläge för tre strömmar som tar bort parasitiska ledningsmotstånd. Olika diodtillverkare specificerar olika icke-idealiska faktorer hos dioder. LTC2983 möjliggör individuell programmering av varje diods icke-idealiska faktorer.  Eftersom den absoluta spänningen mäts är det kritiskt vilket värde och vilken avdrift A/D-omvandlarens referensspänning har. LTC2983 inkluderar en fabrikstrimmad 10 ppm/ºC max-referens.
LTC2983 genererar automatiskt strömmarna med känt förhållande, mäter den resulterande diodspänningen, beräknar temperaturen med hjälp av den programmerade icke-idealiteten, och ger resultat i °C. Den kan också användas som sensor för kalla lödstället hos termoelement. Om dioden är trasig, kortsluten eller felaktigt isatt detekterar LTC2983 detta fel och rapporterar det i det utgående omvandlingsresultatet och motsvarande termoelementresultat, om den användes för att mäta kalla lödställets temperatur.

Kortfattat om RTDer
RTDer är motstånd som ändrar värde som en funktion av temperaturen. För att mäta en sådan komponent knyts den i serie till ett noga känt avkänningsmotstånd med låg avdrift. En exciteringsström läggs över nätverket och en ratiometrisk mätning utförs. Värdet, i ohm, för RTDn kan bestämmas från detta förhållande. Motståndet används för att bestämma temperaturen för sensorelementet med hjälp av en tabellslagning. LTC2983 genererar automatiskt exciteringsströmmen, mäter avkänningsmotståndet och RTD-spänningen samtidigt, beräknar sensorns motstånd och rapporterar resultatet i °C. RTDer kan mäta temperaturer över ett brett temperaturområde, från så lågt som -200ºC till 850ºC. LTC2983 kan digitalisera flertalet typer av RTDer (PT-10, PT-50, PT-100, PT-200, PT-500, PT-1000 och NI-120) och har inbyggda koefficienter för många standarder (amerikansk, europeisk, japansk och ITS-90), liksom användarprogrammerad tabelldata för kundspecifika RTDer.

Viktigt om RTDer

Motståndet hos PT100 RTDer varierar normalt mindre än 0,04 ohm per tiondels °C vilket motsvarar en signalnivå på 4 µV vid strömexcitering på 100 µA.

Fig 5 Konstruktionsproblem förknippade med RTDer.

Låg offset och lågt brus hos AD-omvandlaren är kritiskt för noggrann mätning. Mätningen står i ratiometriskt förhållande till avkänningsmotståndet; men de absoluta värdena för exciteringsströmmen och referensspänningen är inte lika viktiga när temperaturen beräknas.
Historiskt sett utfördes den ratiometriska mätningen mellan RTDn och avkänningsmotståndet med en enda ADC. Avkänningsmotståndets spänningsfall utnyttjades som referensingång för den ADC som uppmätte RTDns spänningsfall. Denna arkitektur kräver avkänningsmotstånd på 10 K? eller mer, som måste buffras för att förhindra sänkning på grund av dynamisk ström hos ADCns referensingång. Eftersom avkänningsmoståndets värde är kritiskt måste dessa buffertar ha låg offset och avdrift samt lågt brus. Arkitekturen gör att det är svårt att rotera strömkällor för att ta bort parasitiska effekter hos termoelement. Delta-sigma-ADCns referensingångar är mycket mer bruskänsliga än ingångarna, och låga referensspänningsvärden kan leda till instabilitet. LTC2983s arkitektur med flera ADCer löser samtliga problem.

Fig 6. RTD-temperaturmätning med LTC2983.

LTC2983 utnyttjar två välmatchade, buffrade, automatiskt kalibrerade ADCer, en för RTDn och en för avkänningsmotståndet. De mäter samtidigt både RTD och Rsense, beräknar RTD-motståndet och använder detta i en ROM-baserad tabellslagning för att till slut ge RTD-temperaturen i ºC.
RTDer kommer i många olika konfigurationer: 2-trådiga, 3-trådiga och 4-trådiga. LTC2983 kan hantera alla tre konfigurationerna med en enda konfigurerbar hårdvaruimplementering. Den möjliggör att ett enda avkänningsmotstånd delas av flera RTDer. Dess höga impedansingång gör att externa skyddskretsar kan användas mellan RTD- och ADC-ingångarna utan att fel uppstår. Den kan också  automatiskt rotera strömexciteringen för att utesluta externa termiska fel (parasitiska termoelement). I fall där prestandan försämras av parasitiskt ledningsmotstånd hos avkänningsmotståndet möjliggör LTC2983 avkänning av Rsense i Kelvin.
LTC2983 inkluderar kretsar för feldetektering. Den kan avgöra om avkänningsmotstånd eller RTDer är trasiga eller kortslutna. Den varnar för uppmätta temperaturer som ligger över eller under RTDns specificerade maxvärden. När en RTD används som sensor för kalla lödstället hos ett termoelement mäter tre ADCer samtidigt termoelementet, avkänningsmotståndet och RTDn.  RTD-fel överförs till termoelementets resultat och RTDns temperatur används automatiskt för att kompensera för kalla lödställets temperatur.

Kortfattat om termistorer

Termistorer är motstånd som ändrar värde som en funktion av temperaturen. Till skillnad från en RTD varierar termistorns motstånd med flera storleksordningar över sitt temperaturområde. För att mäta en sådan komponent seriekopplas den till ett avkänningsmotstånd. En exciteringsström läggs över nätverket och en ratiometrisk mätning utförs. Termistorns värde, i ohm, kan bestämmas från detta förhållande. Motståndet används för att bestämma temperaturen hos  sensorn genom lösning av Steinhart-Hart ekvationer eller tabelldata. LTC2983 genererar automatiskt exciteringsström, mäter avkänningsmotstånd och termistorspänning samtidigt, beräknar termistorns motstånd och rapporterar resultatet i °C. Termistorer fungerar normalt från -40ºC till 150ºC. LTC2983 inkluderar koefficienter för beräkning av temperaturen hos standardtermistorer på  2,252 kohm, 3 kohm, 5 kohm, 10 kohm och 30 kohm. Eftersom det finns många olika typer av och värden för termistorer kan LTC2983 programmeras med kundspecifik tabelldata för termistorer (R mot T) eller Steinhart-Hart koefficienter.

Viktigt om termistorer
Motståndet för en termistor varierar med många storleksordningar över dess temperaturområde.

Fig 7. Konstruktionsproblem förknippade med termistorer.

En termistor som exempelvis mäter 10 kohm vid rumstemperatur kan sjunka så lågt som till 100 ohm vid sin högsta temperatur och öka till >300 kohm vid sin lägsta, medan andra termistorstandarder kan överstiga 1 Mohm.
För att klara stora motståndsvärden används normalt mycket låga exciteringsströmkällor tillsammans med stora avkänningsmotstånd. Det resulterar i mycket låga signalnivåer i den låga änden av termistorns område. Ingångs- och referensbuffertar krävs för att isolera A/D-omvandlarens dynamiska inström från dessa stora motstånd. Buffertar fungerar dock inte bra nära jord utan separat matning och offset-/brusfel måste minimeras. LTC2983 löser alla dessa problem.

Fig 8. Termistortemperaturmätning med LTC2983.

Den kombinerar en egenutvecklad, kontinuerligt kalibrerad buffert som kan digitalisera signaler vid eller till och med under jord med en arkitektur baserad på flera A/D. Två matchade, buffrade A/D mäter samtidigt termistorn och avkänningsmotståndet och beräknar (utifrån standarden) termistorns temperatur i ºC.  Avkänningsmotstånd med höga värden behövs inte, vilket gör att flera RTDer och termistorer av olika typer kan dela på ett enda avkänningsmotstånd. LTC2983 kan även automatiskt ställa in exciteringsströmmen beroende på termistorns utgående motstånd.
LTC2983 inkluderar kretsar för feldetektering. Den kan avgöra om avkänningsmotstånd eller termistorer är trasiga eller kortslutna. Den varnar för uppmätta temperaturer som ligger över eller under termistorns specificerade maxvärden. Termistorn kan användas som sensor för kalla lödstället hos termoelement. I så fall mäter tre A/D samtidigt termoelementet, avkänningsmotståndet och termistorn.  Termistorfel överförs till termoelementets resultat och termistorns temperatur används automatiskt för att kompensera för kalla lödställets temperatur.

Universallösning för temperaturmätning
LTC2983 kan konfigureras som en universallösning för temperaturmätning.

Fig 9. Universallösning för temperaturmätning.

Upp till fyra uppsättningar av universalingångar kan utnyttjas till en enda LTC2983. Vardera av dessa uppsättningar kan direkt digitalisera en 3-trådig RTD, 4-trådig RTD, termistor eller termoelement utan byte av någon inkluderad hårdvara. Varje givare kan dela samma fyra ADC-ingångar och skydds-/filtreringskretsar och konfigureras med hjälp av programvara. Ett avkänningsmotstånd delas mellan samtliga fyra sensorbanker och kompensering för kalla lödstället mäts av en diod. LTC2983s ingångsstruktur gör att samtliga kanaler kan avändas för samtliga sensorer. Vilken som helst kombination av RTDer, avkänningsmotstånd, termistorer, termoelement, dioder och kompensering för kalla lödstället kan läggas på vilken som helst eller samtliga av LTC2983s 21 analoga ingångar.

Banbrytande
LTC2983 är ett banbrytande, högpresterande system för temperaturmätning. systemkretsen kan direkt digitalisera termoelement, RTDer, termistorer och dioder med precision av laboratorieklass. Den kombinerar tre 24-bitars delta-sigma-ADCer med en egenutvecklad ingångsenhet och löser många av de problem som normalt förknippas med temperaturmätning.
Hög ingångsimpedans med ledning vid noll ingångsområde möjliggör direkt digitalisering av samtliga temperaturgivare och enkelt ingångsskydd. Tjugo flexibla analoga ingångar gör att en hårdvarukonstruktion kan mäta vilken sensor som helst genom att kretsen omprogrammeras via ett vanligt SPI-gränssnitt. LTC2983 utför automatiskt kompensering för kalla lödstället, kan använda vilken sensor som helst för att mäta kalla lödstället samt inkluderar felrapportering. Den kan direkt mäta 2-, 3-, eller 4-trådiga RTDer, och kan lätt dela avkänningsmotstånd för kostnadsbesparing och kan rotera strömkällor för att ta bort parasitiska termiska effekter. Den inkluderar strömkällor med automatisk områdesinställning för ökad noggrannhet och mindre brus vid termistormätning.
LTC2983 möjliggör kundspecifika, användarprogrammerade sensorer. Kundspecifika tabelldrivna RTDer, termoelement och termistorer kan programmeras in i kretsen. LTC2983 kombinerar hög noggrannhet, enkla sensorgränssnitt och hög flexibilitet till ett komplett enkrets-baserat system för temperaturmätning.

Författaren, Michael Mayes är konstruktionschef för blandsignalprodukter inom Linear Technology Corp.

 

Comments are closed.