Skirtumas nuo silpnų signalų: didelio{0}}tikslios termoporos stiprintuvo grandinių projektavimo menas

Pramoniniuose matavimuose temperatūra yra esminis parametras, o termoporos, kaip vienas iš dažniausiai naudojamų temperatūros jutiklių, sukuria itin silpnus išvesties signalus, -paprastai tik nuo mikrovoltų (μV) iki milivoltų (mV). Tikslus šių silpnų signalų stiprinimas ir efektyvus triukšmo trukdžių slopinimas tapo iššūkiu daugeliui inžinierių.

Termoporos veikia remiantis Seebeck efektu: kai du skirtingų medžiagų laidininkai sudaro uždarą grandinę, grandinėje susidaro termoelektrinė elektrovaros jėga, kai tarp jų galų yra temperatūrų skirtumas. K tipo termoporos (nikelis-chromas/nikelis-silicis) yra labiausiai paplitęs tipas, kurių jautrumas yra maždaug 41 μV/laipsnis, tai reiškia, kad net 1 laipsnio temperatūros pokytis lemia tik 0,041 mV išėjimo įtampos pokytį.

Pagrindiniai aspektai kuriant didelio{0}}tiksliųjų stiprintuvų grandines

1. Pagrindinis instrumentinio stiprintuvo vaidmuo

Dėl itin silpno termoporos signalo būtinas didelio{0}}stiprumo, mažo-triukšmo stiprintuvas. Prietaisų stiprintuvai, turintys didelę įvesties varžą, aukštą bendrųjų -režimų atmetimo koeficientą (CMRR) ir mažas triukšmo charakteristikas, yra idealus pasirinkimas. Didelio-tikslumo operaciniai stiprintuvai, tokie kaip OP07, dažnai naudojami kaip išankstiniai stiprintuvai. Jie turi labai mažą įėjimo poslinkio įtampą ir srovės temperatūros poslinkį, efektyviai sustiprindami mikrovoltų{8}}lygio signalus, nesukeldami didelių klaidų.

Stiprintuvo grandinėse paprastai naudojama dviejų{0}}pakopų konstrukcija: pirmoji pakopa yra diferencinis stiprintuvas, naudojamas iš pradžių padidinti signalo amplitudę ir slopinti bendrųjų -režimų trukdžius; antroji pakopa dar labiau sustiprina signalą iki diapazono, tinkamo ADC gavimui (pvz., 0-5V). Stiprinimo skaičiavimo formulė yra tokia: V_out=(1 + R_f/R_in)(V_T+ - V_T-). Pasirinkus tinkamą grįžtamojo ryšio rezistorių, galima gauti norimą stiprinimo koeficientą.

2. Išsamios triukšmo trukdžių įveikimo strategijos

Pramoninė aplinka yra pilna elektromagnetinių trukdžių, o ilgi termoporų laidai labiau veikia kaip antenos, priimančios triukšmą. Triukšmo mažinimui reikia{1}}daugiakrypčio požiūrio:

Filtravimo dizainas: RFI filtro pridėjimas prie įėjimo (pvz., 10Ω rezistorius nuosekliai su 100nF kondensatoriumi) gali veiksmingai slopinti radijo dažnio trukdžius. Tolesnėse grandinėse galima naudoti antrojo-eilės Sallen-Key žemo dažnio-filtrą, kurio ribinis dažnis yra maždaug 10 Hz, o tai gali žymiai sumažinti aukšto-dažnio triukšmą.

Ekranavimas ir įžeminimas: pagrindinės elektromagnetinių trukdžių mažinimo priemonės yra ekranuoto vytos{0} poros kabelio naudojimas termoporos signalams perduoti ir tinkamo ekranavimo sluoksnio vieno{1}}taško įžeminimo užtikrinimas. Analoginis įžeminimas turi būti atskirai klojamas variu, kurio plotas ne mažesnis kaip 2 cm², ir atskirtas nuo skaitmeninio įžeminimo; tai gali sumažinti triukšmą 70%.

Izoliavimo technologija: optronų arba magnetinių izoliatorių pridėjimas prie signalo grandinės veiksmingai blokuoja įžeminimo kilpas ir aukštos{0}}tampos pereinamuosius trukdžius, taip apsaugodama matavimo sistemą. Magnetiniai izoliatoriai, tokie kaip ADuM1201, turi 100 kV/μs įprastą-modelį, tinkantį atšiaurioms pramonės aplinkoms.

3. Šaltosios sankryžos kompensavimas yra būtinas

Termoporos matuoja temperatūros skirtumą tarp karšto ir šalto sandūrų, o ne absoliučią temperatūrą. Šaltos sankryžos temperatūros svyravimai tiesiogiai sukelia matavimo klaidas. Todėl šalčio sankryžos kompensavimas yra itin svarbus.

Įprasti metodai apima:

Naudojant termistorius arba diodinius temperatūros jutiklius, kad būtų galima tiksliai išmatuoti šaltos sankryžos temperatūrą.

Naudojant nesubalansuoto tiltelio metodą, siekiant automatiškai kompensuoti šaltos sandūros temperatūros pokyčių poveikį, remiantis vario atsparumo charakteristikomis, kintančiomis temperatūrai.

Konkrečių programų{0}}integrinių grandynų (ASIC), pvz., AD594 arba MAX6675, naudojimas šaltos sankryžos kompensavimui ir signalo tiesinimui supaprastina dizainą.

4. ADC konvertavimas ir signalų apdorojimas

Sustiprintą analoginį signalą reikia konvertuoti į skaitmeninį signalą. Labai-svarbu pasirinkti didelio tikslumo ADC; 24-bitų Σ-Δ ADC (pvz., AD7176) gali pasiekti 1 ppm (dalies per milijoną) skiriamąją gebą, o jo integruotas skaitmeninis filtras efektyviai pašalina 50/60 Hz galios dažnio trikdžius.

Programinės įrangos algoritmai yra vienodai svarbūs: skaitmeninis filtravimas (pvz., slenkamasis vidurkis arba Kalmano filtravimas), netiesinė korekcija (naudojant NIST pateiktas polinomines lygtis arba paieškos lenteles) ir periodiniai savaiminio{0}}kalibravimo algoritmai gali dar labiau pagerinti matavimo tikslumą ir ilgalaikį stabilumą.

Praktiniai svarstymai

Kuriant didelio tikslumo{0}}termoporos stiprintuvo grandines, taip pat reikėtų atsižvelgti į šiuos dalykus:

Komponentų pasirinkimas: naudokite 1% tikslumo metalo plėvelės rezistorius, kad sumažintumėte temperatūros pokytį; pasirinkite mažo-triukšmo operacinius stiprintuvus (pvz., OPA211), kad sumažintumėte būdingą triukšmą.

Maitinimo šaltinio atjungimas: pridėkite 0,1 μF atjungiamąjį kondensatorių prie kiekvieno op-stiprintuvo maitinimo kaiščio, kad sumažintumėte maitinimo šaltinio triukšmą.

Išdėstymas ir maršruto parinkimas: išlaikykite mažiausiai 3 mm atstumą tarp skaitmeninio ir analoginio signalo linijų, kad sumažintumėte skersinį pokalbį. Signalo keliai turi būti kuo trumpesni.

Temperatūros diapazonas: Užtikrinkite, kad visi komponentai veiktų stabiliai visame sistemos temperatūros diapazone.