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電子發燒友網>電子資料下載>類型>參考設計>CN0172 3通道熱電偶溫度測量系統,精度為0.25 ° C

CN0172 3通道熱電偶溫度測量系統,精度為0.25 ° C

2021-06-05 | pdf | 238.27KB | 次下載 | 2積分

資料介紹

CN0172 對于精度要求較低的應用,可用 AD7792 16位Σ-Δ 型ADC 替代 AD7793 24位Σ-Δ 型ADC對于基準溫度測量,可用 ±0.5°C精度的 ADT7310 數字溫度傳感器替代±0.25°C精度的 ADT7320. AD7792和ADT7310均集成SPI接口。 本系統使用EVAL-CN0172-SDPZ和EVAL-SDP-CB1Z。EVAL-CN0172-SDPZ板自帶CN0172分線板。 設備要求 需要以下設備: 一個油槽 EVAL-CN0172-SDPZ電路評估板 CN0172分線板(EVAL-CN0172-SDPZ評估板自帶) EVAL-CN0172-SDPZ電路評估板 CN0172評估板軟件 一臺Datron 4808校準儀 一臺Hart Scientific 1590超級溫度計 一個Hart Scientific精密探頭 GPIB電纜(3) 一臺PC,安裝Windows XP或更高版本,運行LabVIEW并 帶有一塊GPIB卡和一個USB 2.0端口 設置與測試 圖5中的測試設置用于評估多通道熱電偶解決方案的性能。使用Datron校準儀提供精密電壓源,用于3個熱電偶輸入。使用超級溫度計測量油槽的溫度,并通過GPIB總線對其進行控制。 CN0172的LabVIEW軟件通過USB端口EVAL-SDP-CB1Z評估板、分線板和SPI總線控制EVAL-CN0172-SDPZ評估板。EVAL-SDP-CB1Z評估板的電源來自USB總線,EVAL-SDP-CB1Z的3.3 V輸出為EVAL-CN0172-SDPZ評估板供電。 如果不需要油槽測量,則可利用CD光盤上的軟件,通過PC的USB接口使用EVAL-CN0172-SDPZ評估板測量3個熱電偶的溫度。 有關測試設置、校準以及如何使用評估軟件來捕捉數據的詳細信息,請參閱CN0172用戶指南: www.analog.com/CN0172-UserGuide. ? 圖5. 測試設置功能框圖 ? 測試結果? 表6顯示采用不同的冷結(CJ)溫度固定值,在各種熱電偶溫度下該解決方案的誤差曲線。寬溫度范圍內的整體解決方案誤差不超過±0.25°C。請注意,若對AD7793ADC執行系統校準,則可進一步改善解決方案精度。 ? 圖6. 固定冷結(CJ)溫度下的誤差與熱電偶溫度的關系 ? 圖7顯示采用不同的熱電偶溫度固定值,在各種CJ溫度下該解決方案的誤差曲線。寬溫度范圍內的整體解決方案誤差不超過±0.25°C。 ? 圖7. 固定熱電偶溫度下的誤差與冷結溫度的關系 ? 圖1中的電路專為使用 ADT7320同時測量3個K型熱電偶而設計,該器件是一款±0.25°C精度、16位數字SPI溫度傳感器。 熱電偶電壓測量 采用熱電偶連接器濾波器作為熱電偶與AD7793 ADC之間的接口。每個連接器(J1、J2和J3)都直接與一組差分ADC輸入相連。AD7793輸入端的濾波器可在信號到達ADC的AIN(+)和AIN(?)輸入端之前降低任何熱電偶引腳上疊加的噪聲。AD7793集成片內多路復用器、緩沖器和儀表放大器,可放大來自熱電偶測量結點的小電壓信號。 冷結測量 ADT7320精密16位數字溫度傳感器用于測量基準結(冷結)溫度,其精度在?20°C至+105°C溫度范圍內可達±0.25°C。ADT7320完全經過工廠校準,用戶無需自行校準。它內置一個帶隙溫度基準源、一個溫度傳感器和一個16位Σ-Δ型ADC, 用來測量溫度并進行數字轉換, 分辨率為0.0078°C。 AD7793和ADT7320均利用系統演示平臺 (EVAL-SDP-CB1Z)由SPI接口控制。此外,這兩個器件也可由微控制器控制。 圖2. EVAL-CN0172-SDPZ電路評估板 ? 圖2顯示帶有3個K型熱電偶連接器的EVAL-CN0172-SDPZ 電路評估板,AD7793 ADC, 和ADT7320溫度傳感器安裝在獨立柔性印刷電路板(PCB)的兩塊銅觸點之間,用于基準溫度測量。 圖3是安裝在獨立柔性PCB上ADT7320 的側視圖,該器件插在熱電偶連接器的兩個銅觸點之間。圖3中的柔性PCB更薄更靈活,比小型FR4類PCB更具優勢。它允許將ADT7320巧妙地安裝在熱電偶連接器的銅觸點之間,以盡量降低基準結和ADT7320之間的溫度梯度。 圖3. 安裝在柔性PCB上ADT7320的側視圖 ? 小而薄的柔性PCB還能使ADT7320快速響應基準結的溫度變化。 圖4顯示ADT7320的典型熱響應時間。 圖4.ADT7320典型熱響應時間 ? 本解決方案較為靈活,允許使用其它類型的熱電偶,如J型或T型。本電路筆記中,選擇K型是考慮到其更受歡迎。實際選用的熱電偶具有裸露尖端。測量結位于探頭壁(probewall)之外,暴露在目標介質中。 采用裸露尖端的優勢在于,它能提供最佳的熱傳導率、具有最快的響應時間,并且成本低、重量輕。不足之處是容易受到機械損壞和腐蝕的影響。因此,不適合用于惡劣環境。但在需要快速響應時間的場合下,裸露尖端是最佳選擇。若在工業環境中使用裸露尖端,則可能需對信號鏈進行電氣隔離。可使用數字隔離器達到這一目的 (見www.analog.com/icoupler). 不同于傳統的熱敏電阻或電阻式溫度檢測器(RTD),ADT7320是一款完全即插即用型解決方案,無需在電路板裝配后進行多點校準,也不會因校準系數或線性化程序而消耗處理器或內存資源。它在3.3 V電源下工作時的典型功耗僅為700μW,避免了會降低傳統電阻式傳感器解決方案精度的自發熱問題。 精密溫度測量指南 下列指南可確保ADT7320精確地測量基準結溫度。 電源: 如果ADT7320 從開關電源供電,可能產生50 kHz以上的噪聲,從而影響溫度精度。為了防止此缺陷,應在電源和VDD. 之間使用RC濾波器。所用元件值應仔細考慮,確 保電源噪聲峰值小于1 mV 去耦: ADT7320必須在盡可能靠近 VDD 的地方安裝去耦電容,以確保溫度測量的精度。推薦使用諸如0.1μF高頻陶瓷類型的去耦電容。此外,還應使用一個低頻去耦電容與高 頻陶瓷電容并聯,如10μF 至 50 μF 鉭電容。 最大熱傳導: 塑料封裝和背面的裸露焊盤(GND)是基準結至ADT7320的主要熱傳導路徑。由于銅觸點與ADC輸入相連,本應用中無法連接背面的焊盤,因為這樣做會影響ADC輸入的偏置。 精密電壓測量指南 下列指南可確保AD7793精確地測量熱電偶測量結電壓。 去耦:AD7793必須在盡可能靠近AVDD 和 DVDD 的地方安裝去耦電容,以確保電壓測量的精度。應將0.1 μF陶瓷電容與10 μF鉭電容并聯,將AVDD去耦到GND。此外,應將0.1 μF陶瓷電容與10 μF鉭電容并聯,將DVDD去耦到GND。 更多有關接地、布局和去耦技巧的討論,請參考Tutorial MT-031 和 Tutorial MT-101 濾波:AD7793的差分輸入用于消除熱電偶線路上的大部分共模噪聲。例如,將組成差分低通濾波器的R1、R2和C3放置在AD7793的前端,可消除熱電偶引腳上可能存在的疊加噪聲。C1和C2電容提供額外的共模濾波。由于輸入ADC的AIN(+)和AIN(?)均為模擬差分輸入,因此,模擬調制器中的多數電壓均為共模電壓。AD7793的出色共模抑制(100dB最小值)進一步消除了這些輸入信號中的共模噪聲。 本方案解決的其它難題 下文總結了本解決方案是如何解決前文提到的其它熱電偶相關難題。 熱電偶電壓放大:熱電偶輸出電壓隨溫度的變化幅度只有每度幾μV。本例中所用的常見K型熱電偶變化幅度為41μV/°C。這種微弱的信號在ADC轉換前需要較高的增益級。AD7793內部可編程增益放大器(PGA)能夠提供的最大增益為128。本解決方案中的增益為16,允許AD7793通過內部基準電壓源運行內部滿量程校準功能。 熱電偶的非線性校正:AD7793在寬溫度范圍(–40°C至+105°C)內具有出色的線性度,不需要用戶校正或校準。為了確定實際熱電偶溫度,必須使用美國國家標準技術研究院(NIST)所提供的公式將參考溫度測量值轉換成等效熱電電壓。此電壓與AD7793測量的熱電偶電壓相加,然后再次使用NIST公式將兩者之和再轉換回熱電偶溫度。另一種方法涉及查找表的使用。然而,若要獲得同樣的精度,查找表的大小可能有較大不同,這就需要主機控制器為其分配額外的存儲資源。所有處理均通過EVAL-SDP-CB1Z以軟件方式完成。EVAL-SDP-CB1Z以軟件方式完成。 欲查看完整原理圖和EVAL-CN0172-SDPZ的布局,請參見CN-0172設計支持包:www.analog.com/CN0172-DesignSupport. CN0172 3通道熱電偶溫度測量系統,精度為0.25 ° C 圖1中的電路在功能上可提供高精度、多通道的熱電偶測 量解決方案。精確的熱電偶測量要求采用精密元件組成信 號鏈,該信號鏈應當能夠放大微弱的熱電偶電壓、降低噪 聲、校正非線性度并提供精確的基準結補償(通常稱為冷結 補償)。本電路可解決熱電偶溫度測量的全部這些難題,并 具有±0.25°C以上的精度。 圖1中的電路顯示將3個K型熱電偶連接至AD7793 精密24位 Σ-Δ型模數轉換器(ADC),以測量熱電偶電壓。由于熱電 偶是一種差分器件而不是絕對式溫度測量器件,必須知道 基準結溫才能獲得精確的絕對溫度讀數。這一過程被稱為 基準結補償,通常稱為冷結補償。本電路中ADT7320 精 密16位數字溫度傳感器用于冷結基準測量,并提供所需的 精度。 對于需要在熱電偶提供的寬溫度范圍內進行高性價比的精 確溫度測量而言,這類應用非常受歡迎。 圖1. 多通道熱電偶測量系統(原理示意圖:未顯示所有連接和去耦) ? CN0172 CN0172 | circuit note and reference circuit info 3通道熱電偶溫度測量系統,精度為0.25 ° C | Analog Devices 圖1中的電路在功能上可提供高精度、多通道的熱電偶測 量解決方案。精確的熱電偶測量要求采用精密元件組成信 號鏈,該信號鏈應當能夠放大微弱的熱電偶電壓、降低噪 聲、校正非線性度并提供精確的基準結補償(通常稱為冷結 補償)。本電路可解決熱電偶溫度測量的全部這些難題,并 具有±0.25°C以上的精
  • 3通道K型熱電偶測量系統
  • 典型溫度范圍為-200 C至+1200 C
  • 高精度溫度測量,可精確至0.25度
  • 采用16位數字溫度傳感器進行冷結補償
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