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White Paper

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Temperaturmessung mit dem PS08

07. Oktober 2009Dokument Nr.: WP003 V1.1

Millikelvin Auflösung mit nur wenigen Mikroampere Stromverbrauch für resistive Temperatursensoren

acam-messelectronic gmbh - Am Hasenbiel 27 - D-76297 Stutensee-Blankenloch - Germany - www.acam.de2

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Temperaturmessung mit dem PS08Millikelvin Auflösung mit nur wenigen Mikroampere

Welche neuen Leistungsmerkmale kann man sich wohl noch beim Thema Temperatur-

messung 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.

Autor: Norbert Breyer

1 Einführung 3

1.1 PS08 PICOSTRAIN Wandler 4

1.2 Messprinzip 4

2 Realisierung Variante 1 5

2.1 Konfiguration des PS08 6

2.2 Programm 7

2.3 Ergebnisse: 8

3 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

acam-messelectronic gmbh - Am Hasenbiel 27 - D-76297 Stutensee-Blankenloch - Germany - www.acam.de 3

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1 Einführung

Als gängigste Sensortypen werden Widerstandsthermometer und Thermoelemente ein-

gesetzt. 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 Wiederhol-

genauigkeit 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 Poly-

nom 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 Herstel-

lern 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-


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wendung muss daher der Messstrom deutlich reduziert werden. Dies wird um so wichti-

ger, je kleiner die Sensoren werden.

1.1 PS08 PICOSTRAIN Wandler

PS08 ist eine System-on-Chip Lösung, die eigentlich für Waagen entwickelt wurde, wel-

che 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 Messwider-

stands 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.

Einführung1


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2 Realisierung Variante 1

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 einfa-

che Metallfilmwiderstände sein. Diese werden vom PS08 genutzt, um den Gainfehler des

internen Komparators zu korrigieren. Als Oszillator sollte ein kostengünstiger Keramikre-

sonator 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 Einzelmes-

sung 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

Das folgende Schaltbild zeigt die komplette Schaltung einer Temperaturelektronik mit opti-

onaler Anzeige mit einem PT1000 Sensor.


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niedrigen Temperaturen von –125°C einen Minimalwiderstand von 100 Ohm. Bei kleine-

ren Widerstandswerten würde es aufgrund der limitierten Treiberstärke des PS08 zu

Linearitätsfehlern kommen.

Dank der sehr guten Störspannungsunterdrückung (PSRR) des PS08 kann der Chip di-

rekt 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 ak-

tiviert. 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 Varia-

tionsbereich des Widerstandswertes abzudecken.

Mult_Hb1 = 0,1

Der Mult_pp Faktor wird auf 1,28 gesetzt.

Realisierung Variante 12


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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 verwen-

deten 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 hier-

zu lautet:

(3)

Bei Temperaturen unter 0°C wird der Widerstandswert um den Wert

( )36 100010*332,1 RRR −+= − 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

+=+ n

nn x

xx

x 01 2

1

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.


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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 Entla-

dungen des PT1000 fließen daher nur 150 nA in den PT1000 Sensor. Die Verlustleis-

tung 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 Wand-

lerbetrieb, 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-to-

Peak. 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 einge-

schränktem Temperaturbereich kann durch Code-Optimierung die Genauigkeit der Tempe-

raturanzeige 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.



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3 Realisierung Variante 2 - Minimal

Die Schaltung kann nochmal deutlich vereinfacht werden, wenn man sich mit etwas weni-

ger 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 übergan-

gen 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 Streukapazitä-

ten 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.


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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 Varia-

tionsbereich 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 verwen-

deten LCD angepasst werden.

lcd_directdrive = 0

Realisierung Variante 2 - Minimal3


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Realisierung Variante 2 - Minimal3

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 Versor-

gung fließen während einer Entladung daher etwa 2,5 V * 22 nF

= 55 nC durch einen Widerstand. Bei zwei Messungen pro Sekunde mit je zwei Entladun-

gen 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 Mess-

raten 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 be-

grenzt.

Temperaturdrift der Elektronik

Die Eigendrift (Offset und Verstärkung) der Elektronik ist mit < 1 mΩ/°C wieder sehr

gering.


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4 3-Draht Sensoren

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.

Der PS08 kann auch Sensoren mit 3 Anschlussdrähten auswerten. Diese werden üb-

licherweise 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 Leitungs-

widerstandes 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. Varia-

tionen des Kabelwiderstandes werden auf diese Weise um den Faktor 1/1000 unter-

drückt. 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 ge-

strichelte Linie angeschlossen werden.


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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 Referenz-

widerstand Rref verwenden.


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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.

temperaturmessung mit dem ps08 - cdn.weka-fachmedien.de · dungen des pt1000 fließen daher nur 150...

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