Temperaturmessung mit dem PS08
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1 White Paper Temperaturmessung mit dem PS08 07. August 2009 Dokument Nr.: WP003 V1.0 1 Temperaturmessung mit dem PS08 Millikelvin Auflösung mit nur wenigen Mikroampere Welche neuen Leistungsmerkmale kann man sich wohl noch beim Thema Temperaturmessung vorstellen? Diese ist gut etabliert und viele Lösungen sind vorhanden. Dennoch gibt es Punkte, die verbessert und vereinfacht werden können. Mit dem PS08 stellen wir eine Lösung für Platin-Sensoren vor, welche einen extrem geringen Strom von wenigen µA in den Sensor mit sehr hoher Auflösung von 3 mK oder darunter verbindet. Dank des geringen Sensorstroms kann die Selbsterwärmung des Sensors minimiert werden. Der integriert Microprozessor kann zudem die Umrechnung in °C übernehmen. In diesem White Paper stellen wir eine Elektronik zur Temperaturmessung, optional mit Anzeige, für den Bereich -50°C bis 350°C basierend auf dem PS08 vor, bei der in den Sensor weniger als 0,2 µA fließen und deren Anzeigegenauigkeit bei 3 mK liegt. 1 2 3 Einführung 3 1.1 PS08 PICOSTRAIN Wandler 4 1.2 Messprinzip 4 Realisierung Variante 1 5 2.1 Konfiguration des PS08 6 2.2 Programm 7 2.3 Ergebnisse: 8 Realisierung Variante 2 - Minimal 9 3.1 Konfiguration des PS08 10 3.2 Programm 11 3.3 Ergebnisse 11 4 3-Draht Sensoren 12 5 Mehrere Messkanäle 13 6 Zusammenfassung 14 Autor: Norbert Breyer 2 acam-messelectronic gmbh - Am Hasenbiel 27 - D-76297 Stutensee-Blankenloch - Germany - www.acam.de 1 1 Einführung Als gängigste Sensortypen werden Widerstandsthermometer und Thermoelemente eingesetzt. Die hier präsentierte Lösung ist nur für Widerstandsmessung geeignet. Daher werden in diesem Whitepaper auch nur diese behandelt. Diese basieren auf einer Widerstandsänderung eines Metalls mit der Temperatur. Dabei steigt der Widerstand mit wachsender Temperatur. Der Temperaturkoeffizient ist also positiv. Das gängigste Material ist Platin, das wegen seiner Konstanz und Wiederholgenauigkeit geschätzt wird. Weiter Vorteile sind die hohe Temperaturbeständigkeit und die chemische Resistenz. Die geläufigsten Typen sind PT100 (100 Ohm bei 0°C) und PT1000 (1000 Ohm bei 0°C). Die TK betragen 0,385 Ohm/K für PT1000 bzw. 3,85 Ohm/K für PT1000. Die Beziehung zwischen Temperatur und Widerstand ist nicht-linear. Sie kann durch ein Polynom dritten Grades Beschrieben werden: R(t) = Ro(1+At + Bt² + C(t-100°C)t³) (1) Im Temperaturbereich 0°C bis 850°C kann diese vereinfacht werden zu R(t) = Ro(1+At + Bt²) (2) mit A = 3,9083x10-3/°C und B=-5,775x10-7/°C² Fertigungsbedingt streuen die Sensoren in der Genauigkeit und werden von den Herstellern in verschiedene Genauigkeitsklassen (A, B, 1/3DIN B, 1/10DIN B) eingeteilt. Bei 1/3 DIN B wird die Abweichung des Sensors bei 0°C mit 0,1 K, bei 100°C mit 0,27K spezifiziert. In der Klasse 1/10 DIN reduziert sich die maximale Abweichung bei 0°C auf 0,03K. Für höhere Genauigkeiten muss eine Mehrpunktkalibration durchgeführt werden. Kleine Sensoren wie z.B. Chipwiderstände zeigen einen Selbsterwärmungseffekt, der in Luft typ. bei 0,2 K/mW liegt. Ein Sensorstrom von 1 mA in einem PT1000 erzeugt 1 mW Verlustleistung in dem Sensor und erwärmt ihn also um 200 mK. Für Präzisionsan- acam-messelectronic gmbh - Am Hasenbiel 27 - D-76297 Stutensee-Blankenloch - Germany - www.acam.de 3 1 1 Einführung wendung muss daher der Messstrom deutlich reduziert werden. Dies wird um so wichtiger, je kleiner die Sensoren werden. 1.1 PS08 PICOSTRAIN Wandler PS08 ist eine System-on-Chip Lösung, die eigentlich für Waagen entwickelt wurde, welche auf Dehnungsmessstreifen basieren. Der PS08 hat einen PICOSTRAIN Wandler um Widerstände mit 28 Bit Auflösung zu messen. Der proprietäre 24-Bit CISC Controller kann auf 3 K ROM und 1 K EEPROM zugreifen. Mit dem eingebauten LCD Treiber kann der PS08 daher auch als Ein-Chip Lösung für Präzisions-Temperaturanzeigen eingesetzt werden. Selbstverständlich kann der PS08 auch als reiner Wandler genutzt werden und über die eingebaute SPI-Schnittstelle mit einem externen Prozessor kommunizieren. 1.2 Messprinzip Der PS08 nutzt das PICOSTRAIN Messverfahren. Dabei wird die Widerstandsmessung in eine hochgenau Zeitmessung überführt. Ein Kondensator wird wechselweise über den Sensorwiderstand und einen Referenzwiderstand entladen. Die Entladezeit liegt typisch zwischen 5 µs und 150 µs und wird mit 50 ps RMS (< 1ps durch Mittelung) gemessen. Das Verhältnis der Entladezeiten liefert dann die relative Abweichung des Messwiderstands vom Referenzwiderstand. Der Strom in den Sensor wird demnach durch die Ladung bestimmt, die während der Entladung des Kondensators von Vcc nach Vth durch den Widerstand fließt. Der Strom steigt linear mit der Messrate an. 4 acam-messelectronic gmbh - Am Hasenbiel 27 - D-76297 Stutensee-Blankenloch - Germany - www.acam.de 1 2 Realisierung Variante 1 Das folgende Schaltbild zeigt die komplette Schaltung einer Temperaturelektronik mit optionaler Anzeige mit einem PT1000 Sensor. Der PT1000 Temperatursensor wird mit einem fixen Referenzwiderstand Rref verglichen. Rref sollte natürlich sehr stabil sein, z.B. tk = 5 ppm/K, da dessen Temperaturdrift als Fehler in das Ergebnis eingeht. Die beiden Widerstände Rsep1 und Rsep2 können einfache Metallfilmwiderstände sein. Diese werden vom PS08 genutzt, um den Gainfehler des internen Komparators zu korrigieren. Als Oszillator sollte ein kostengünstiger Keramikresonator verwendet werden. Der PS08 hat drei separate Spannungsversorgungen, die alle auf der selben Spannung liegen, jedoch über Widerstände entkoppelt werden. Für den Ladekondensator wurden 22 nF gewählt, was eine Entladezeit von etwa 15 µs ergibt. Der PS08 wird bei minimaler Mittelung, avrate = 2 betrieben. Für eine Einzelmessung werden daher der Temperatursensor und der Referenzwiderstand jeweils zweimal entladen. Sollten PT100 zum Einsatz kommen, dann muss in die gemeinsame Load-Leitung für Rsense und Rref ein 50 Ohm Widerstand platziert werden. Dieser garantiert auch bei acam-messelectronic gmbh - Am Hasenbiel 27 - D-76297 Stutensee-Blankenloch - Germany - www.acam.de 5 1 2 Realisierung Variante 1 niedrigen Temperaturen von –125°C einen Minimalwiderstand von 100 Ohm. Bei kleineren Widerstandswerten würde es aufgrund der limitierten Treiberstärke des PS08 zu Linearitätsfehlern kommen. Dank der sehr guten Störspannungsunterdrückung (PSRR) des PS08 kann der Chip direkt von einer Batterie betrieben werden und benötigt keinen Spannungsregler. 2.1 Konfiguration des PS08 Der PS08 wird für die Temperaturmessung im Single Conversion Mode, Messbereich 2 betrieben. In diesem Modus wird der 4 MHz Oszillator nur während der Messung aktiviert. Da ein Keramikresonator verwendet wird, der ausreichend schnell anschwingt, kann die Verzögerung der Messung auf den kleinsten Wert, 100 µs, gesetzt werden. single_conversion = 1 messb2 = 1 bridge = 1 sel_start_osz = 2 Die Zykluszeit (Zeit zwischen zwei Entladungen) wird mit dem Cycle Counter auf 75*2 µs = 150 µs gesetzt. tdc_conv_cnt = 75 Der interne Komparator wird nur für die Dauer der Messung aktiviert. sel_compint = 1 con_comp = 1 sense_discharge = 1 Der Multiplikationsfaktor für das Rohergebnis wird auf 0,1 gesetzt, um den großen Variationsbereich des Widerstandswertes abzudecken. Mult_Hb1 = 0,1 Der Mult_pp Faktor wird auf 1,28 gesetzt. 6 acam-messelectronic gmbh - Am Hasenbiel 27 - D-76297 Stutensee-Blankenloch - Germany - www.acam.de 1 2 Realisierung Variante 1 Das LCD wird auf Ladungspumpenbetrieb gestellt, da sich bei reinem Batteriebetrieb die Betriebssapnnung am PS08 über die Zeit stark ändert und deswegen die LCD Spannung geregelt werden muss. Die übrigen Einstellungen zum LCD müssen dem jeweils verwendeten LCD angepasst werden. lcd_directdrive = 0 2.2 Programm Als Rohergebnis ermittelt der PS08 das Verhältnis (t2-t1)/(t2+t1). Bei symmetrisch veränderlichen Sensoren ergibt dies einfach die relative Änderung dR/R. Bei nur einem veränderlichen Widerstand wird durch diese Berechnung eine Nichtlinearität eingeführt. Daher wird im Programm das Ergebnis zunächst wieder linearisiert. Die Berechnung hierzu lautet: (3) Bei Temperaturen unter 0°C wird der Widerstandswert um den Wert R = R + 1,332 * 1 0 −6 (1000 − R)3 korrigiert. Im Bereich –50°C bis 0°C beträgt der maximale Fehler nach Korrektur 40 mOhm beim PT1000. Als Ergebnis steht nun der Widerstandswert bereit. Dieser kann nun mit Hilfe der Formel (4) in eine Temperatur zurückgerechnet werden. Hierzu wird die Formel (2) umgestellt: (4) Um möglichst effektiv die 24 Bit nutzen zu können, werden einzelne Terme Bitweise verschoben. Die Wurzel wird nach dem Newton-Verfahren ermittelt xn + 1 = 1 x0 + xn 2 xn Durch die Wahl eines geschickten Startwertes (x0) kann die Wurzelberechnung nach 5 Schritten gestoppt werden, ohne an Genauigkeit zu verlieren. Am Ende dieser Prozedur steht das Ergebnis in Millikelvin bereit und kann so auf dem LCD ausgegeben werden. acam-messelectronic gmbh - Am Hasenbiel 27 - D-76297 Stutensee-Blankenloch - Germany - www.acam.de 7 1 Realisierung Variante 1 2 2.3 Ergebnisse: Stromaufnahme Die Triggerschwelle des internen Komparators liegt mit 1,6 V bei etwa der Hälfte der Versorgungsspannung. Während einer Entladung fließen daher etwa 1,7 V * 22 nF = 37,4 nC durch einen Widerstand. Bei zwei Messungen pro Sekunde mit je zwei Entladungen des PT1000 fließen daher nur 150 nA in den PT1000 Sensor. Die Verlustleistung im Sensor und damit die Selbsterwärmung sind somit absolut vernachlässigbar. Bei höheren Messraten steigt der Strom in den Sensor linear mit der Messrate an. Die Elektronik insgesamt benötigt bei 2 Hz Messrate etwa 12 µA, wobei hier allerdings etwa 6 µA alleine auf das LCD entfallen, welches kontinuierlich anzeigt. Im reinen Wandlerbetrieb, ohne Anzeige, benötigt die gesamte Elektronik nur 6 µA, welche sich in ca. 2 µA Basisstrom + 2.2 µA pro Messung aufteilen. Auflösung Die Auflösung der Messung beträgt etwa 0,25 mOhm RMS bzw. 1,5 mOhm Peak-toPeak. Dies entspricht mehr als 20 effektiven Bit. Umgerechnet in Temperatur erreicht der Wandler also problemlos 1 mK Auflösung. Die Anzeige in Kelvin ist eher durch die mathematische Umrechnung und damit verbundene Rundungsfehler begrenzt. Das hier beschriebene Verfahren liefert eine Temperaturanzeige mit 3 mK Auflösung. Bei eingeschränktem Temperaturbereich kann durch Code-Optimierung die Genauigkeit der Temperaturanzeige auf 1 mK verbessert werden. Temperaturdrift der Elektronik Die Eigendrift (Offset und Verstärkung) der Elektronik, gemessen im Temperaturbereich –10 °C bis +80 °C und einem Hub von 800 Ohm ist mit < 1 ppm F.S./°C bei PT1000 sehr gering. 8 acam-messelectronic gmbh - Am Hasenbiel 27 - D-76297 Stutensee-Blankenloch - Germany - www.acam.de 1 3 Realisierung Variante 2 - Minimal Die Schaltung kann nochmal deutlich vereinfacht werden, wenn man sich mit etwas weniger Genauigkeit zufrieden gibt. Der wesentliche Schritt ist die Reduzierung der Entladezeit auf 5 µs. Damit kann der PS08 im Messbereich 1 betrieben werden und somit ist der 4 Mhz Takt überflüssig. Als weitere Vereinfachung wird der interne Komparator übergangen und direkt der interne Schmitttrigger verwendet. Die Blockkapazitäten wurden auf ein Minimum reduziert. Somit ergibt sich folgendes Schaltbild: Die Schaltung ist auf nur 9 Komponenten (ohne Anzeige) reduziert. So lässt sich eine sehr kleine und kompakte Schaltung aufbauen. Aufgrund des geringeren Ladekondensators werden bei dieser Schaltung Streukapazitäten des Sensorkabels einen größeren Einfluß haben. Die Messung wird empfindlicher auf Änderungen der Kabelkapazität. Diese Schaltung wird daher eher nur für Anwendungen mit kurzen Verbindungen zwischen Sensor und Elektronik empfohlen. Für den Ladekondensator wurden 5,6 nF gewählt, was eine Entladezeit von etwa 5 µs ergibt. Der PS08 wird bei minimaler interner Mittelung, avrate = 2 betrieben. Für eine Einzelmessung werden daher der Temperatursensor und der Referenzwiderstand jeweils zweimal entladen. acam-messelectronic gmbh - Am Hasenbiel 27 - D-76297 Stutensee-Blankenloch - Germany - www.acam.de 9 1 Realisierung Variante 2 - Minimal 3 Sollten PT100 zum Einsatz kommen, dann muss wieder in die gemeinsame Load-Leitung für Rsense und Rref ein 50 Ohm Widerstand platziert werden. Der PS08 kann wieder direkt von einer Batterie betrieben werden und benötigt keinen Spannungsregler. 3.1 Konfiguration des PS08 Der PS08 wird für diese Temperaturmessung im Messbereich 1, Single Conversion Mode betrieben. In diesem Modus wird der nur der interne 10 kHz Oszillator genutzt. single_conversion = 1 messb2 = 0 bridge = 1 sel_start_osz = 0 Die Zykluszeit (Zeit zwischen zwei Entladungen) wird auf den minimalen Wert von 100 µs gesetzt. tdc_conv_cnt = 1 Da nur die interne Schmitttriggerstufe genutzt wird, kann die interne Komparatorstufe abgeschaltet werden . sel_compint = 1 con_comp = 0 sense_discharge = 0 Der Mult_pp Faktor wird von 1,28 aud 1,55 angepasst. Der Multiplikationsfaktor für das Rohergebnis wird auf 0,1 gesetzt, um den großen Variationsbereich des Widerstandswertes abzudecken. Mult_Hb1 = 0,1 Das LCD wird auf Ladungspumpenbetrieb gestellt, da sich bei reinem Batteriebetrieb die Betriebssapnnung am PS08 über die Zeit stark ändert und deswegen die LCD Spannung geregelt werden muss. Die übrigen Einstellungen zum LCD müssen dem jeweils verwendeten LCD angepasst werden. 10 lcd_directdrive = 0 acam-messelectronic gmbh - Am Hasenbiel 27 - D-76297 Stutensee-Blankenloch - Germany - www.acam.de 1 3 Realisierung Variante 2 - Minimal 3.2 Programm Hier gibt es keine Veränderung gegenüber Schaltungsvariante 1. 3.3 Ergebnisse Stromaufnahme Die Triggerschwelle des internen Schmitttriggers liegt bei etwa 0,8 V. Bei 3,3 V Versorgung fließen während einer Entladung daher etwa 2,5 V * 22 nF = 55 nC durch einen Widerstand. Bei zwei Messungen pro Sekunde mit je zwei Entladungen des PT1000 fließen daher nur 220 nA in den PT1000 Sensor. Die Verlustleistung im Sensor beträgt dann < 1nW. Bei einem Platin-Chipwiderstand mit einer Selbsterwärmung von 0,15 K/mW wäre die Selbsterwärmung somit vernachlässigbar. Bei höheren Messraten steigt der Strom in den Sensor linear mit der Messrate an. Die Elektronik insgesamt benötigt bei 2 Hz Messrate etwa 8 µA, wobei hier allerdings etwa 6 µA alleine auf das LCD entfallen, welches kontinuierlich anzeigt. Im reinen Wandlerbetrieb, ohne Anzeige, benötigt die gesamte Elektronik nur 2 µA bei 2 Hz, 5 µA bei 5 Hz. Auflösung Die Auflösung der Messung beträgt etwa 3 mOhm RMS bzw. 15 mOhm Peak-to-Peak. Dies entspricht mehr als 18 effektiven Bit. Umgerechnet in Temperatur erreicht der Wandler also 4 mK Auflösung. Die Anzeige in Kelvin ist zudem durch die mathematische Umrechnung und damit verbundene Rundungsfehler auf 3 mK Anzeigegenauigkeit begrenzt. Temperaturdrift der Elektronik Die Eigendrift (Offset und Verstärkung) der Elektronik ist mit < 1 mΩ/°C wieder sehr gering. acam-messelectronic gmbh - Am Hasenbiel 27 - D-76297 Stutensee-Blankenloch - Germany - www.acam.de 11 1 4 3-Draht Sensoren Der PS08 kann auch Sensoren mit 3 Anschlussdrähten auswerten. Diese werden üblicherweise verwendet, um den Einfluss des Kabelwiderstandes auf das Ergebnis zu reduzieren. Dies kann bei längeren Leitungen notwendig sein, da der Widerstand des Kabels direkt in das Messergebnis eingeht. Kritisch ist hier die Änderung des Leitungswiderstandes über die Temperatur, da dies nicht mehr über eine Kalibration korrigiert werden kann. Beim PICOSTRAIN Messverfahren wirkt sich der Kabelwiderstand in gleicher Weise aus wie eine Änderung der Verzögerung des Komparators. Für letzteres verfügt der PS08 über ein sehr mächtiges Verfahren zur Korrektur. Bei geschickter Verdrahtung wird nun der Kabelwiderstand zusammen mit der Komparatorverzögerung kompensiert. Variationen des Kabelwiderstandes werden auf diese Weise um den Faktor 1/1000 unterdrückt. Eine Änderung des Kabelwiderstandes um 1 Ohm verändert das Messergebnis also um weniger als 1 mOhm. Folgendes Schaltbild zeigt die Messpfade bei einer 3-Draht Schaltung. In den vorherigen Schaltbildern muss der Jumper J1 dafür entfernt werden, die dritte Leitung wie die gestrichelte Linie angeschlossen werden. Das 3-Drahtverfahren geht davon aus, dass die drei Zuleitungen den selben Widerstand und die selbe Temperaturdrift habe. Unterschiede in der Temperaturdrift zwischen den beiden Leitungen können nicht korrigiert werden und verbleiben als Restfehler. 12 acam-messelectronic gmbh - Am Hasenbiel 27 - D-76297 Stutensee-Blankenloch - Germany - www.acam.de 1 5 Mehrere Messkanäle Mit dem PS08 können bis zu 4 Sensoren vermessen werden. Im Register 0 wird hierfür der Wert bridge[1:0] = 3 gesetzt. Damit ist der Quattro-Modus aktiv. Der PS08 vermisst nun mit jeder Messung vier Halbbrücken, wobei die vier Halbbrücken denselben Referenzwiderstand Rref verwenden. acam-messelectronic gmbh - Am Hasenbiel 27 - D-76297 Stutensee-Blankenloch - Germany - www.acam.de 13 1 6 Zusammenfassung In diesem White Paper haben wir eine Elektronik zur Temperaturmessung auf Basis des PS08 vorgestellt, die sich in zwei Leistungsmerkmalen deutlich von bisherigen Lösungen unterscheidet: - Minimaler Messstrom und damit minimale Eigenerwärmung des Sensors - Minimaler Gesamtstrom bei sehr hoher Auflösung im mK Bereich. Die Elektronik kann sehr kompakt aufgebaut werden und die Kosten sind bei sehr hoher Messgenauigkeit dennoch gering. Temperaturanzeigen können Dank des integrierten LCD Treibers als Single-Lösung realisiert werden. Batteriebetriebene Systeme, wie z.B. auch Funksysteme, können von einer deutlich verlängerten Batterielebensdauer profitieren. Schließlich können mit dem PS08 auch rein Solar betriebene Geräte gebaut werden. Insgesamt bietet der PS08 wegen der Kombination von sehr geringem Strom mit hoher Auflösung interessante neue Möglichkeiten im Feld der Temperaturmessung. 14 acam-messelectronic gmbh - Am Hasenbiel 27 - D-76297 Stutensee-Blankenloch - Germany - www.acam.de
