Sistema de mesura de temperatura de termoparell de 3 canals, la precisió del circuit de 0,25 ℃
Funcions i avantatges del circuit
El circuit de la figura 1 proporciona una solució de mesura de termoparell multicanal molt precisa. Les mesures precises de termoparells requereixen l’ús de components de precisió per formar una cadena de senyal que amplifiqui tensions de termoparell febles, redueixi el soroll, corregeixi les no-linealitats i proporcioni una compensació de la unió de referència precisa (normalment anomenada compensació de la unió freda). Aquest circuit resol tots aquests problemes en la mesura de la temperatura del termoparell i té una precisió de ± 0,25 ° C.
El circuit de la figura 1 mostra la connexió de tres termoparells de tipus K al convertidor analògic-digital (ADC) de precisió AD7793 de 24 bits sigma-delta (ADC) per mesurar la tensió del termoparell. Com que un termoparell és un dispositiu diferencial més que un dispositiu de mesura de temperatura absoluta, heu de conèixer la temperatura de la unió de referència per obtenir lectures de temperatura absoluta precises. Aquest procés es coneix com a compensació de la unió de referència i es coneix habitualment com a compensació de la unió freda. En aquest circuit, el sensor de temperatura digital de precisió ADT7320 de 16 bits s’utilitza per mesurar la referència de la unió freda i proporciona la precisió necessària.
Aquest tipus d'aplicació és molt popular per a mesures de temperatura precises que han de ser rendibles en un ampli rang de temperatura proporcionat pels termoparells.
El circuit de la figura 1 mostra la connexió de tres termoparells de tipus K al convertidor analògic-digital (ADC) de precisió AD7793 de 24 bits sigma-delta (ADC) per mesurar la tensió del termoparell. Com que un termoparell és un dispositiu diferencial més que un dispositiu de mesura de temperatura absoluta, heu de conèixer la temperatura de la unió de referència per obtenir lectures de temperatura absoluta precises. Aquest procés es coneix com a compensació de la unió de referència i es coneix habitualment com a compensació de la unió freda. En aquest circuit, el sensor de temperatura digital de precisió ADT7320 de 16 bits s’utilitza per mesurar la referència de la unió freda i proporciona la precisió necessària.
Aquest tipus d'aplicació és molt popular per a mesures de temperatura precises que han de ser rendibles en un ampli rang de temperatura proporcionat pels termoparells.
Figura 1. Sistema de mesura de termoparells multicanal (diagrama esquemàtic: no es mostra per a totes les connexions i desacoblament)
Descripció del circuit
El circuit de la figura 1 està dissenyat per a la mesura simultània de tres termoparells tipus K mitjançant l'ADT7320, un sensor de temperatura SPI de precisió de ± 0,25 ° C, de 16 bits.
Mesura de la tensió del termoparell
El connector i el filtre del termoparell s’utilitzen com a interfície entre el termoparell i l’ADC AD7793. Cada connector (J1, J2 i J3) està connectat directament a un conjunt d’entrades ADC diferencials. El filtre de l'entrada AD7793 redueix el soroll sobreposat a qualsevol pin de termoparell abans que el senyal arribi a les entrades AIN (+) i AIN (-) ADC' L'AD7793 integra un multiplexor de xip, una memòria intermèdia i un amplificador d'instrumentació per amplificar els senyals de petit voltatge de les unions de termoparells.
Mesura de la unió freda
El sensor de temperatura digital de precisió ADT7320 de 16 bits mesura la temperatura de la unió de referència (unió freda) amb una precisió de ± 0,25 ° C en el rang de temperatura de -20 ° C a + 105 ° C. L'ADT7320 està completament calibrat de fàbrica i no necessita cap calibració de l'usuari. Incorpora una referència de temperatura de bandgap, un sensor de temperatura i un ADC sigma-delta de 16 bits per a la mesura de temperatura i la conversió digital amb una resolució de 0,0078 ° C.
Tant l'AD7793 com l'ADT7320 estan controlats per la interfície SPI mitjançant la plataforma de demostració del sistema (EVAL-SDP-CB1Z). A més, aquests dos dispositius també poden ser controlats pel microcontrolador.
Figura 2. Taula d’avaluació de circuits EVAL-CN0172-SDPZ
La figura 2 mostra una placa d’avaluació de circuits EVAL-CN0172-SDPZ amb tres connectors de termoparell tipus K. L’AD7793 ADC i el sensor de temperatura ADT7320 es munten entre dos contactes de coure d’una placa de circuit imprès flexible (PCB) individual a la temperatura de referència.
La figura 3 és una vista lateral de l'ADT7320 muntada en un PCB flexible separat, inserit entre els dos contactes de coure del connector del termoparell. El PCB flexible de la figura 3 és més prim i flexible que els PCB FR4 més petits. Permet muntar l’ADT7320 de manera intel·ligent entre els contactes de coure del connector del termoparell per minimitzar el gradient de temperatura entre la unió de referència i l’ADT7320.
Figura 3. Vista lateral de l'ADT7320 muntat en un PCB flexible
El petit i flexible PCB flexible també permet a l'ADT7320 respondre ràpidament als canvis de temperatura a la unió de referència. La figura 4 mostra el temps de resposta tèrmica típic de l'ADT7320.
Figura 4. ADT7320 Temps de resposta tèrmica típic
La solució és més flexible i permet l’ús d’altres tipus de termoparells, com el tipus J o el tipus T. En aquesta nota del circuit, es té en compte l'elecció del tipus K que és més popular. El termoparell real seleccionat té una punta nua. La unió de mesura es troba fora de la paret de la sonda i està exposada al medi objectiu.
L’avantatge d’utilitzar una punta nua és que proporciona la millor conductivitat tèrmica amb el temps de resposta més ràpid, baix cost i pes lleuger. L’inconvenient és susceptible a danys mecànics i corrosió. Per tant, no és adequat per a entorns difícils. No obstant això, quan es necessita un temps de resposta ràpid de l'ocasió, la punta exposada és la millor opció. Si s’utilitza una punta exposada en un entorn industrial, és possible que s’hagi d’aïllar elèctricament la cadena de senyal. Es poden utilitzar aïlladors digitals per a aquest propòsit (vegeu www.analog.com/icoupler).
A diferència dels termistors convencionals o detectors de temperatura resistius (RTDs), l'ADT7320 és una solució completament connectable que elimina la necessitat de calibratge de diversos punts després del muntatge de la placa i cap programa de calibratge o linealització que consumeixi processador o recursos de memòria. El seu consum d’energia típic de només 700μW quan s’utilitza a subministraments de 3,3 V evita el problema d’autoescalfament que degrada la precisió de les solucions tradicionals de sensors resistius.
Guia de mesurament de la temperatura precisa
Les directrius següents asseguren que l'ADT7320 mesura amb precisió la temperatura de la unió de referència.
Font d'alimentació: si l'ADT7320 s'alimenta d'una font d'alimentació en mode de commutació, es pot produir més de 50 kHz de soroll que afecta la precisió de la temperatura. Per evitar aquest defecte, utilitzeu un filtre RC entre la font d'alimentació i VDD. Els valors dels components utilitzats s’han de considerar acuradament per garantir que els pics de soroll de subministrament siguin inferiors a 1 mV
Desacoblament: l'ADT7320 ha de tenir un condensador de desacoblament situat tan a prop de VDD com sigui possible per garantir mesures de temperatura precises. Es recomana un condensador de desacoblament, com ara un tipus ceràmic d'alta freqüència de 0,1 μF. A més, s’ha d’utilitzar un condensador de desacoblament de baixa freqüència en paral·lel amb un condensador ceràmic d’alta freqüència, com ara un condensador de tàntal de 10μF a 50μF.
Conducció màxima de calor: el paquet de plàstic i el coixinet exposat a la part posterior (GND) són el camí principal de conducció tèrmica des de la unió de referència fins a l'ADT7320. Com que els contactes de coure estan connectats a les entrades ADC, els coixinets de la part posterior no es poden connectar en aquesta aplicació perquè fer-ho pot afectar el biaix d'entrada ADC.
Guia de mesura de tensió precisa
Les següents directrius asseguren que l'AD7793 mesura amb precisió la tensió de la unió mesurada pel termoparell.
Desacoblament: l'AD7793 ha de tenir un condensador de desacoblament situat el més a prop possible d'AVDD i DVDD per garantir mesures de voltatge precises. L’AVDD s’ha de desacoblar a GND connectant un condensador ceràmic de 0,1 μF en paral·lel amb un condensador de tàntal de 10 μF. A més, s’hauria de connectar un condensador ceràmic de 0,1 μF en paral·lel amb un condensador de tàntal de 10 μF per separar el DVDD de GND. Per obtenir més informació sobre les tècniques de connexió a terra, disseny i desacoblament, consulteu el tutorial MT-031 i el tutorial MT-101.
Filtratge: l'entrada diferencial de l'AD7793&# 39 s'utilitza per eliminar el soroll de manera més comuna a les línies de termoparells. Per exemple, col·locar R1, R2 i C3, que formen el filtre diferencial de pas baix, a l’extrem frontal de l’AD7793 elimina el possible soroll sobreposat als pins del termoparell. Els condensadors C1 i C2 proporcionen un filtratge addicional en mode comú. Atès que l'AIN (+) i l'AIN (-) de l'entrada ADC són entrades diferencials analògiques, la majoria de tensions del modulador analògic són tensions de mode comú. L'excel·lent rebuig de mode comú de l'AD7793&# 100 (100 dB min) elimina encara més el soroll de mode comú en aquests senyals d'entrada.
El programa per resoldre altres problemes
A continuació es resumeix com aquesta solució aborda els altres reptes relacionats amb el termoparell esmentats anteriorment.
Amplificació de la tensió del termoparell: tensió de sortida del termoparell amb canvis de temperatura en el rang d’uns pocs μV per grau. El termoparell de tipus K comú utilitzat en aquest exemple té una amplitud variable de 41 μV / ° C. Aquest senyal feble requereix una etapa de guany més elevada abans de la conversió ADC. L'amplificador de guany programable intern (PGA) AD7793 proporciona un guany màxim de 128. El guany d'aquesta solució és 16, cosa que permet a l'AD7793 executar una funció de calibratge a escala completa amb una referència interna.
Correcció de la no linealitat del termoparell: l'AD7793 ofereix una linealitat excel·lent en un ampli rang de temperatura (-40 ° C a + 105 ° C) sense calibratge ni calibratge de l'usuari. Per determinar la temperatura real del termoparell, heu d’utilitzar la fórmula proporcionada per l’Institut Nacional d’Estàndards i Tecnologia (NIST) per convertir la mesura de temperatura de referència a una tensió termoelèctrica equivalent. Aquesta tensió s'afegeix a la tensió del termopar mesurada per l'AD7793 i es torna a convertir de nou a la temperatura del termoparell mitjançant la fórmula NIST. Un altre enfocament consisteix en l’ús de taules de cerca. Tot i això, per obtenir la mateixa precisió, la mida de la taula de cerca pot variar considerablement, cosa que requereix que el controlador amfitrió hi assigni recursos d’emmagatzematge addicionals. Tot el processament es realitza mitjançant programari mitjançant EVAL-SDP-CB1Z. EVAL-SDP-CB1Z es realitza en programari.
Canvis habituals
Per a aplicacions que requereixen poca precisió, es pot utilitzar el AD7792 bit-Δ ADC de 16 bits en lloc del AD7793 bit-Δ ADC de 24 bits. Per a mesures de temperatura de referència, es pot utilitzar un sensor de temperatura digital ADT7310 amb una precisió de ± 0,5 ° C en lloc de la precisió de ± 0,25 ° C ADT7320 Tant l’AD7792 com l’ADT7310 integren la interfície SPI
Afegir: núm. 16, carretera 3, zona industrial Sanjiang, Shengzhou, Zhejiang, Xina
Contacte: Eric Xie
Correu electrònic:sale@benoelectric.com
Mafia: +861598895936
Skype:ericxie123@outlook.com
Wechat amplificador GG; Whatsapp: +8615988295936
Lloc web: www.benoindustry.com
