Ein netzwerkfähiges Millikelvinthermometer für den Laborbetrieb#
Von
Ass.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Gunter Winkler
Univ.-Ass. Dipl.-Ing. Dr.techn. Harald Hartl
Institut für Elektronik
Die Untersuchung der physikalisch chemischen Eigenschaften von Flüssigkeiten mit hochauflösenden Sensoren erfordert, aufgrund der Temperaturabhängigkeit dieser Eigenschaften, Temperaturmessungen mit der Auflösung von 1/1000 °C.
In den 70er-Jahren wurden aufgrund der hohen Empfindlichkeit und den damit verbundenen größeren Ausgangssignalen hauptsächlich NTC-Thermistoren verwendet. Die Nachteile dieser Sensoren sind ein begrenzter Temperaturbereich und die mangelnde Stabilität ihrerTemperatur-Widerstands-Kennlinie. Für zertifizierungspflichtige Thermometer sind drahtgewickelte Platinwiderstände wegen ihrer größeren Genauigkeit und Stabilität vorteilhafter, wäre da nicht der geringe Widerstand des gewickelten Platindrahtes und der kleine Temperaturkoeffizient. Alle Anfang der 90er-Jahre üblichen Verfahren beruhten auf dem Vergleich des zu messenden Widerstandes mit einem Normalwiderstand wobei entweder Wechselstrommessbrücken oder Stromkomparatoren verwendet wurden.
Am Institut für Elektronik wurde unter der Leitung von em. Univ.-Prof. Dr. phil. Hans Leopold ein ratiometrisches Verfahren mit natürlicher Linearität zur direkten A/D-Umsetzung des Widerstandsverhältnisses entwickelt. Die automatische Korrektur von Offset- und Verstärkungsfehlern sowie die Unterdrückung des Rauschens der Referenzquelle ermöglichte die Entwicklung eines Millikelvinthermometers. Parallel zur Fertigung dieses Thermometers bei der Anton Paar GmbH wurde das Konzept am Institut für Elektronik weiterentwickelt. Die Kombination eines bewährten Messprinzips mit einem neuen modularen Aufbau ergibt ein kompaktes, batteriebetriebenes Gerät mit modernen Schnittstellen und einer Messunsicherheit von weniger als einem Millikelvin im Messbereich von –200 °C bis +850 °C.
Das MKT50 besteht aus einem Analogteil mit zwei Eingängen für Pt100-Widerstandsthermometer und einem Digitalteil mit den Benutzerschnittstellen.
© Forschungsjournal SS 07 / Foto: Anton Paar GmbH
Der zu messende Widerstand wird zuerst von einem positiven und anschließend von einem negativen Messstrom von 0,5mA durchflossen. Die am temperaturabhängigen Widerstand auftretenden Spannungen werden über einen U/I-Konverter an den Eingang eines in der Stromdomäne arbeitenden A/D-Umsetzers mit einer Auflösung von 24 bit gelegt. Durch die Bildung der Differenz der beiden Ergebnisse werden Offsetfehler und Fehler durch auftretende Thermospannungen eliminiert. Der Referenzwiderstand wird in der gleichen Weise gemessen. Anschließend wird durch Division der so gebildeten Zahlenwerte das Verhältnis zwischen unbekanntem Widerstand und Referenzwiderstand ermittelt und vorhandene Steigungsfehler beseitigt. Einer Temperaturänderung von 1mK entspricht eine Widerstandsänderung von 0,4 Milliohm (Pt100). Die notwendige Genauigkeit der Spannungsmessung beträgt 200nV bei einer Auflösung von 20nV. Zur Überprüfung der thermischen Kopplung zwischen Messfühler und Umgebung kann die Verlustleistung am Messwiderstand halbiert werden. Der autonom messende Analogteil wird durch einen programmierbaren Logikbaustein gesteuert und ist auf einer einzigen Leiterkarte aufgebaut.
Zusätzlich zur präzisen Messelektronik sind verschiedenste Benutzerschnittstellen notwendig. Diese Funktionen werden durch eine zweite Baugruppe abgedeckt. Das Herzstück dieses Digitalteiles ist ein 16 bit Mikrokontroller von Texas Instruments aus der MSP430-Serie. Er ist für eine maximale Betriebsdauer bei Batteriebetrieb optimiert. Als Anzeige wird ein transflektives Grafikdisplay (128x64) mit schaltbarer Hintergrundbeleuchtung verwendet. Zusätzlich zur seriellen Schnittstelle verfügt das MKT50 über eine Ethernetschnittstelle, die sowohl die Anzeige der Messwerte über ein Webinterface als auch eine Abfrage der Parameter und Messwerte über das TCP/IP-Protokoll ermöglicht. Um eine optimale Batterielebensdauer bei Betrieb mit zwei Alkalibatterien der Größe AA zu erreichen, können die Hintergrundbeleuchtung und die Schnittstellen einzeln abgeschaltet werden. Zusätzlich ist die Versorgung des Messgerätes über ein mitgeliefertes Steckernetzteil oder optional über "power over ethernet" möglich.