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熱電偶信號采集電路分析以及優化方法

來源:www.kimmosasi.net作者:發表時間:2016-10-28

在鋼鐵冶金領域, 溫度是非常重要的參數,熱電偶具有準確度高、響應時間快、測溫範圍廣、成本低廉和使用壽命長等優點,因而成為鋼鐵冶金領域溫度檢測元件的首選。熱電偶的測溫精度對工業生產過程控製有著至關重要的意義,影響熱電偶測溫精度有多方麵的因素, 除了熱電偶材質的影響、安裝位置是否合適、安裝方法是否合理、熱電偶補償導線的材質等之外, 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、信號非線性化處理技術及合適的冷端補償方法等。本文著重從以上3 個因素分析熱電偶信號采集精度,並提出合理的優化方法。

1、熱電偶的基本工作原理
      把2 根不同材質的導體或半導體(A 和B)焊接起來組成一個閉合回路, 該閉合回路叫熱電回路。當兩接合點處於不同溫度T1和T0時, 回路中就會產生電動勢,這種現象稱為熱電效應,而這種電動勢稱為熱電勢。熱電偶就是利用這種原理進行溫度測量的,其中直接用作測量介質溫度的一端叫做工作端(也稱測量端),另一端叫做冷端(也稱為補償端), 冷端與測量儀表連接。當熱端與冷端有溫差時,測量儀表便能測出被測介質的溫度。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、熱電偶兩端的溫度有關,而與熱電極的長度、直徑無關。熱電偶工作原理如圖1 所示。

熱電偶工作原理

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,信號在傳輸過程中,容易受到外界的電磁幹擾,因此熱電偶測溫儀表采集熱電偶信號時,其信號前端需要增加信號調理電路,提高電磁抗幹擾能力,並且信號采集需選用高精度、高可靠的AD 轉換器,同時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,並且熱電偶信號更需要采用差分信號輸入來消除熱電偶線路上的大部分共模噪聲,通過以上合適的電路優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化方法
        熱電偶信號采集優化方案從以下3個方麵考慮:
        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,並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,並可提供所需增益。
        AD 轉換器選型AD 轉換器宜選用高分辨率、低噪聲、高共模抑製比、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,但是器件成本會增加,采集係統應該根據信號波動的最小值來選擇合適的分辨率。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必須低於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舉例說明。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 個低噪聲、帶有3 個差分模擬輸入的16 位Σ-Δ 型ADC, 它集成了片內低噪聲儀用放大器,並且增益可設置。
        AD7793 測量熱電偶信號電路如圖2 所示。AD7793 的差分輸入用於消除熱電偶線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AD7793 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。基準電壓源選用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。

AD7793 熱電偶信號采集電路

         當AD7793 配置為單極性工作模式時, 模擬輸入電壓信號計算公示為

          QQ截圖20161028150508.jpg

         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。