您好,凯时k66登录仪表官方网站欢迎您!

官方微信|加入收藏|联系凯时k66登录

全国咨询服务热线:

0517-8699832618952302362

新闻资讯

联系凯时k66登录

重点介绍热电偶调节电路设计注意事项以及传感器的设计挑战

来源:www.designsbykn.com作者:发表时间:2016-11-19 11:36:27

热电偶调节电路设计注意事项

         温度是迄今为止最常测量的物理条件,涵盖了通用应用,如HVAC系统,冰箱和烤箱,到更复杂的系统,如石油化工厂和工厂自动化。除了温度感测应用的不同阵列,还有各种类型的传感器,从简单的双金属温度开关到复杂的高精度数字解决方案。本文将重点介绍最常见的温度传感元件之一,热电偶,并探讨与这种类型的传感器相关的设计挑战。

         通过连接两种不同的金属产生热电偶。这两种金属具有不同的原子结构,导致电子从一种金属移动到另一种金属。这些电子的移动取决于金属的类型以及温度。这些电子的移动导致形成小的电压,对于给定的金属组合,这可以与温度相关。热电偶的简单性使其成为恶劣环境(如工业和石油化工应用)的理想传感器。有许多热电偶类型,由具有变化特性的金属的各种组合组成。

         热电偶在温度传感领域相当丰富,但是什么使得它们如此受欢迎?之前注意到,存在许多不同的热电偶类型,其中一些跨越非常宽的温度范围,从远低于0摄氏度到其他可以达到1800摄氏度。由于热电偶只是两根线焊接在一起,即使在恶劣的条件下也是非常可靠的,并且具有远程放置的优点,因此将更敏感的电子设备与恶劣的环境隔离。与诸如电阻温度检测器(RTD)的一些其它温度传感元件不同,热电偶不需要电压或电流激励。此外,热电偶提供了非常快的热响应。

         MicroChip-1不幸的是,除了热电偶提供的所有优点之外,还有一些缺点。长的热电偶线可以用作天线,拾取各种电噪声。理想情况下,这种噪声将耦合到两条导线上,因此是共同的,但是这种高水平的共模噪声会影响信号调理电路,这将在后面进行探讨。热电偶上产生的实际电压也很低,在宽温度范围内的几十毫伏。在存在潜在大的共模噪声的情况下尝试测量这个非常低的电压需要高性能的信号调节前端。热电偶不仅产生相对低的电压输出,而且在温度上也不是线性的。最后,热电偶电压将给用户一个相对温度,因此这个读数将需要用另一个温度参考补偿以获得实际的绝对温度。

         当围绕热电偶开发电路时,设计者基本上有两个高级选项:更离散的解决方案,实现单独的放大器,模数转换器(ADC),温度传感器,微控制器和相关的无源器件,或更多高度集成,单片解决方案。这两个选项将被更详细地探讨。

         对于分立实现,本文将集中在四个主要领域:仪器,混合信号,热和固件。让凯时k66登录先来看看仪器,或前端设计要求。如前所述,热电偶产生相对较小的电压变化。例如,K型热电偶可以测量从-270摄氏度到接近1400摄氏度的温度。然而,在整个范围内的电压变化仅为60mV。为了精确地测量该电压电平,输入电路将需要最小化偏移和增益误差,能够处理潜在的噪声共模并提供合理的高输入阻抗(相对于热电偶本身),以消除电流在导线中流动,这可能不利地影响测量。

         设计考虑的下一阶段是混合信号部分,或更具体地是模数转换。无论所实现的ADC是独立器件还是集成到微控制器中,都必须考虑与该ADC相关的误差,特别是增益误差和与其相关的非线性,因为这可以大大增加总误差预算。考虑到热电偶类型和使用的ADC,可以合理选择参考电压与前端增益设置的组合,这将简化转换。例如,如果使用具有4096个码的12位ADC并使用4.096V基准,则每个码表示1mV,因此给定已知的热电偶输出,可以对其进行缩放,使得每个码表示0.5度。

         当非有意的热电偶通常被称为热电偶时,它也是非常重要的。这些发生在两种不同的金属例如在焊接点处或者当通孔连接到接地平面时聚集在一起。这是整个热电偶调节电路的关注,而不仅仅是与混合信号部分有关。
我刚才提到,热电偶提供相对测量,而不是绝对的。因此,温度参考是必要的并且通常被称为“冷结”参考,因为历史上参考保持在冰浴中以确保温度在0摄氏度保持恒定。测量这个冷接点可以通过多种方式完成 - 使用热敏电阻或集成温度传感器集成电路是流行的选择。重要的是要记住,与这个参考温度相关的任何误差将直接增加整个系统的温度误差,所以选择一个温度传感解决方案,提供给定应用所需的精度是至关重要的。理想地,该参考温度将直接在热电偶的终端处测量,因为热电偶端子和热参考之间的任何Δ将导致偏移误差,其然后需要被考虑并且可能被校准。

         终的离散设计考虑是固件开发。一旦热电偶电压被正确测量和数字化,设计人员现在必须将该值转换为实际温度。每种热电偶类型由所使用的两种类型的金属定义,并且必须符合国家标准与技术研究院(NIST)设定的特性。这确保了“K型”热电偶的行为相同,而与热电偶制造商无关。 NIST提供查找表以及描述每种类型热电偶的传递函数的多项式方程。这些方程是复杂的,并且可以包括多达14阶多项式。因此,在开发方面,在选择微控制器或数字信号处理器(DSP)来处理这种级别的数学时,必须考虑到这一点。最后,固件还需要考虑冷端补偿,以提供绝对温度。

本文刚刚回顾了实现离散热电偶解决方案时的一些设计挑战和考虑,其中有很多。开发离散解决方案的另一种选择是选择更高度集成的解决方案。这种集成度可以降低一些已确定的挑战,同时降低风险,提高上市时间,降低与制造和库存相关的成本。

         有几个集成电路制造商提供面向热电偶应用的调节设备。这些解决方案中的大多数包括前端缓冲器/仪器解决方案以及模数转换器。大多数解决方案还包括用于冷端补偿的集成温度传感器,但是对用户留下任何后处理的结果电压。
MicroChip-graphic Microchip Technology已经为热电偶发布了一种非常高度集成的“即插即用”解决方案,包含前端电路,校准ADC,冷端补偿和集成MCU。 MCP9600的目标是解决前面提到的所有设计问题,包括前端接口,ADC和相关电压参考,冷端补偿以及提供数学引擎支持八种不同热电偶类型的MCU。这个完整的解决方案允许用户简单地在一端连接热电偶,并通过标准I2C接口检索摄氏度数据。内部ADC和冷端补偿温度传感器都经过工厂校准,允许用户在整个热电偶温度范围内达到1.5度的精度。通过集成MCU,还有一些其他不错的功能,如可编程温度报警,数字滤波选项和各种低功耗模式。

         热电偶是最古老和最广泛使用的电子温度传感装置。热电偶用于各种应用,包括医疗程序,科学研究,自动化制造过程和各种消费产品,其中温度是测量或控制系统中的重要参数。这种感测元件具有许多优点,例如宽温度范围,简单的设计和快速的热响应,但是相关的调节电路可能是复杂的。离散解决方案可以是成本有效的,但需要仔细考虑影响解决方案的总体精度的众多误差源。为了缓解这些设计挑战,集成电路制造商正在继续提供更高度集成的解决方案,例如MCP9600,使最终用户能够降低风险,加快上市速度并降低成本。

相关推荐:铠装热电偶

推荐产品