TEMPERATUR ANALOG MESSEN

Temperaturmessmodul für 8Bit AD Wandler der C-Control M-Unit

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Die vorgestellte Schaltung ermöglicht die Temperaturmessung von -20 bis 100Grad Celsius mit einer Genauigkeit von 0,5Grad Celsius plus, minus 1Digit. Die Schaltung ist nur für C-Control1 der ersten Generation geeignet, da die Referenzspannung nicht 5V beträgt.

C-Control1 verfügt über AD (Analog Digital) Wandler mit einer Auflösung von 8Bit. Somit kann eine am AD Eingang anliegende Gleichspannung in 256 Zahlenwerte (Digits) gewandelt werden. Ein Digit entspricht einer Zahl von 0 bis 255 und belegt somit eine Bytevariable der C-Control. Bezugswert der Wandlung sind GND = Digit 0 und Uref = Digit 255. Uref wird an den entsprechenden Anschluss der C-Control geschaltet und darf nicht größer als die Versorgungsspannung von 5V der C-Control sein. Die Spannung am AD Wandler darf nicht negativ gegen GND werden. Der Messfehler der AD Wandler wird mit plus, minus 1Digit angegeben.

Mit der Auflösung der AD Wandler ist der Temperaturmessbereich vorgegeben. Will man z.B. auf 1/10 Grad genau messen, ist etwa der Messbereich von 0 bis 25,5 oder 10 bis 35,5 Grad Celsius möglich. Eine Genauigkeit von 1/2 Grad ergibt einen theoretischen Messbereich von -25 bis 103Grad Celsius. Die vorgestellte Schaltung ermöglicht diese Auflösung, kann aber auch für andere Auflösungen dimensioniert werden.

Für eine Temperaturmessung am AD Wandler gibt es mehrere Möglichkeiten. In meiner Bastelkiste schlummerten noch einige AD592 und AD589 von der Firma Analog Devices. Diese Bauteile sind lange am Markt und leicht zu bekommen. AD589 ist eine temperaturkompensierte Spannungsquelle von 1,25V. AD592 ist ein Temperatursensor, der einen der Temperatur proportionalen Strom erzeugt. Dieser Strom wird vom Hersteller auf 1µA/Kelvin eingestellt. 0Grad Kelvin entspricht -273Grad Celsius. Bei 0Grad Celsius fließt also ein Strom von 273µA durch den Sensor. Schaltet man den Sensor in Reihe mit einem Widerstand zwischen +5V und GND so entsteht am Widerstand eine dem Strom proportionale Spannung, die dem AD Wandler zugeführt werden kann. Nach dem Ohmschen Gesetz ist:

U = I * R

wenn R = 2KOhm dann ist U bei 0Grad Celsius:

U = 273µA*2KOhm = 546mV

Die Tabelle zeigt einige Werte für verschiedene Temperaturen.

AD589 erzeugt eine Referenzspannung von 1,25V. Somit ergibt sich die Auflösung des AD Wandlers zu: 1,25V/256 = 4,88mV pro Digit. Man erkennt leicht, dass man mit diesem einfachen Verfahren nur eine geringe Auflösung erreicht. Für den Bereich 50 bis 100 Grad Celsius stehen z.B. gerade mal 20 Digits zur Verfügung. Bei entsprechender Anpassung von R und Uref kann man eine Messgenauigkeit von etwa 2 Grad Celsius erreichen. Für höhere Ansprüche muss man also etwas Aufwand betreiben. Zum einen muss die Spannung am Widerstand R so verstärkt werden, dass die Referenzspannung von 1,25V bei 100Grad erreicht wird. Andererseits muss die Spannung am Widerstand zu GND verschoben werden, wenn die Temperatur -25Grad beträgt. Beides erlaubt die vorgestellte Schaltung. Schaltplan und Platine sind mit der Freeware Version EAGLE erstellt worden.

Der Vorteil dieser Schaltung ist, dass nur eine Versorgungsspannung von +5V gegen GND erforderlich ist. IC3A verstärkt die Spannung vom Sensor IC2. IC3B arbeitet als Spannungsfolger für die mit R5 einstellbare Kompensationsspannung. Pin REF wird mit Uref, OUT mit einem DA Anschluss der C-Control verbunden. Für den Anschluss des Temperatursensors IC2 sind TP1 und TP2 vorgesehen, wenn dieser nicht auf der Platine eingesetzt wird.

Die Schaltung ist auf einer einseitigen Leiterplatte mit den Abmessungen 35x45mm untergebracht. Für die Einstellregler müssen hochwertige Typen mit Spindel vorgesehen werden. Ich verwende einen billigen OPV. Die kleinste Ausgangsspannung gegen GND bei nur einer Versorgungsspannung wird vom Hersteller mit typisch 5mV aber mit einer Toleranz bis 20mV angegeben. Somit ist der untere Temperaturmesswert von -25Grad nur theoretisch zu erreichen, denn die kleinste Spannung an OUT kann nicht 0 werden. In der Praxis werden - 20Grad sicher erreicht. Das sollte in Mitteleuropa ausreichen.

Der Messfühler kann auf die Platine gelötet werden, wenn diese in der Messumgebung eingebaut werden kann. Das ist z.B. sinnvoll, wenn man die Raumtemperatur messen will. Man kann den Sensor aber auch über ein Kabel anschließen. Die beiden mit Silikon isolierten Drähte werden verdrillt und der Sensor wird in Kunstharz vergossen.

So kann man auch z.B. in Flüssigkeiten oder Gasen die Temperatur messen. Beim Anschluss an die Platine ist die Polarität zu beachten.

Alle Bauelemente haben Fertigungstoleranzen, deshalb ist ein Abgleich der Schaltung notwendig. Die Dimensionierung der Schaltung ist für einen Temperaturmessbereich von -25 bis 102,5Grad Celsius mit 0,5Grad Auflösung ausgelegt. Zum Abgleich benötigt man ein gutes Multimeter und ein möglichst genaues Thermometer. Zuerst wird die Verstärkung von IC3A auf den Faktor 5 mit R3 eingestellt. Dazu wird Pin 7 von IC3 mit GND verbunden. Dann misst man die Spannung am Pin 3 von IC3 und stellt mit R3 am Pin OUT den 5 fachen Wert ein.

Nun misst man die Spannung Uref. Diese Spannung kann laut Datenblatt im Bereich 1,2 bis 1,25V liegen und hat somit direkten Einfluss auf die Auflösung des AD Wandlers:

UD = Uref / 256
UD ist die Spannung pro Digit

Als Beispiel kann man sich diese Tabelle ansehen. Die original EXCEL Tabelle findet sich im Downloadbereich. Bei meinem AD589 betrug die Spannung 1,237V. Mit R8 wird der Gesamtwiderstand am Sensor so eingestellt, dass sich die Spannung am Sensor entsprechend der Tabelle ergibt. In meinem Fall war der Gesamtwiderstand 1,940KOhm. Man trägt also in der Tabelle die gemessene Referenzspannung ein und verändert dann den Wert für Rmess solange bis in der Spalte Wert Anzeige der Messbereich -25 bis 102,5 erscheint.
In der Spalte U_Messfühler sind nun die der Temperatur entsprechenden Spannungen abzulesen. Mit R8 wird am Sensor die Spannung eingestellt, die der jeweiligen Temperatur (gemessen mit einem Referenzthermometer) entspricht. Anschließend stellt man mit R5 die Spannung laut Tabelle Spalte U_OUT am Pin OUT ein.

In C-Basic errechnet sich die Temperatur nach der Formel:

(AD_PORT_Wert - 50) / 2

M.L. 09/2004

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