Lösung für die Thermoelement-Temperaturmessung basierend auf CM1103 und CM1106

01 Einleitung

Wenn zwei metallische Leiter aus unterschiedlichen Materialien miteinander verbunden werden, entsteht an ihren Enden eine Potentialdifferenz, sofern zwischen der Verbindungsstelle und dem Bezugsende ein Temperaturunterschied besteht. Durch die Messung dieses thermoelektrischen Potentials sowie der Bezugstemperatur an den Leiterenden und der charakteristischen Parameter des Thermoelements kann die tatsächliche Temperatur an der Messstelle bestimmt werden.

Thermoelemente sind kostengünstig, bieten einen weiten Temperaturmessbereich, haben eine einfache Struktur und sind einfach zu handhaben, weshalb sie in verschiedenen industriellen Umgebungen weit verbreitet sind. Der ITS-90-Standard definiert acht gängige Typen von Thermoelementen zusammen mit ihren entsprechenden Temperaturbereichen.

Unter ihnen ist das Thermoelement vom Typ K am weitesten verbreitet. Nimmt man dieses als Beispiel: Bei einer Messung von –270 °C beträgt die Ausgangsspannung des Thermoelements –6,458 mV; bei der maximalen Temperatur von 1372 °C beträgt die Ausgangsspannung 54,886 mV. Über den gesamten Messbereich ändert sich die Ausgangsspannung etwa um 40 µV pro 1 °C Temperaturänderung.

Da die Ausgangsspannungen von Thermoelementen äußerst gering sind, müssen die Signalverstärkungs- und Datenerfassungsschaltungen eine sehr hohe Präzision aufweisen. Zudem sind in industriellen Umgebungen die Leitungen zwischen dem Thermoelement (TC) und der Datenerfassungskarte oft lang, was erhebliche Gleichtakt-Störungen verursachen kann. Daher ist es während der Signalerfassung und -verarbeitung notwendig, das Differenzsignal zu extrahieren und zu verstärken, während gleichzeitig der Einfluss von Gleichtaktstörungen auf das gemessene Differenzsignal minimiert wird.

02 CM1103 Merkmale

• Niederleistungs-, hochpräzises, kompaktes Sigma-Delta-ADC-Analogfrontends

• Weit verbreitet für die Signalerfassung bei verschiedenen Sensoren, einschließlich Temperatur-, Licht-, Flüssigkeits- und Gassensoren

• Abtastrate bis zu 2 kSPS mit 4-Kanal programmierbarem Multiplexing

• Programmierbarer Verstärker (PGA) mit flexiblen Eingangs-Vollskalenbereichen von ±256 mV bis ±6,144 V

• Hohe Eingangsimpedanz größer als 1 MΩ, ermöglicht direkte Anbindung an eine Vielzahl von Sensoren und macht zusätzliche Signalvorverstärkung sowie ADC-Treiberschaltungen überflüssig

• Rauschfreie Auflösung bis zu 7,81 µV, ausreichend für genaue Messung der sehr kleinen thermoelektrischen Spannungen von Thermoelementen

• Differenzkanal-Common-Mode-Unterdrückungsmaß (CMRR) über 100 dB, reduziert die Auswirkungen industrieller Störungen auf die Signalerfassung

03 Lösungsübersicht

Der CM1103 bietet flexible Kanalkonfiguration, wobei vier Eingangspins bis zu zwei differentielle Eingänge oder vier einseitige Eingänge unterstützen. Wie in der dargestellt anwendung in praktischen Anwendungen kann ein Differentialkanal zur Verbindung des Thermoelement-Temperatursensors verwendet werden, während ein weiterer Single-Ended-Kanal mit einem NTC-Thermistor in Nähe der kalten Junction verbunden werden kann. Die TC- und NTC-Kanäle können mit unabhängigen Eingangsverstärkung und Abtastraten konfiguriert werden, was einen großen Komfort bietet.

Wir bieten außerdem ein weiteres Produkt an, den CM1106, der auf dem CM1103 basiert und über einen integrierten Temperatursensor verfügt. Über die SPI-Schnittstelle kann die Junction-Temperatur des CM1106 in Echtzeit ausgelesen werden. Für Anwendungen, bei denen die kalte Junction nahe am ADC liegt, ermöglicht die Auswahl des CM1106 die Einsparung eines zusätzlichen Messkanals für die kalte Junction und somit eine höhere Anzahl an Temperaturmesskanälen.