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    巧妙的技術改善了熱電偶測量
    時間: 2020-04-26 08:01 瀏覽次數:
    上海自動化儀表三廠熱電偶價格低廉,但達到合理的精度 - 比如±0.5°C - 需要仔細的信號調理和冷端補償。雖然熱電偶不需要任何外部激勵,并且它們的小尺寸和低輸出阻抗產


          上海自動化儀表三廠熱電偶價格低廉,但達到合理的精度 - 比如±0.5°C - 需要仔細的信號調理和冷端補償。雖然熱電偶不需要任何外部激勵,并且它們的小尺寸和低輸出阻抗產生寬帶,低噪聲輸出信號,但它們的非線性毫伏級輸出會降低測量靈敏度。
          TC通過在結點上產生與溫度成比例的小電壓來感測環境溫度。要測量該電壓,必須將TC線連接到放大器或電壓表,產生兩個不需要的寄生結,產生與所需信號串聯的誤差電壓(圖1)。這些寄生結必須具有相同的溫度。要將TC電壓解釋為絕對溫度信號,必須將這些寄生結保持在已知溫度或以電子方式補償其影響。實際上,TC測量其“熱”結處的溫度,相對于兩個寄生結處的溫度 - 歷史上稱為“冷結”。冷端產生寄生電壓。


    圖1 - 對于精確的熱電偶測量,熱電偶的冷端和補償電路的溫度傳感器必須是等溫的。
    冷結產生寄生電壓
          術語“冷結”源于將寄生結保持在0°C并將其浸入冰水混合物中的做法。盡管非常準確,但這種方法對于大多數應用來說是不切實際的。作為另一種選擇,您可以通過伺服控制Peltier冷卻器來模擬冰浴,但這種方法對于大多數應用而言過于復雜和笨重。
          更好的技術(圖2a)采用電子補償電路,它跟蹤冷端溫度,而不是將結保持在恒定溫度。該電路提供與冰浴相同的結果,但實施起來更簡單。它在0°C時產生0V,并且在預期的冷端溫度范圍內,其輸出電壓與溫度的斜率與熱電偶的斜率相同。為了正常運行,補償器的溫度傳感器必須與冷端保持等溫。


          圖2-這些電路中的每一個都將熱電偶的輸出與IC 1的電子冷端補償相結合。電路a減去這些電壓,電路b以串聯相反的方式排列電壓并放大差值。
          冷端補償器IC測量冷端的環境溫度,并產生可與E-,J-,K-,R-,S-和T-型熱電偶一起使用的輸出電壓。IC 1中的低電源電流使自加熱最小化,否則會降低冷結的等溫操作; 低功耗還支持電池操作。該芯片的±5%精度與基于熱電偶的系統可實現的整體精度兼容。
          零下溫度擺動V OUT負極圖2a中的運算放大器放大了熱電偶電壓與IC 1冷端補償電壓之間的差值。C 1和C 2提供濾波,電位器R 5調整信號增益。R 6具有典型值; 另一個值可以更好地適應所需的修剪范圍。例如,降低R 6和增加R 6將提供更高的增益和更低的調整分辨率。圖2b 圖中顯示了一個類似的電路,用于K型熱電偶,它以串聯相對的方式組合TC和補償電壓?蛇x的下拉電阻(R 4)允許V OUT擺動為負,從而表示低于0°C的溫度。
          IC 2中的低偏置電流對于避免由運算放大器的輸入濾波器(R 7,C 2)和IC 1的輸出阻抗引起的失調誤差非常重要。型-J,-K,-E,以及T型熱電偶,其具有40至60μV/℃塞貝克系數,需要高檔精密雙極放大器,如 圖2b中的LTC1052。(該器件提供30-μV偏移電壓,1.5μV/°C漂移和1-nA輸入偏置電流。)
    特別關鍵的應用需要斬波穩定放大器,如圖2b的LTC1052(5-μV偏移,0.05-μV/°C漂移,30-pA輸入偏置電流和30×10 6 開環增益)。該放大器適用于R型和-S型熱電偶(其塞貝克系數范圍為6至15μV/°C),特別是當應用在環境溫度下覆蓋大擺動或不允許偏移調整時。
          熱電偶放大器的另一個誤差來源是開環增益不足。例如,用于K型熱電偶的放大器產生100 mV /°C,必須具有2500的閉環增益。在此應用中,一個普通運算放大器規定最小開環增益為50×10 3會產生(2500/50,000)×100 = 5%的增益誤差!雖然通常您會通過微調來校準閉環增益,但開環增益中的溫度漂移仍會降低輸出精度。與E型,4型,-K型和-T型熱電偶一起使用的最小推薦開環增益為250,000。如果放大器的輸出產生10 mV /°C或更低,該值也適用于R型和-S型熱電偶。
    Eschew kovar封裝引線
          無論您選擇何種類型的運算放大器,雙列直插式封裝都優于TO-5金屬封裝,特別是如果運算放大器的電源電流超過500 pA。TO-5的kovar引線引入了熱電偶效應,可以在外部空氣運動或封裝中的熱梯度存在的情況下產生交流和直流偏移。
          您還應該了解與熱電偶放大器本身相關但在外部的注意事項。這些包括過壓保護,共模電壓和噪聲。保護是必要的,因為熱電偶線經常拾取靜電電壓或接觸可能損壞放大器電路的高電壓。例如,圖3a中的R LIMIT電阻會衰減故障電壓。并且,通過添加電容(如虛線所示),您也可以獲得信號濾波。圖3b電路顯示差分輸入的平衡保護。同樣,連接可選電容器除了提供過壓保護外,還提供低通信號濾波。二極管可有效地將信號路徑鉗位到電源電壓,但您必須評估二極管泄漏電流的影響,尤其是在限制電阻值較高的情況下。類似地,通過高值限制電阻流入放大器電路的偏置電流會產生測量誤差。在某些情況下,您必須降低精度,以滿足系統對電壓保護和噪聲抑制的要求。


          圖3 - 您在此處看到的電阻可保護電路免受熱電偶線路上的過電壓影響?蛇x電容器為接地或電池供電系統(a)或系統(b)提供信號濾波,可接受開路接地或開路熱電偶線路。
          圖4的放大器電路將濾波與熱電偶電壓的全差分感測相結合。如果所有信號都保持在開關電容構建模塊(IC 1)的電源電壓范圍內,則該電路提供120 dB的共模抑制。(如果信號超過該范圍,則電路可能需要如圖3所討論的保護網絡。)IC 1內的開關動作將電荷從外部“快速電容器”C 1傳輸到外部輸出電容器C 2。您可以通過控制芯片的換向頻率來改變傳輸速率,從而改變整體帶寬。電阻器R 1為IC 1的浮動輸入提供偏置電流路徑,下拉電阻(如虛線所示)啟用零下溫度讀數。

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