Hệ thống đo nhiệt độ cặp nhiệt điện 3 kênh, độ chính xác của mạch 0,25 °C

Chức năng mạch và ưu điểm

Mạch trong Hình 1 cung cấp một giải pháp đo cặp nhiệt điện đa kênh, chính xác cao. Các phép đo cặp nhiệt điện chính xác yêu cầu sử dụng các thành phần chính xác để tạo thành một chuỗi tín hiệu khuếch đại điện áp cặp nhiệt điện yếu, giảm tiếng ồn, điều chỉnh các phi tuyến tính và cung cấp bù nối tham chiếu chính xác (thường được gọi là bù nối lạnh). Mạch này giải quyết tất cả các vấn đề này trong đo nhiệt độ cặp nhiệt điện và có độ chính xác ± 0,25 ° C.

Mạch trong Hình 1 cho thấy sự kết nối của ba cặp nhiệt điện loại K với bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số sigma-delta (ADC) chính xác 24 bit để đo điện áp cặp nhiệt điện. Vì cặp nhiệt điện là một thiết bị vi sai chứ không phải là một thiết bị đo nhiệt độ tuyệt đối, bạn phải biết nhiệt độ ngã ba tham chiếu để có được số đo nhiệt độ tuyệt đối chính xác. Quá trình này được gọi là bồi thường ngã ba tham chiếu và thường được gọi là bồi thường ngã ba lạnh. Trong mạch này, cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số chính xác 16 bit ADT7320 được sử dụng để đo tham chiếu ngã ba lạnh và cung cấp độ chính xác cần thiết.

Loại ứng dụng này rất phổ biến cho các phép đo nhiệt độ chính xác cần phải tiết kiệm chi phí trong phạm vi nhiệt độ rộng được cung cấp bởi cặp nhiệt điện.

Biểu đồ 1. Hệ thống đo cặp nhiệt điện đa kênh (sơ đồ: không hiển thị cho tất cả các kết nối và tách rời)

Mô tả mạch

Mạch trong Hình 1 được thiết kế để đo đồng thời ba cặp nhiệt điện loại K sử dụng ADT7320, độ chính xác ± 0,25 ° C, cảm biến nhiệt độ SPI 16 bit.

Đo điện áp cặp nhiệt điện

Đầu nối và bộ lọc cặp nhiệt điện được sử dụng làm giao diện giữa cặp nhiệt điện và AD7793 ADC. Mỗi đầu nối (J1, J2 và J3) được kết nối trực tiếp với một tập hợp các đầu vào ADC khác biệt. Bộ lọc trên đầu vào AD7793 làm giảm tiếng ồn chồng lên bất kỳ chân cặp nhiệt điện nào trước khi tín hiệu đến đầu vào AIN (+) và AIN (-) của ADC. AD7793 tích hợp bộ ghép nối trên chip, bộ đệm và bộ khuếch đại thiết bị để khuếch đại tín hiệu điện áp nhỏ từ các ngã ba cặp nhiệt điện.

Đo ngã ba lạnh

Cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số chính xác 16 bit ADT7320 đo nhiệt độ ngã ba tham chiếu (ngã ba lạnh) với độ chính xác ± 0,25 ° C trong phạm vi nhiệt độ -20 ° C đến + 105 ° C. ADT7320 được hiệu chuẩn hoàn toàn và không yêu cầu hiệu chuẩn người dùng. Nó kết hợp tham chiếu nhiệt độ bandgap, cảm biến nhiệt độ và ADC sigma-delta 16 bit để đo nhiệt độ và chuyển đổi kỹ thuật số với độ phân giải 0,0078 ° C.

Cả AD7793 và ADT7320 đều được điều khiển bởi giao diện SPI bằng cách sử dụng nền tảng trình diễn hệ thống (EVAL-SDP-CB1Z). Ngoài ra, hai thiết bị này cũng có thể được điều khiển bởi vi điều khiển.

Biểu đồ 2. Bảng đánh giá mạch EVAL-CN0172-SDPZ

Hình 2 cho thấy bảng đánh giá mạch EVAL-CN0172-SDPZ với ba đầu nối cặp nhiệt điện loại K. AD7793 ADC và cảm biến nhiệt độ ADT7320 được gắn giữa hai tiếp điểm đồng của một bảng mạch in linh hoạt riêng lẻ (PCB) Ở nhiệt độ tham chiếu.

Hình 3 là một cái nhìn bên của ADT7320 được gắn trên một PCB linh hoạt riêng biệt, được chèn vào giữa hai tiếp điểm đồng của đầu nối cặp nhiệt điện. PCB linh hoạt trong Hình 3 mỏng hơn và linh hoạt hơn PCB FR4 nhỏ hơn. Nó cho phép ADT7320 được gắn khéo léo giữa các tiếp điểm đồng của đầu nối cặp nhiệt điện để giảm thiểu độ dốc nhiệt độ giữa ngã ba tham chiếu và ADT7320.

Biểu đồ 3. Mặt bên của ADT7320 gắn trên PCB linh hoạt

PCB nhỏ, mỏng linh hoạt cũng cho phép ADT7320 nhanh chóng đáp ứng với những thay đổi nhiệt độ trong ngã ba tham chiếu. Hình 4 cho thấy thời gian đáp ứng nhiệt điển hình của ADT7320.

Biểu đồ 4. ADT7320 Thời gian đáp ứng nhiệt điển hình

Giải pháp linh hoạt hơn, cho phép sử dụng các loại cặp nhiệt điện khác, chẳng hạn như loại J hoặc loại T. Trong lưu ý mạch này, việc lựa chọn loại K được tính đến phổ biến hơn. Cặp nhiệt điện thực tế được chọn có đầu trần. Ngã ba đo nằm bên ngoài bức tường thăm dò và tiếp xúc với môi trường mục tiêu.

Ưu điểm của việc sử dụng đầu trần là nó cung cấp độ dẫn nhiệt tốt nhất với thời gian phản hồi nhanh nhất, chi phí thấp và trọng lượng nhẹ. Nhược điểm là nhạy cảm với thiệt hại cơ học và ăn mòn. Do đó, không phù hợp với môi trường khắc nghiệt. Tuy nhiên, khi cần thời gian phản hồi nhanh chóng của dịp này, đầu tiếp xúc là lựa chọn tốt nhất. Nếu một đầu tiếp xúc được sử dụng trong môi trường công nghiệp, chuỗi tín hiệu có thể cần phải được cách ly bằng điện. Bộ cách điện kỹ thuật số có thể được sử dụng cho mục đích này (xem www.analog.com/icoupler).

Không giống như các máy dò nhiệt độ điện trở hoặc máy dò nhiệt độ điện trở (RTD) thông thường, ADT7320 là một giải pháp cắm và chạy hoàn toàn giúp loại bỏ nhu cầu hiệu chuẩn đa điểm sau khi lắp ráp bảng và không có Chương trình hiệu chuẩn hoặc tuyến tính tiêu thụ bộ xử lý hoặc tài nguyên bộ nhớ. Mức tiêu thụ điện năng điển hình của nó chỉ 700μW khi vận hành ở nguồn cung cấp 3.3 V tránh được vấn đề tự làm nóng làm giảm độ chính xác của các giải pháp cảm biến điện trở truyền thống.

Hướng dẫn đo nhiệt độ chính xác

Các hướng dẫn sau đây đảm bảo rằng ADT7320 đo chính xác nhiệt độ ngã ba tham chiếu.

Nguồn điện: Nếu ADT7320 được cung cấp năng lượng từ nguồn điện chế độ chuyển đổi, có thể tạo ra hơn 50 kHz tiếng ồn, ảnh hưởng đến độ chính xác nhiệt độ. Để ngăn chặn lỗi này, sử dụng bộ lọc RC giữa nguồn điện và VDD. Các giá trị thành phần được sử dụng cần được xem xét cẩn thận để đảm bảo rằng các đỉnh tiếng ồn cung cấp nhỏ hơn 1 mV

Tách rời: ADT7320 phải có tụ điện tách rời được đặt càng gần VDD càng tốt để đảm bảo đo nhiệt độ chính xác. Một tụ điện tách rời như loại gốm tần số cao 0,1μF được khuyến khích. Ngoài ra, một tụ điện tách tần số thấp nên được sử dụng song song với tụ gốm tần số cao, chẳng hạn như tụ tantali 10μF đến 50μF.

Dẫn nhiệt tối đa: Bao bì nhựa và miếng đệm tiếp xúc ở mặt sau (GND) là đường dẫn nhiệt chính từ ngã ba tham chiếu đến ADT7320. Vì các tiếp điểm đồng được kết nối với đầu vào ADC, các miếng đệm ở mặt sau không thể được kết nối trong ứng dụng này vì làm như vậy có thể ảnh hưởng đến độ lệch đầu vào ADC.

Hướng dẫn đo điện áp chính xác

Các hướng dẫn sau đây đảm bảo rằng AD7793 đo chính xác điện áp giao lộ được đo bằng cặp nhiệt điện.

Tách rời: AD7793 phải có tụ điện tách rời được đặt càng gần AVDD và DVDD càng tốt để đảm bảo đo điện áp chính xác. AVDD nên được tách ra thành GND bằng cách kết nối tụ gốm 0,1 μF song song với tụ tantali 10 μF. Ngoài ra, tụ gốm 0,1 μF nên được kết nối song song với tụ tantali 10 μF để tách DVDD thành GND. Để thảo luận thêm về các kỹ thuật nối đất, bố cục và tách rời, hãy tham khảo Hướng dẫn MT-031 và Hướng dẫn MT-101

Lọc: Đầu vào vi sai của AD7793 được sử dụng để loại bỏ hầu hết các nhiễu chế độ phổ biến trên các dòng cặp nhiệt điện. Ví dụ, đặt R1, R2 và C3, tạo nên bộ lọc low-pass vi sai, ở đầu trước của AD7793 giúp loại bỏ tiếng ồn chồng lên các chân cặp nhiệt điện. Tụ điện C1 và C2 cung cấp bộ lọc chế độ chung bổ sung. Vì AIN (+) và AIN (-) của ADC đầu vào là đầu vào vi sai tương tự, hầu hết các điện áp trong bộ điều biến tương tự là điện áp chế độ chung. Khả năng loại bỏ chế độ chung tuyệt vời của AD7793 (tối thiểu 100 dB) giúp loại bỏ thêm nhiễu chế độ chung trong các tín hiệu đầu vào này.

Chương trình giải quyết các vấn đề khác

Sau đây tóm tắt cách giải pháp này giải quyết các thách thức liên quan đến cặp nhiệt điện khác được đề cập trước đó.

Khuếch đại điện áp cặp nhiệt điện: điện áp đầu ra cặp nhiệt điện với sự thay đổi nhiệt độ trong phạm vi chỉ vài μV mỗi độ. Cặp nhiệt điện loại K phổ biến được sử dụng trong ví dụ này có biên độ khác nhau là 41 μV / ° C. Tín hiệu yếu này đòi hỏi giai đoạn tăng cao hơn trước khi chuyển đổi ADC. Bộ khuếch đại tăng lập trình nội bộ AD7793 (PGA) cung cấp mức tăng tối đa là 128. Mức tăng trong giải pháp này là 16, cho phép AD7793 chạy chức năng hiệu chuẩn toàn diện bên trong với tham chiếu nội bộ.

Điều chỉnh phi tuyến cặp nhiệt điện: AD7793 cung cấp tuyến tính tuyệt vời trên phạm vi nhiệt độ rộng (-40 ° C đến + 105 ° C) mà không cần hiệu chuẩn hoặc hiệu chuẩn người dùng. Để xác định nhiệt độ cặp nhiệt điện thực tế, bạn phải sử dụng công thức do Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) cung cấp để chuyển đổi phép đo nhiệt độ tham chiếu thành điện áp nhiệt điện tương đương. Điện áp này được thêm vào điện áp cặp nhiệt điện được đo bởi AD7793 và sau đó một lần nữa được chuyển đổi trở lại nhiệt độ cặp nhiệt điện bằng công thức NIST. Một cách tiếp cận khác liên quan đến việc sử dụng các bảng tra cứu. Tuy nhiên, để có được độ chính xác tương tự, kích thước của bảng tra cứu có thể thay đổi đáng kể, yêu cầu bộ điều khiển máy chủ phân bổ tài nguyên lưu trữ bổ sung cho nó. Tất cả quá trình xử lý được thực hiện trong phần mềm thông qua EVAL-SDP-CB1Z. EVAL-SDP-CB1Z được thực hiện trong phần mềm.

Những thay đổi phổ biến

Đối với các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác thấp, AD7792 16-bit Σ-Δ ADC có thể được sử dụng thay vì AD7793 24-bit Σ-Δ ADC. Để đo nhiệt độ tham chiếu, có thể sử dụng cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số ADT7310 với độ chính xác ± 0,5 ° C thay vì ADT7320 chính xác ± 0,25 ° C Cả AD7792 và ADT7310 đều tích hợp giao diện SPI

Địa chỉ: Số 16, Đường số 3, Khu công nghiệp Tam Giang, Shengzhou, Chiết Giang, Trung Quốc

Liên hệ:Eric Xie

Email:sale@benoelectric.com

Đám đông: +861598895936

Skype:ericxie123@outlook.com

Wechat & Whatsapp: +8615988295936

Trang web:www.benoindustry.com