microK Präzisionsthermometer

Höhere Genauigkeit bei der Temperatur-Kalibrierung und Messung durch Anwendung eines neuen Typs von Analog/Digital Wandler

Dieser Artikel beschreibt ein neues reversal-switched Gleichstrom-Präzisionsthermometer, das Leistungspegel erreicht, die bisher nur mit Wechselstrom-Widerstandsbrücken erzielt werden konnten. Das microK ist für den Einsatz bei der sekundären Temperaturkalibrierung und bei hochgenauen Temperaturmeß-Anwendungen (bis 0,4 mK Unsicherheit) ausgelegt und ist das einzige Präzisionsthermometer, das sowohl mit Widerstandsthermometern als auch mit Thermoelementen arbeiten kann und dabei Unsicherheiten im Sub-mK-Bereich erzielt. Die Verwendung einer Schnittstelle in Form eines berührungsempfindlichen Bildschirms und die Vermeidung von Schaltern, Relais und Potentiometern bei der Auslegung macht dieses Gerät zu dem ersten Festkörper-Instrument seiner Art und ermöglicht hierdurch eine höchstmögliche Zuverlässigkeit. Das Kernstück dieser Technik ist ein völlig neuartiger Typ von Analog/Digital-Wandler (Analog-to-Digital Converter – ADC), der auf der Σ-Δ (Sigma-Delta) Technik beruht, in dem aber der Einzel-Bit DAC (Digital/Analog-Wandler) im Rückkopplungskreis durch einen 5-bit PWM (Impulsbreiten-Modulation) DAC ersetzt ist. Hierdurch wird das von der Σ-Δ (Sigma-Delta) Technik ausgehende Quantisierungsstörsignal um mehr als zwei Größenordnungen reduziert. Das Störsignalverhalten wird dann nur noch von den in dem ADC und dem Meßsystem verwendeten Elektronikgeräten bestimmt, das niedriger als das vorhandener vergleichbarer Instrumente ist.

Einleitung

Obwohl wir uns bei der Durchführung hochgenauer Temperaturmessungen richtigerweise auf die thermodynamischen Herausforderungen konzentrieren, sind Anforderungen der elektrischen Meßtechnik für das Erreichen einer so geringen Meßungenauigkeit durchaus denen eines guten elektrotechnischen Laboratoriums vergleichbar.

Die verwendeten Haupttemperaturfühler sind natürlich Platin-Widerstands-Thermometer (PRTs - Platinum

Resistance Thermometers). Die in hochgenauen Kalibrierungs-Anordnungen verwendeten SPRTs (Standard- PRTs) bestehen aus dünnen und leicht aufgehängten Spulen aus Platindraht, deren Widerstand gemessen wird, um daraus die Temperatur zu ermitteln. Bei einem nominellen Temperaturkoeffizienten von 0,1 ΩK^-1 eines 25 Ω SPRT, muß der Widerstand auf 100 µΩ genau gemessen werden, wenn man eine Temperaturunsicherheit von 1 mK erreichen will. Typischerweise wird bei einem 25 Ω-SPRT mit einem 1 mA Fühlerstrom gearbeitet, um die Selbstaufheizung so gering wie möglich zu halten. Die 1 mK entsprechende Spannungsunsicherheit beträgt nur 100 nV über einen Bereich von typisch 0 bis 100 mV (um den vollen Temperaturbereich des SPRT ausnutzen zu können). Diese Anforderung stellt ein anspruchsvolles Meßziel dar.

Thermoelemente werden bei meßtechnischen Anwendungen natürlich häufig eingesetzt. Thermoelemente aus Edelmetallen kommen bei hochgenauen Kalibrierungsarbeiten und höheren Temperaturen (über ~1000 °C) zum Einsatz, wo PRTs nicht mehr verwendet werden können. Die von einem Thermoelement erzeugt EMK wird gemessen um seine Temperatur zu bestimmen. Auch hier sind die Ansprüche an die elektrische Meßtechnik durchaus mit denen eines elektrischen Kalibrier-Laboratoriums zu vergleichen; ein Gold-Platin-Thermoelement hat bei einer Temperatur vom 1000°C eine EMK-Koeffizienten von nominell 20 µVK^-1, d.h. um 10 mK messen zu können, muß seine EMK auf 200 nV genau gemessen werden und das, um den vollen Meßbereich des Thermoelementes ausnutzen zu können, über den Bereich von 0 bis 20 mV. Dies wiederum ist eine herausfordernde Aufgabe für die elektrische Meßtechnik.

Der Bedarf für einen neuen ADC

In einem Präzisionsinstrument ist der ADC die “Meßmaschine’. Seine Leistung ist die Grundlage für das Erreichen einer geringen Meßunsicherheit.

Historisch sind Wechselstrombrücken (oder andere auf Transformatoren beruhende Meßsysteme wie zum Beispiel Strom-Komparatoren) in Laboratorien bei der Temperaturmessung verwendet worden, wenn Leistungen von weniger als 1 mK Unsicherheit erforderlich waren. Diese Meßsysteme arbeiteten mit Verhältnis-Transformatoren als ihren ADC`s. In einer Wechselstrom-Widerstandsmeßbrücke wird ein normaler Wechselstrom durch das SPRT (R_X) und den Bezugswiderstand (R_S) geleitet. Die an R_S entstehende Spannung wird dem Transformator skaliert und mit der Spannung an R_X verglichen. Ein Steuerkreis stellt die Transformatoranzapfungen so ein, daß die Brücke sich im Gleichgewicht befindet und das Fehlersignal zu Null wird. Da das Verhältnis der Spannungen an der Primär- und der Sekundärwicklung eines idealen Transformators gleich dem Verhältnis der Wicklungszahlen ist, ist Rx = nR_S.

Bei weniger anspruchsvollen Arbeiten (Unsicherheit über 1 mK) können Gleichstrom-Potentiometerinstrumente, typischerweise unter Einsatz von integrierenden ADC`s, verwendet werden. Ein gemeinsamer Gleichstrom wird durch das Thermometer (R_X) und den Bezugswiderstand (R_S) geschickt. Ein Spannungsmesser ist zwischengeschaltet und mißt die Spannung an R_X und R_S. Das Verhältnis (n) der beiden Ablesungen wird berechnet. Der Wert von R_X wird dann aus der Gleichung R_X = nR_Sbestimmt. Die Wirkung von thermischen EMK’s kann größtenteils durch Umkehren des Stroms und Mitteln der Messungen mit umgekehrter Polarität eliminiert werden.

Das Hart Superthermometer verwendet den Thaler ADC100 als ADC. Obwohl der Kern-ADC100 nur eine Linearität von 3 ppm hat, macht es die zusätzliche Linearisierung des Instrumentes möglich, daß das Superthermometer eine Toleranz von 1 ppm erreicht.

Die meisten Temperatur-Kalibrierungslaboratorien benötigen eine Widerstandsbrücke oder ein Präzisionsthermometer zur Verwendung mit den PRTs und ein getrenntes Präzisionsvoltmeter oder ein DMM (Digital Multi-Meter) zur Verwendung mit Thermoelementen. Das neue hier beschriebene Präzisionsthermometer (microK) arbeitet mit einer Gleichstrommeßtechnik, so daß es sowohl Widerstand und Spannung messen kann, aber ein höhere Leistung erreicht als es normalerweise mit Gleichstrom-Meßverfahren möglich ist. Dies ist daher das einzige Instrument, das sowohl mit Widerstandsthermometern (PRTs und Thermistoren) und Thermoelementen mit einer Toleranz im Sub-mK-Bereich zusammearbeiten kann. Der Vorteil für den Benutzer ist der, daß er nur ein Instrument anstelle von zwei zu kaufen braucht und damit sowohl Investitionskapital als auch laufende Kosten spart (nur ein Instrument benötigt regelmäßige und nachverfolgbare Kalibrierung).

Das Hauptauslegungsziel für das neue microK war, daß es wesentlich weniger als 1mK zu dem Unsicherheitsbudget einer typischen Meßanwendung (25 Ω SPRT bei 1 mA) beitragen soll. Da jedoch die besten verfügbaren ADCs nicht die Störspannungs- und Linearitätswerte liefern, die im Sub-mK-Bereich notwendig sind, mußten wir für diese Anwendung einen vollständig neuen ADC entwickeln.

Das für das microK entwickelte ADC-System beruht auf der bewährten Σ-Δ Technik [1]. Die neue Konstruktion arbeitet mit dem ursprünglich von der Metron Designs und dem National Physical Laboratory im UK entwickelten Multi-Bit Σ-Δ Verfahren, das, um die anspruchvollen Anforderungen des neuen microK-Instrumentes erfüllen zu können, weiter verbessert worden ist.

Σ-Δ ADCs mit sehr hoher Auflösung sind zwar als einzelne integrierte Schaltungen verfügbar, doch entsprechen ihr Störspannungsverhalten und ihre Linearität nicht ihrer hervorragenden Auflösung.

In einem konventionellen Σ-Δ ADC, wird das analoge Eingangssignal von dem Ausgangssignal eines 1-bit DAC abgezogen, ehe es von einer Reihe von, als Kaskade geschalteten Integratoren gefiltert wird. Anschließend gelangt das Signal in einen 1-bit ADC, der den DAC speist und die Rückkopplungsschleife bildet. Die extrem hohe Verstärkung der Niederfrequenzschleife der als Kaskade geschalteten Integratoren stellt sicher, daß das Eingangssignal mit dem Ausgang des DAC so abgeglichen wird, daß der Durchschnittswert des 1-bit Datenstroms des DAC gleich dem Eingangssignal ist. Über einen digitalen Tiefpass-Filter wird dann der konvertierte Wert des 1Bit-Datenstroms extrahiert.

Bei einer anderen Art der Betrachtung des Betriebs eines Σ-Δ ADC wird bedacht, was in der Frequenzdomain passiert. Das in den Σ-Δ-Konvertern angewendete Oversampling bedeutet, daß die von dem 1-bit ADC erzeugte Quantisierungsstörspannung über die gesamte Bandbreite verteilt wird, während das Signal, nachdem wir suchen, von dem Oversampling unbeeinflußt ist. Der digitale Filter läßt nur die schmale Bandbreite des erforderlichen Signals durch und in dieser Bandbreite ist die Quantisierungsstörspannung relativ klein, da das Oversampling die Störleistung ja über die gesamte Bandbreite verteilt.

Die Störspannung auf dem konvertierten Signal läßt sich zwar noch weiter verringern, wenn man die Samplingrate erhöht, doch wird es mit der höheren Taktfrequenz des Systems immer schwieriger, die Leistung aufrecht zu erhalten. Eine weitere Möglichkeit zur Reduzierung des Störsignals besteht in der Verwendung eines Multi-bit ADC’s und DAC’s im Rückkopplungskreis. Dies ist aber im Normalfall keine sinnvolle Lösung, da dann die Genauigkeit des ganzen Meßsystems von dem DAC abhängen würde. Durch die Verwendung eines PWM DAC, bei dem das Ausgangssignal eine feste Frequenz und Amplitude aber eine variable Impulsbreite hat, wandeln wir das Problem der Erzeugung eines genauen Spannungs- oder Strompegels in das einer exakten Zeitsteuerung um. Während sich die erforderliche Genauigkeit einer Sub-ppm-Spannung mit einem DAC in einem Produkt dieser Art nicht erreichen läßt, ist es durchaus möglich, die entsprechende Zeitgenauigkeit einzuhalten.

Eingang; Buffer; Genauer 5 bit DAC; 4 Integratoren; Geringe Genauigkeit; 120 kHz-Uhr; Logik; 25.bit“-Ausgangsdatenstrom; Digitaler Filter Dezimal-Umwandler; Ausgangswert

Die Anforderungen an die Zeitsteuerung des PWM DAC sind jedoch alles andere als einfach. Der digitale Filter muß mit der Taktfrequenz des Σ-Δ ADC’s arbeiten. Im microK ist dieser digitale Teil des Σ-Δ ADC’s als schneller FPGA ausgeführt, wodurch sowohl der digitale Filter, der das Ausgangssignal des DAC dezimalisiert (um den konvertierten Wert zu extrahieren), als auch die Steuerung des Rückkopplungs-DAC erreicht wird. Bei Vollausschlag beträgt die Impulsbreite am PWM DAC nur 5 µs, so daß die mit dem ADC erreichte Linearität von 0,2 ppm einer Genauigkeit der Zeitsteuerung von 1 ps oder der Zeit entspricht, in der das elektrische Signal im Steuerungssystem einen Weg von 0,3 mm zurücklegt. Die Entwicklung der Kerntechnologie, um diese Leistung zu erreichen, beanspruchte nahezu die Hälfte der gesamten Entwicklungszeit und der Kosten des Projektes.

Es könnte so aussehen, als wenn die Verringerung der Quantisierungsstörspannung durch die Verwendung der Multi-bit-Rückkopplung in einem Σ-Δ-ADC direkt proportional der Auflösung des ADC/DAC sei. Die mit der verringerten Differentialverstärkung inhärent verbundene höhere Auflösung des DAC verbessert jedoch auch in erheblichem Maße die Stabilität des Kreises. Dies ermöglicht eine um Größenordnungen höhere Integration und eine höhere Schleifenverstärkung, was zu einer unproportionalen Verringerung der Quantisierungsstörspannung führt [2].

Qn (eff,) bezogen auf 1 bit Δ – Σ; LF (zirka Fp/200) Quantisierungsstörspannung über der Zahl der DAC-Bits; Qn bezogen auf 1 Bit DAC; Zahl der DAC-Bits (bipolar)

Diese unproportionale Verbesserung tritt bis zu etwa 4 oder 5 Bits auf, danach wird die Störspannung proportional zur ADC/DAC-Auflösung. Bei dem microK haben wir uns daher für die Verwendung der 5-Bit Auflösung entschieden, hierdurch erhalten wir die vorhergesagte Verringerung der Quantisierungsstörspannung um einen Faktor von mehr als 600. In der Praxis bedeutet dies, daß die Quantisierungsstörspannung nicht mehr von der Σ-Δ-Technik bestimmt wird, sondern von der Leistung der in dem ADC und dem Rest des Meßsystems verwendeten elektronischen Bauelemente abhängt.

Ein weiterer Vorteil des neuen ADC ist seine Schnelligkeit. Die bei dem microK benutzte Implementierung ermöglicht eine Konvertierung mit voller Genauigkeit in nur 100 ms. Dies ermöglicht zusammen mit der Verwendung von Festkörperschaltern eine sehr schnelle Umkehrzeit, die wiederum dazu beiträgt die Wirkung von thermischen EMKs zu eliminieren und die Störspannung zu reduzieren (da das System über der Eckfrequenz der Verstärker 1/f Störspannung betrieben werden kann).

Thermische EMKs

Thermische EMKs (EMKs, die aufgrund der Verbindung von zwei unterschiedlichen Metallen bei unterschiedlichen Temperaturen entstehen) sind bei der Arbeit in diesem Genauigkeitsbereich eine potentielle Fehlerquelle. Diese kann bei der Messung mit Widerstandsthermometern relativ einfach durch Umkehr der Stromrichtung und Durchschnittsbildung der Meßwerte eliminiert werden (die Offsets der beiden Messungen heben sich bei der Bildung des Durchschnittswertes auf). Da dieses Verfahren jedoch bei der Messung der Temperatur mit Thermoelementen nicht angewendet werden kann, müssen die thermischen EMKs bereits am Entstehungsort ausgeschaltet werden. Aus diesem Grunde arbeiten wir mit Tellur-Kupfer (goldplatiert) als Verbinder-Kontaktmaterial, da dieses gute mechanische Eigenschaften mit äußerst niedrigen thermischen EMKs bei dem Kontakt mit den Kupferanschlüssen von Thermoelementen vereint.

Um diese (bereits kleinen) thermischen EMKs von dem Meßsystem fern zu halten werden die Anschlußverbindungen bereits unmittelbar hinter den Anschlußklemmen umgepolt. Aus den mit und ohne Umpolung durchgeführten Messungen wird dann, um die EMKs zu eliminieren, ein Mittelwert gebildet. Die Begrenzung bilden dann die EMKs, die von den zur Umpolung verwendeten Vorrichtungen erzeugten werden.

Festkörper-Schaltvorrichtung

Eine der häufigsten Fehlerquellen in Geräten dieser Art sind die Kontakte der Schalter, Relais, Verbinder und Potentiometer. Aus diesem Grunde wurde das microK konstruktiv so ausgelegt, daß, abgesehen von dem Hauptschalter, keine Schalter, mechanischen Relais oder Potentiometer vorhanden sind. Die Schalter, die üblicherweise für die Bedienerschnittstelle verwendet werden, wurden durch die Kombination eines industriellen berührungsempfindlichen Bildschirms mit einem vollfarbigen VGA LCD ersetzt, wodurch das Instrument sowohl zuverlässig als auch einfach benutzbar wurde. Die internen Verbindungen wurden auf drei Bandkabel (mit vergoldeten Kontakten) für die Signalverbindungen plus einer kleinen Zahl von Verbindern für die Netzwechselspannung und die interne Gleichstromversorgung ersetzt.

Die bisher auf dem Markt befindlichen Geräte dieser Art verwenden mechanische Relais für einige oder alle Verbindungen. Mit dem Übergang auf Halbleiterschalter hat es eine Reihe von Bedenken wegen der damit verbundenen thermischen EMKs gegeben. Uns war bewußt, daß die Metall/Silizium-Verbindungen größere thermische EMKs erzeugen würden als mechanische Relais bei dem gleichen Temperaturgradienten. Aber die sehr kleinen Abmessungen in den Halbleiterbauelementen bedeuten, daß es kaum Gelegenheiten für Temperaturgradienten gibt, was ihnen einen erheblichen Vorteil gegenüber ihren mechanischen Gegenstücken verschafft. In der Praxis hat sich herausgestellt, daß die thermischen EMKs aus den Halbleiterbauelement erheblich kleiner sind als bei den besten mechanischen Relais mit dem Ergebnis, daß wir am Eingang des microK Spannungs-Offsets von erheblich weniger als 100 nV erreichen. Dieser Wert ist besser als der der meisten heute beim Messen von Thermoelementen in Temperatur-Kalibrierungslaboratorien verwendeten Hochleistungs-Voltmeter.

SubstitutionsTopologie

Eine bedeutende Quelle von Fehlern in der in Bild 2 dargestellten potentiometrischen Meßtechnik ist die Gleichtakt-Empfindlichkeit des Eingangsverstärkers. Das Gleichtaktsignal am Eingang des Verstärkers ändert sich zwischen zwei Messungen und führt zu einem Fehler am Eingang des ADC.

Um diese Fehlerquelle auszuschalten, arbeitet der microK mit einer Substitutionstopologie, bei der es in dem System nur einen Meßpunkt gibt, auf den der SPRT und der Bezugswiderstand abwechselnd aufgeschaltet werden.

Hierdurch wird die Konstruktion zwar komplexer und auch teuerer, jedoch wird sichergestellt, daß es zwischen der Messung des Bezugswiderstandes und des Thermometers keine Änderung des Gleichtaktsignals gibt. Dieser Ansatz würde normalerweise zu einer stärken Belastung der Stromquelle führen. Bei der herkömmlichen Anordnung fließt der gleiche Strom durch den Bezugswiderstand und das Thermometer. In der Substitutionsanordnung ändert sich die Spannung am Ausgang der Stromquelle zwischen der Messung des SPRT und der des Bezugswiderstandes und die Stromquelle muß diese Änderung ohne wesentliche Änderung des Fühlstromes bewältigen.

Die Stromquelle im microK hat eine sehr hohe Ausgangsimpedanz, so daß sich der Fühlstrom zwischen der Messung des Bezugswiderstandes und der des Thermometers nicht wesentlich verändert. Zusätzlich ist das gesamte Meßsystem aktiv geschützt, so daß sich weder die Spannung am Ausgang der Stromquelle noch die Gleichtaktspannung an dem gemessenen Gerät ändern.

Der Schutzverstärker ermittelt das Potential an der “Oberseite” des Meßsystems und steuert das entgegengesetzte Ende an, um dieses auf Massepotential zu halten. Auf diese Weise tritt zwischen des Messung des Bezugswiderstandes und der des SPRT weder an der Stromquelle noch an dem Verstärker eine Änderung der Spannung des Gleichtaktsignals auf.

Inhärente Stabilität

Die zur Eliminierung der thermischen EMKs bei der Widerstandsmessung eingesetzte Stromumkehr stellt zusammen mit der echten 4-Leiter-Widerstandsmessung einen eigensicheren stabilen Nullpunkt mit Zeit und Temperatur sicher. Die Spannung am Verstärkereingang bei der Messung eines Kurzschlusses ist, unabhängig davon welche Stromrichtung verwendet wird, immer die gleiche. Bei der Durchschnittsbildung der (Größe) der Messungen ergibt sich daher immer Null (mit einer durch die System-Störspannung bestimmten Ungewißheit).

Auf ähnliche Weise bedeutet die Substitutionstechnik daß das Meßsystem, da die Spannung bei der Messung des Bezugswidertandes und der eines Thermoelementes mit dem gleichen Wertes identisch ist, auch bei einem Verhältnis Eins inhärent stabil ist. Es gibt daher bei diesen beiden Messungen, abgesehen von der Tatsache, daß sie zu leicht unterschiedlichen Zeiten durchgeführt werden, keinen Unterschied. Auch hier wird die Unsicherheit der Messung des Verhältnisses Eins durch Systemstörspannung bestimmt.

Eliminieren der Selbstaufheizungseffekte

Obwohl der bei den SPRTs verwendete Fühlstrom klein ist, kann er doch zu, durch Selbsterwärmung hervorgerufenen “Fehlern” in der Größenordnung von mehreren mK führen. Die genauesten SPRTs haben typischerweise sehr leichte aufgehängte Elemente, so daß die Selbsterwärmung ironischerweise bei den SPRTs die schlimmsten Auswirkungen hat, die für die genauesten Messungen ausgelegt sind.

Der microK verfügt für jeden der drei Eingänge über eine individuelle Warmhalte-Stromquelle, deren Strom den Fühlstrom ersetzt, wenn keine Messung durchgeführt wird und so dafür sorgt, daß die abgegebene Leistung in dem SPRT konstant bleibt.

Die genauesten Messungen mit einem SPRT bestehen aus dem Messen seines Widerstandes mit zwei Fühlströmen und einer anschließenden Rück-Extrapolation auf den Null-Leistungswert [3]. Die Benutzerschnittstelle des microK’s bietet eine einfache Funktion, mit der der Fühlstrom um den Faktor √2 skaliert werden kann, damit diese Technik einfach durch den Benutzer implementiert werden kann.

Drei Kanäle für bestes praktisches Arbeiten

Die eher ungewöhnliche Wahl von drei Meßkanälen entstand aufgrund eines Trend bei den Zulassungsbehörden, bei der Durchführung einer Vergleichskalibrierung die Verwendung von zwei Bezugsthermometern zu empfehlen. Der microK ist mit drei Eingangskanälen ausgestattet, damit der Widerstand des zu kalibrierenden Thermometers (DUT) sowie der von Bezugs-PRTs gegen den internen Bezugswiderstand gemessen werden können, ohne daß man einen externen Multiplexer verwenden muß. Interessant ist, daß kleine Fehler bei dem Wert des internen Bezugswiderstandes nur einen vernachlässigbaren Einfluß auf die Vergleichskalibrierung haben, da der Fehler bei dem gemessenen Widerstand des DUT dem Fehler bei der von dem SPRT angezeigten Temperatur entspricht, vorausgesetzt, der Temperaturkoeffizient (des Widerstandes) des DUT und des SPRT ist gleich. Alle Nettofehler sind das Produkt des kleinen Fehlers beim internen Bezugswiderstand und der Differenz zwischen der Temperatur/Widerstands-Schleifen für das Bezugs- und die DUT-Thermometer. Diese kann berechnet werden und wird immer unbedeutend sein.

Die Leistung begrenzende Faktoren

Den größten Beitrag zur Unsicherheit bei der Messung des Widerstandes von SPRTs liefert der Bezugswiderstand. Aus diesem Grunde ist dieses Bauelement als Metallfolien-Widerstand höchster Qualität von Vishay ausgeführt. Die Widerstände sind, abgesehen von dem 1 Ω Normal (das nicht hermetisch abgedichtet zur Verfügung steht und daher speziell beschichtet ist) alle in ein hermetisch abgedichtetes Gehäuse eingebaut. Die Stabilität dieser internen Widerstandnormale ist besser als 5 ppm / Jahr. Um beste Stabilität zu erreichen, sollten externe Widerstände wie zum Beispiel die in ein Ölbad eingebauten Wilkins Standard-Widerstände benutzt werden. Die Erfahrungen haben gezeigt, daß die Stabilität eines solchen Widerstandes typisch < 1 ppm /Jahr ist.

Die Stabilität des microK bei Spannungsmessungen wird grundsätzlich von dem internen Spannungsbezug bestimmt. Das hier verwendete Bauelement ist eine Bezugs-Zener-Diode ähnlich denen, die bei elektrischen Meterologieanwendungen als Spannungstransfer-Normale verwendet werden. Die Gesamtstabilität des Spannungssystems (einschließlich der Zener-Diode und aller anderen Stromkreise) beträgt 3 ppm / Jahr.

Leistung mit RTDs

Die Prüf- und Leistungsvalidierung des Meßsystems stellte Herausforderungen, die denen der Konstruktion des Produktes selbst vergleichbar waren.

Da die genauesten Temperaturmessungen mit SPRTs durchgeführt werden, wurde die Leistung des Widertandmeßsystems als kritischer angesehen. Dies ist auch sorgfältig unter Verwendung eines RBC (Widerstandsbrücken-Kalibrator) von 2K Electronics, New Zealand) geprüft worden. Der RBC enthält vier hochstabile Widerstände, die sowohl in Reihe als auch parallel geschaltet werden können und bis zu 70 Widerstandsverhältnisse ermöglichen. Die Spezifikation des RBC (besser als 0,01 ppm) reicht für das neue Meßsystem mehr als aus [4].

Die Genauigkeit des für dieses Projekt gekauften RBC wurde durch Prüfen gegen zwei ASL F900 AC Widerstandsbrücken (Toleranz 0,02 ppm), von denen sich die eine im National Physical Laboratory und die andere im Haupt-Temperaturlaboratorium von Isothermal Technology befindet. Beide Prüfungen erbrachten eine Übereinstimmung innerhalb von 0,01 ppm, was das Vertrauen in die Leistung des RBC stärkte.

Prüfungen des microK-400 (angegebene Toleranz 0,4 ppm) ergaben, wie unten für das Gerät 06-B002 dargestellt, das ein 25 Ω SPRT bei 1 mA über den gesamten Betriebsbereich simuliert, daß die typische Toleranz 0,25 ppm beträgt.

Leistung mit Thermoelementen

Die Ziele für Temperaturunsicherheit bei Thermoelementen (gerade Edelmetall-Thermoelemente) sind wesentlich weniger herausfordernd als die für SPRTs. Die niedrigen von den Thermoelementen erzeugten EMKs bedeuten jedoch, daß diese Temperaturunsicherheiten immer noch zu anspruchsvollen elektrischen Meßunsicherheiten führen.

Ein Gold-Platin Thermoelement hat einen Ausgangsbereich von 0 – 20 mV. Mit einem EMK-Koeffizienten von 20 µVK^-1 bei 1000 °C, bedeutet dies, daß eine Temperaturunsicherheit von 10 mK zu einer Spannungsunsicherheit von 200 nV führt.

Das zum Messen der Spannung verwendete Meßsystem ist ein Teilsystem des für die Widerstandsmessung verwendeten Systems. Es wurde daher angenommen, daß die zur Überprüfung der Linearität des Widerstandsmeßsystems durchgeführten Prüfungen auch die Linearität des Spannungsmeßsystems überprüften. Spannungsmessungen setzen aber zum Prüfen und Kalibrieren die Messung bei Null und bei Vollausschlag voraus. Zur Zeit wird dies durch Verwenden einer stabilen Spannungsquelle zusammen mit einem Präzisions-DVM (Digitalvoltmeter) erreicht. Die mit dieser Technik erreichbaren Meßunsicherheiten begrenzen aber zur Zeit die Genauigkeit, die wir für das microK angeben können.

Im allgemeinen ist es schwierig, handelsübliche Produkte oder Systeme zu finden, mit denen sich Spannungskalibrierungen im Bereich 20 – 100 mV mit Meßunsicherheiten von 100 nV und das ist der Bereich, in dem wir arbeiten wollen, durchführen lassen. Metron Designs arbeitet daher an einem neuen System für hochgenaue Kalibrierungen im Niederspannungsbereich. Dies umfaßt eine Präzisions-Stromquelle, die (nachverfolgbar) auf 1 ppm kalibriert werden kann in Kombination mit, in ein temperaturgeregeltes Ölbad eingebauten Widerständen von Wilkins. Die ist besonders nützlich, da kalibrierte Widerstandsnormale mit den erforderlichen Werten (1 Ω and 10 Ω) in Temperaturlaboratorien üblich sind. Aufgrund der Stabilität der Stromquelle und der Wilkins Widerstände gehen wir davon aus, daß wir bei Spannungen Meßunsicherheiten von weniger als 100 nV im Bereich von 20 mV erreichen werden. Dies wird Gegenstand einer zukünftigen Veröffentlichung sein.

Zusammenfassung

Der neue Σ-Δ-ADC mit multi-bit und PWM-Rückkopplung bietet eine bessere Linearität und ein besseres Störspannungsverhalten als die bisherigen Σ-Δ oder integrierenden ADCs. Diese neue Technik ermöglicht es dem microK, Leistungspegel anzubieten, die bisher nur mit Wechselstrombrücken erreichbar waren. Die Verwendung der Gleichstrommeßtechnik bedeutet, daß der microK im Gegensatz zu Wechselstrombrücken sowohl mit Thermoelementen als auch mit PRTs arbeiten kann. Der microK ersetzt daher zwei Instrumente, die normalerweise in einem Temperaturlaboratorium benötigt werden (eine Widerstandsbrücke und ein digitales Voltmeter), was sowohl Kapital als auch Betriebskosten spart ( nur ein Instrument, bei dem die nachverfolgbare Kalibrierung aufrechterhalten werden muß).

Schriftum

1. J Candy and G Temes, “Oversampling Delta-Sigma Converters” (Delta-Sigma.Wandler mit Oversampling), IEEE Press

2. J R Pickering, D Georgakopoulos, J M Williams and P S Wright, “Effect of a PWM feedback DAC on the Noise and Linearity of a Delta-Sigma ADC” (Die Wirkung eines A/D-Wandlers mit Impulsbreitenmodulations-Rückkopplung auf die Störspannungen und die Linearität eines Delta-Sigma-ADC), Int. Conf. on A to D and D to A Converters and Their Applications, 2005.

3. J V Nicholas and D R White, “Traceable Temperatures – An Introduction to Temperature Measurement and Calibration” (Nachverfolgbare Temperaturen – Eine Einführung in die Temperaturmessung und -Kalibrierung), John Wiley and Sons

4. D R White, K Jones, J M Williams and I E Ramsey, “A Simple Resistance Network for the Calibration of Resistance Bridges”( Ein einfaches Netzwerk zur Kalibrierung von Widerstandsbrücken), IEEE Trans. Instrument Meas., IM-42, 5^th Oct 1997, 1068-1074.

Verwendete Abkürzungen

SPRT: Standards Platinum Resistance Thermometer – Normal-Platin-Widerstandsthermometer

microK Blog

Kommentare der Entwickler des microK