熱電偶信號采集電路分析以及優(yōu)化方法 |
信息來(lái)源: 熱電偶 | 2022-05-31 點(diǎn)擊量: 3039 |

在鋼鐵冶金領(lǐng)域, 溫度是非常重要的參數,熱電偶具有準確度高、響應時(shí)間快、測溫范圍廣、成本低廉和使用壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn),因而成為鋼鐵冶金領(lǐng)域溫度檢測元件的首選。熱電偶的測溫精度對工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制有著(zhù)至關(guān)重要的意義,影響熱電偶測溫精度有多方面的因素, 除了熱電偶材質(zhì)的影響、安裝位置是否合適、安裝方法是否合理、熱電偶補償導線(xiàn)的材質(zhì)等之外, 還主要包括二次采集元件端(例如熱電偶二次儀表、PLC 熱電偶模塊等)的因素,如熱電偶信號采集電路、信號非線(xiàn)性化處理技術(shù)及合適的冷端補償方法等。本文著(zhù)重從以上3 個(gè)因素分析熱電偶信號采集精度,并提出合理的優(yōu)化方法。
1、熱電偶的基本工作原理
把2 根不同材質(zhì)的導體或半導體(A 和B)焊接起來(lái)組成一個(gè)閉合回路, 該閉合回路叫熱電回路。當兩接合點(diǎn)處于不同溫度T1和T0時(shí), 回路中就會(huì )產(chǎn)生電動(dòng)勢,這種現象稱(chēng)為熱電效應,而這種電動(dòng)勢稱(chēng)為熱電勢。熱電偶就是利用這種原理進(jìn)行溫度測量的,其中直接用作測量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端(也稱(chēng)測量端),另一端叫做冷端(也稱(chēng)為補償端), 冷端與測量?jì)x表連接。當熱端與冷端有溫差時(shí),測量?jì)x表便能測出被測介質(zhì)的溫度。熱電偶的熱電勢隨溫度的升高而增大,其熱電勢的大小與熱電偶的材質(zhì)、熱電偶兩端的溫度有關(guān),而與熱電極的長(cháng)度、直徑無(wú)關(guān)。熱電偶工作原理如圖1 所示。
2 熱電偶信號采集精度分析
2.1 熱電偶信號采集電路分析
熱電偶信號是變化緩慢的微弱微伏級信號,信號在傳輸過(guò)程中,容易受到外界的電磁干擾,因此熱電偶測溫儀表采集熱電偶信號時(shí),其信號前端需要增加信號調理電路,提高電磁抗干擾能力,并且信號采集需選用高精度、高可靠的AD 轉換器,同時(shí)AD 轉換器的基準電壓源要求選用高精度、低漂移的基準電壓源,并且熱電偶信號更需要采用差分信號輸入來(lái)消除熱電偶線(xiàn)路上的大部分共模噪聲,通過(guò)以上合適的電路優(yōu)化設計才能保證熱電偶信號采集精度的要求。
2.2 熱電偶信號采集電路的優(yōu)化方法
熱電偶信號采集優(yōu)化方案從以下3個(gè)方面考慮:
信號調理電路信號前端設計差分低通濾波器和共模濾波器,濾波器可以采用電阻和電容等無(wú)源器件構成,濾波器的截止頻率決定了阻容值的大小,也可以考慮采用有源濾波器,采用低失調、低溫漂的運算放大器構成有源濾波器,并且運算放大器輸入阻抗高,輸出阻抗低,可以提供良好的隔離性能,并可提供所需增益。
AD 轉換器選型AD 轉換器宜選用高分辨率、低噪聲、高共模抑制比、帶差分輸入通道、內置可編程增益的AD 轉換器。分辨率越高,采集精度越高,但是器件成本會(huì )增加,采集系統應該根據信號波動(dòng)的最小值來(lái)選擇合適的分辨率。例如熱電偶S 分度,其變化1 ℃最小值是5 μV,則最低有效位LSB必須低于5 μV。
AD 轉換器的基準電壓源AD 轉換器的基準電壓源可以選擇內置或者外部單獨接1 個(gè)基準電壓源,基準電壓源要求低溫漂、高精度、低噪聲。內置基準電壓源精度一般,若想更高精度的基準電壓源,則要求選擇外置的電壓源。
以AD7793 精確測量熱電偶信號來(lái)舉例說(shuō)明。AD7793 適合高精度測量應用的低功耗、低噪聲、完整模擬前端,內置1 個(gè)低噪聲、帶有3 個(gè)差分模擬輸入的16 位Σ-Δ 型ADC, 它集成了片內低噪聲儀用放大器,并且增益可設置。
AD7793 測量熱電偶信號電路如圖2 所示。AD7793 的差分輸入用于消除熱電偶線(xiàn)路上的大部分共模噪聲,組成差分低通濾波器的R1,R2,C2放置在A(yíng)D7793 的前端, 可以消除熱電偶引腳上可能存在的拾取噪聲。R1,R2,C1和C3電容組成共模濾波器,可以提供額外的共模濾波?;鶞孰妷涸催x用ADI公司的AD3425,AD3425 是低成本、低功耗、高精度基準電壓源,具有0.1%的初始精度。
當AD7793 配置為單極性工作模式時(shí), 模擬輸入電壓信號計算公示為式中:AIN為模擬輸入電壓;GAIN 為儀表放大器增益;N 為ADC 的轉換位數;VREF為基準電壓源。
顯然,基準電壓有漂移會(huì )影響到熱電偶信號的采集電壓值。轉換位數越大,最低有效位LSB 越小,采集精度就越高, 以基準電壓2500 mV 為準,AD7793 最低有效位LSB 為38.147 μV,若AD 轉換器更換為24 位的AD7792, 最低有效位LSB 為0.149 μV,精度提高了256 倍。