巧妙的技术改善了热电偶测量
时间: 2020-04-26 08:01 浏览次数:
上海自动化仪表三厂热电偶价格低廉,但达到合理的精度 - 比如±0.5°C - 需要仔细的信号调理和冷端补偿。虽然热电偶不需要任何外部激励,并且它们的小尺寸和低输出阻抗产


      上海自动化仪表三厂热电偶价格低廉,但达到合理的精度 - 比如±0.5°C - 需要仔细的信号调理和冷端补偿。虽然热电偶不需要任何外部激励,并且它们的小尺寸和低输出阻抗产生宽带,低噪声输出信号,但它们的非线性毫伏级输出会降低测量灵敏度。
      TC通过在结点上产生与温度成比例的小电压来感测环境温度。要测量该电压,必须将TC线连接到放大器或电压表,产生两个不需要的寄生结,产生与所需信号串联的误差电压(图1)。这些寄生结必须具有相同的温度。要将TC电压解释为绝对温度信号,必须将这些寄生结保持在已知温度或以电子方式补偿其影响。实际上,TC测量其“热”结处的温度,相对于两个寄生结处的温度 - 历史上称为“冷结”。冷端产生寄生电压。


图1 - 对于精确的热电偶测量,热电偶的冷端和补偿电路的温度传感器必须是等温的。
冷结产生寄生电压
      术语“冷结”源于将寄生结保持在0°C并将其浸入冰水混合物中的做法。尽管非常准确,但这种方法对于大多数应用来说是不切实际的。作为另一种选择,您可以通过伺服控制Peltier冷却器来模拟冰浴,但这种方法对于大多数应用而言过于复杂和笨重。
      更好的技术(图2a)采用电子补偿电路,它跟踪冷端温度,而不是将结保持在恒定温度。该电路提供与冰浴相同的结果,但实施起来更简单。它在0°C时产生0V,并且在预期的冷端温度范围内,其输出电压与温度的斜率与热电偶的斜率相同。为了正常运行,补偿器的温度传感器必须与冷端保持等温。


      图2-这些电路中的每一个都将热电偶的输出与IC 1的电子冷端补偿相结合。电路a减去这些电压,电路b以串联相反的方式排列电压并放大差值。
      冷端补偿器IC测量冷端的环境温度,并产生可与E-,J-,K-,R-,S-和T-型热电偶一起使用的输出电压。IC 1中的低电源电流使自加热最小化,否则会降低冷结的等温操作; 低功耗还支持电池操作。该芯片的±5%精度与基于热电偶的系统可实现的整体精度兼容。
      零下温度摆动V OUT负极图2a中的运算放大器放大了热电偶电压与IC 1冷端补偿电压之间的差值。C 1和C 2提供滤波,电位器R 5调整信号增益。R 6具有典型值; 另一个值可以更好地适应所需的修剪范围。例如,降低R 6和增加R 6将提供更高的增益和更低的调整分辨率。图2b 图中显示了一个类似的电路,用于K型热电偶,它以串联相对的方式组合TC和补偿电压。可选的下拉电阻(R 4)允许V OUT摆动为负,从而表示低于0°C的温度。
      IC 2中的低偏置电流对于避免由运算放大器的输入滤波器(R 7,C 2)和IC 1的输出阻抗引起的失调误差非常重要。型-J,-K,-E,以及T型热电偶,其具有40至60μV/℃塞贝克系数,需要高档精密双极放大器,如 图2b中的LTC1052。(该器件提供30-μV偏移电压,1.5μV/°C漂移和1-nA输入偏置电流。)
特别关键的应用需要斩波稳定放大器,如图2b的LTC1052(5-μV偏移,0.05-μV/°C漂移,30-pA输入偏置电流和30×10 6 开环增益)。该放大器适用于R型和-S型热电偶(其塞贝克系数范围为6至15μV/°C),特别是当应用在环境温度下覆盖大摆动或不允许偏移调整时。
      热电偶放大器的另一个误差来源是开环增益不足。例如,用于K型热电偶的放大器产生100 mV /°C,必须具有2500的闭环增益。在此应用中,一个普通运算放大器规定最小开环增益为50×10 3会产生(2500/50,000)×100 = 5%的增益误差!虽然通常您会通过微调来校准闭环增益,但开环增益中的温度漂移仍会降低输出精度。与E型,4型,-K型和-T型热电偶一起使用的最小推荐开环增益为250,000。如果放大器的输出产生10 mV /°C或更低,该值也适用于R型和-S型热电偶。
Eschew kovar封装引线
      无论您选择何种类型的运算放大器,双列直插式封装都优于TO-5金属封装,特别是如果运算放大器的电源电流超过500 pA。TO-5的kovar引线引入了热电偶效应,可以在外部空气运动或封装中的热梯度存在的情况下产生交流和直流偏移。
      您还应该了解与热电偶放大器本身相关但在外部的注意事项。这些包括过压保护,共模电压和噪声。保护是必要的,因为热电偶线经常拾取静电电压或接触可能损坏放大器电路的高电压。例如,图3a中的R LIMIT电阻会衰减故障电压。并且,通过添加电容(如虚线所示),您也可以获得信号滤波。图3b电路显示差分输入的平衡保护。同样,连接可选电容器除了提供过压保护外,还提供低通信号滤波。二极管可有效地将信号路径钳位到电源电压,但您必须评估二极管泄漏电流的影响,尤其是在限制电阻值较高的情况下。类似地,通过高值限制电阻流入放大器电路的偏置电流会产生测量误差。在某些情况下,您必须降低精度,以满足系统对电压保护和噪声抑制的要求。


      图3 - 您在此处看到的电阻可保护电路免受热电偶线路上的过电压影响。可选电容器为接地或电池供电系统(a)或系统(b)提供信号滤波,可接受开路接地或开路热电偶线路。
      图4的放大器电路将滤波与热电偶电压的全差分感测相结合。如果所有信号都保持在开关电容构建模块(IC 1)的电源电压范围内,则该电路提供120 dB的共模抑制。(如果信号超过该范围,则电路可能需要如图3所讨论的保护网络。)IC 1内的开关动作将电荷从外部“快速电容器”C 1传输到外部输出电容器C 2。您可以通过控制芯片的换向频率来改变传输速率,从而改变整体带宽。电阻器R 1为IC 1的浮动输入提供偏置电流路径,下拉电阻(如虚线所示)启用零下温度读数。

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