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热电偶信号调节的挑战和解决方案

来源:发表时间:2018-12-14


       金莎娱乐官方网站热电偶是最古老和最广泛使用的温度测量组件之一。金莎娱乐官方网站热电偶通常存在于需要在恶劣环境中进行温度测量的应用中,例如锅炉,烤箱,汽车和石化应用等。热电偶能够测量-200°C至+ 2500°C范围内的温度,并且能够快速响应温度变化而不是其他传感器。抗冲击和振动免疫是热电偶如此广泛部署的另一个原因。

       什么是热电偶?热电偶由两根由不同金属制成的导线组成,一端连接在一起。连接端通常称为“热”连接,而开放端称为“冷”连接。两根导线之间的差分电压用于计算热结处的温度,如

       所有热电偶都可测量微伏级信号变化。最常见的热电偶类型是J,K和T,它们的室温电压分别在52μV/°C,41μV/°C和41μV/°C时变化。由于它们的电压信号非常小,因此很难从系统噪声中提取。此外,热电偶输出在整个温度范围内不是线性的,需要使用高阶方程来精确计算温度。此外,热电偶测量仅与其冷端温度测量一样准确,为已经很复杂的系统增加了更多的复杂性。通常,热电偶信号调节是热电偶解决方案中最大的投资。

测量选项

       冷结处产生的差分电压取决于热结和冷结之间的温差。因此,为了获得准确的总体温度读数,必须知道冷端的温度。这被称为冷端补偿(CJC)。热电偶解决方案的总体温度精度受其CJC的温度精度限制。

       如今,有许多用于测量冷端温度的解决方案,例如RTD,热敏电阻和硅基IC温度传感器。热敏电阻具有快速响应和小封装,但它们需要线性化,并且在宽温度范围内具有有限的精度。它们还需要用于激励的电流,这会产生自加热并增加功耗,因此限制了它们在许多便携式或电池供电应用中的使用。电阻温度检测器(RTD)是精确,稳定和合理的线性器件。但是,封装尺寸和成本限制了它们在许多应用中的使用。硅IC温度传感器的温度精度优于0.5°C。硅IC是简单的器件,需要最少的外部电路或热设计常识才能实现。这个简单,

       通常,分立式热电偶解决方案使用仪表放大器(INA)来提取热电偶电压,INA抑制器件的每个输入共用的电压。由于每个热电偶引线都会产生大部分噪声,因此INA可有效滤除噪声。

       今天有各种各样的仪表放大器。传统的INA拓扑结构利用两个运算放大器,用于增益级,然后输入到配置为差分放大器的第三个运算放大器,

       该电路的增益通过单个电阻R 增益设置。虽然这种拓扑结构可以在DC上实现高于80 dB的共模抑制(CMRR),但随着频率的增加,CMRR会急剧下降。如果该设备的目标之一是拒绝高频噪声,这可能是一个问题。使用单电阻器方法需要考虑因素。内部电阻器被修整为一个比率,而不是绝对值。不知道内部电阻的绝对值使得难以确定电路的增益。单片电阻器与外部增益电阻器的温度系数将不同,从而导致额外的温度增益误差。

       较新的架构可以汇总电流而不是电压,从而改善较高频率下的共模抑制。请注意,增益是使用两个外部电阻设置的,消除了前面提到的单电阻方法的顾虑。热电偶信号调节比其他温度测量系统更复杂。现代INA架构和基于硅的IC温度传感器的发展解决了与热电偶相关的许多历史设计挑战。此外,一些硅IC制造商已经为CJC集成了许多模拟,混合信号和温度传感器件,进一步减少了设计工作,同时提高了整体系统性能。


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