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热电偶模拟集成硬件解决方案以及软件的参考结补偿方案

来源:作者:网上正规真人实体平台发表时间:2018-12-03


      重庆自动化仪表三厂热电偶信号调理比其他温度测量系统更复杂。设计和调试信号调节所需的时间可以增加产品的上市时间。信号调理中的错误,尤其是参考结补偿部分中的错误,可能导致精度降低。以下两个解决方案解决了这些问题。

      第一部分介绍了简单的模拟集成硬件解决方案,该解决方案将直接热电偶测量与使用单个IC的参考结补偿相结合。第二种解决方案详细介绍了基于软件的参考结补偿方案,该方案可提高热电偶测量的精度,并可灵活使用多种类型的热电偶。

测量解决方案1:针对简单性进行了优化

      图1显示了测量K型热电偶的示意图。它基于使用AD8495热电偶放大器,该放大器专门用于测量K型热电偶。该模拟解决方案针对最短的设计时间进行了优化:它具有简单的信号链,无需软件编码。

图1.测量解决方案1:为简化而优化。

这个简单的信号链如何满足K型热电偶的信号调理要求?

      增益和输出比例因子:小型热电偶信号通过AD8495的增益122放大,产生5 mV /°C输出信号灵敏度(200°C / V)。

      降噪:外部RFI滤波器消除了高频共模和差分噪声。AD8495的仪表放大器拒绝低频共模噪声。任何剩余的噪声都由外部后置滤波器处理。

      参考结补偿: AD8495包括一个温度传感器,用于补偿环境温度的变化,必须放置在参考结附近,以保持两个温度相同,以实现精确的参考结补偿。

      非线性校正: AD8495经过校准,在K型热电偶曲线的线性部分提供5 mV /°C输出,在-25°C至+ 400°C温度范围内线性误差小于2°C 。如果需要超出此范围的温度,ADI公司应用笔记AN-1087描述了如何在微处理器中使用查找表或公式来扩展温度范围。

      处理绝缘,接地和暴露的热电偶:图5显示了一个接地的1MΩ电阻,它允许所有热电偶尖端类型。AD8495专门设计用于在使用单电源时能够测量地下几百毫伏,如图所示。如果预计会有更大的接地差分,AD8495也可以采用双电源供电。

      有关AD8495的更多信息:图7显示了AD8495热电偶放大器的框图。放大器A1,A2和A3以及所示的电阻器构成一个仪表放大器,用于放大K型热电偶的输出,其增益适合产生5 mV /°C的输出电压。标有“Ref junction compensation”的盒子里面是环境温度传感器。当测量结温保持恒定时,如果参考结温度因任何原因上升,热电偶的差分电压将降低。如果微小的(3.2 mm×3.2 mm×1.2 mm)AD8495与参考结紧密靠近,参考结补偿电路会向放大器注入额外的电压,使输出电压保持恒定,从而补偿参考电压温度变化。

图2. AD8495功能框图。

表2总结了使用AD8495的集成硬件解决方案的性能:

表2.解决方案1(图1)性能摘要


测量解决方案2:针对准确性和灵活性进行了优化

      图2显示了用于测量具有高精度的J型,K型或T型热电偶的示意图。该电路包括一个用于测量小信号热电偶电压的高精度ADC和一个用于测量参考结温度的高精度温度传感器。两个器件均使用外部微控制器的SPI接口进行控制。

图2.测量解决方案2:针对准确性和灵活性进行了优化。

这种配置如何满足前面提到的信号调理要求?

      消除噪声并放大电压:图9中详细显示的AD7793(高精度,低功耗模拟前端)用于测量热电偶电压。重庆自动化仪表三厂热电偶输出在外部滤波,并连接到一组差分输入AIN1(+)和AIN1( - )。然后,信号通过多路复用器,缓冲器和仪表放大器(用于放大小热电偶信号)和ADC(将信号转换为数字信号)进行路由。

图3. AD7793功能框图。

      补偿参考结温:该ADT7320(图4中详述),如果放在足够接近参考结,可准确测量的基准结温度,以±0.2℃,在-10℃至+ 85℃。片上温度传感器产生与绝对温度成比例的电压,该电压与内部参考电压进行比较并应用于精密数字调制器。调制器的数字化结果更新了16位温度值寄存器。然后,可以使用SPI接口从微控制器读回温度值寄存器,并结合ADC的温度读数进行补偿。

图4. ADT7320功能框图。

      正确的非线性: ADT7320在整个额定温度范围(-40°C至+ 125°C)内提供出色的线性度,无需用户进行校正或校准。因此,其数字输出可以被认为是参考结状态的精确表示。

为了确定实际的热电偶温度,必须使用美国国家标准与技术研究院(NIST)提供的公式将该参考温度测量值转换为等效的热电电压。然后将该电压加到AD7793测量的热电偶电压上; 然后再次使用NIST方程将求和转换回热电偶温度。

      处理绝缘和接地热电偶:图2显示了带有暴露尖端的热电偶。这提供了最佳的响应时间,但相同的配置也可以与绝缘尖端热电偶一起使用。

表3总结了使用NIST数据的基于软件的参考结测量解决方案的性能:

表3.解决方案2(图2)性能摘要

结论

      重庆自动化仪表三厂热电偶在很宽的温度范围内提供稳定的温度测量,但由于设计时间和精度之间需要权衡,它们通常不是温度测量的首选。本文提出了解决这些问题的经济有效的方法。

      第一种解决方案集中于通过基于硬件的模拟参考结补偿技术降低测量的复杂性。它可以实现简单的信号链,无需软件编程,依靠AD8495热电偶放大器提供的集成,可产生5 mV /°C输出信号,可输入各种微控制器的模拟输入。

      第二种解决方案提供最高精度的测量,并且还可以使用各种热电偶类型。基于软件的参考结补偿技术,它依赖于高精度ADT7320数字温度传感器,提供比迄今为止可实现的更精确的参考结补偿测量。ADT7320经过完全校准,额定温度范围为-40°C至+ 125°C。完全透明,与传统的热敏电阻或RTD传感器测量不同,它既不需要在电路板组装后进行昂贵的校准步骤,也不会消耗具有校准系数或线性化程序的处理器或存储器资源。仅消耗微瓦功率,


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