Atšķirības no vājiem signāliem: augstas{0}}precīzas termopāra pastiprinātāju ķēžu projektēšanas māksla

Rūpnieciskajos mērījumos temperatūra ir būtisks parametrs, un termopāri kā viens no visbiežāk izmantotajiem temperatūras sensoriem rada ārkārtīgi vājus izejas signālus,{0}}parasti tikai diapazonā no mikrovoltiem (μV) līdz milivoltiem (mV). Precīza šo vājo signālu pastiprināšana, vienlaikus efektīvi slāpējot trokšņa traucējumus, ir kļuvusi par izaicinājumu daudziem inženieriem.

Termopāri darbojas, pamatojoties uz Zēbeka efektu: kad divi dažādu materiālu vadītāji veido slēgtu ķēdi, tad, kad starp to galiem pastāv temperatūras starpība, ķēdē tiek ģenerēts termoelektrisks elektromotora spēks. K tipa termopāri (niķelis-hroms/niķelis-silīcijs) ir visizplatītākais veids, kuru jutība ir aptuveni 41 μV/grādi, kas nozīmē, ka pat 1 grāda temperatūras maiņa rada tikai 0,041 mV izejas sprieguma izmaiņas.

Galvenie apsvērumi, izstrādājot augstas{0}}precīzas pastiprinātāja shēmas

1. Instrumentācijas pastiprinātāja galvenā loma

Tā kā termopāra signāls ir ārkārtīgi vājš, ir nepieciešams augstas{0}}pastiprināšanas, zema-trokšņa pastiprinātājs. Instrumentu pastiprinātāji ar to augsto ieejas pretestību, augstu parasto -režīmu noraidīšanas koeficientu (CMRR) un zemiem trokšņu rādītājiem ir ideāla izvēle. Augstas precizitātes darbības pastiprinātāji, piemēram, OP07, bieži tiek izmantoti kā priekšpastiprinātāji. Tiem ir ļoti zems ieejas nobīdes spriegums un strāvas temperatūras novirze, kas efektīvi pastiprina mikrovoltu{8}}līmeņa signālus, neradot būtiskas kļūdas.

Pastiprinātāju shēmas parasti izmanto divpakāpju{0}}konstrukciju: pirmais posms ir diferenciālais pastiprinātājs, ko izmanto, lai sākotnēji palielinātu signāla amplitūdu un nomāktu parasto-režīmu traucējumus; otrais posms vēl vairāk pastiprina signālu līdz diapazonam, kas piemērots ADC iegūšanai (piemēram, 0-5V). Pastiprinājuma aprēķina formula ir: V_out=(1 + R_f/R_in)(V_T+ - V_T-). Izvēloties atbilstošu atgriezeniskās saites rezistoru, var iegūt vēlamo pastiprinājuma koeficientu.

2. Visaptverošas stratēģijas trokšņu traucējumu pārvarēšanai

Rūpnieciskā vide ir pilna ar elektromagnētiskiem traucējumiem, un termopāru garie vadi, visticamāk, darbosies kā antenas, lai uztvertu troksni. Trokšņa samazināšanai nepieciešama daudzpusīga pieeja:{1}}

Filtrēšanas dizains: RFI filtra pievienošana ieejā (piemēram, 10 Ω rezistors virknē ar 100 nF kondensatoru) var efektīvi novērst radiofrekvenču traucējumus. Nākamajās shēmās var izmantot otrās-kārtības Sallen-Key zemfrekvences

Ekranēšana un zemējums: elektromagnētisko traucējumu samazināšanas galvenie pasākumi ir ekranēta vītā -pāra kabeļa izmantošana termopāra signālu pārraidīšanai un pareiza ekranēšanas slāņa viena punkta zemējuma nodrošināšana. Analogajai zemei ​​jābūt neatkarīgi ieklātai ar varu, vismaz 2 cm² platībā un atdalītai no digitālās zemes; tas var samazināt troksni par 70%.

Izolācijas tehnoloģija: opto savienotāju vai magnētisko izolatoru pievienošana signāla ķēdei efektīvi bloķē zemējuma cilpas un augstsprieguma pārejas traucējumus, aizsargājot mērīšanas sistēmu. Magnētiskajiem izolatoriem, piemēram, ADuM1201, ir parastā -režīma pārejas imunitāte 100 kV/μs, kas ir piemēroti skarbām rūpnieciskām vidēm.

3. Aukstā savienojuma kompensācija ir obligāta

Termopāri mēra temperatūras starpību starp karsto un auksto savienojumu, nevis absolūto temperatūru. Aukstā krustojuma temperatūras svārstības tieši rada mērījumu kļūdas. Tāpēc ļoti svarīga ir aukstā savienojuma kompensācija.

Kopējās metodes ietver:

Izmantojot termistorus vai diodes temperatūras sensorus, lai precīzi izmērītu aukstā savienojuma temperatūru.

Izmantojot nelīdzsvarotu tilta metodi, lai automātiski kompensētu aukstā savienojuma temperatūras izmaiņu ietekmi, pamatojoties uz vara pretestības raksturlielumiem, kas mainās līdz ar temperatūru.

Lietojumprogrammu -specifisko integrēto shēmu (ASIC), piemēram, AD594 vai MAX6675, izmantošana aukstā savienojuma kompensācijai un signāla linearizācijai vienkāršo dizainu.

4. ADC konvertēšana un signālu apstrāde

Pastiprinātais analogais signāls ir jāpārveido par ciparu signālu. Augstas-precizitātes ADC izvēle ir ļoti svarīga; 24-bitu Σ-Δ ADC (piemēram, AD7176) var sasniegt 1 ppm (daļiņas uz miljonu) izšķirtspēju, un tā iebūvētais digitālais filtrs efektīvi novērš 50/60 Hz jaudas frekvences traucējumus.

Programmatūras algoritmi ir vienlīdz svarīgi: digitālā filtrēšana (piemēram, mainīgā vidējā vai Kalmana filtrēšana), nelineārā korekcija (izmantojot NIST nodrošinātos polinomu vienādojumus vai uzmeklēšanas tabulas) un periodiski paškalibrēšanas algoritmi var vēl vairāk uzlabot mērījumu precizitāti un ilgtermiņa stabilitāti.

Praktiski apsvērumi

Izstrādājot augstas{0}}precīzas termopāra pastiprinātāja shēmas, jāņem vērā arī:

Komponentu izvēle: izmantojiet 1% augstas precizitātes metāla plēves rezistorus, lai samazinātu temperatūras novirzi; atlasiet zema-trokšņa darbības pastiprinātājus (piemēram, OPA211), lai samazinātu raksturīgo troksni.

Barošanas avota atsaiste: pievienojiet 0,1 μF atsaistes kondensatoru pie katras op-ampēra barošanas avota tapas, lai slāpētu strāvas padeves troksni.

Izkārtojums un maršrutēšana: saglabājiet vismaz 3 mm atstarpi starp digitālā un analogā signāla līnijām, lai samazinātu šķērsrunu. Signāla ceļiem jābūt pēc iespējas īsākiem.

Temperatūras diapazons: nodrošiniet, lai visas sastāvdaļas darbotos stabili visā sistēmas temperatūras diapazonā.