ایجاد تفاوت از سیگنال های ضعیف: هنر طراحی مدارهای تقویت کننده ترموکوپل با دقت بالا-

در اندازه‌گیری صنعتی، دما یک پارامتر حیاتی است و ترموکوپل‌ها به‌عنوان یکی از رایج‌ترین سنسورهای دما، سیگنال‌های خروجی بسیار ضعیف{0}}معمولاً فقط در محدوده میکروولت (μV) تا میلی‌ولت (mV) تولید می‌کنند. تقویت دقیق این سیگنال های ضعیف در حالی که به طور موثر تداخل نویز را سرکوب می کند، برای بسیاری از مهندسان به چالش تبدیل شده است.

ترموکوپل ها بر اساس اثر Seebeck عمل می کنند: هنگامی که دو هادی از مواد مختلف یک مدار بسته را تشکیل می دهند، زمانی که اختلاف دما بین انتهای آنها وجود داشته باشد نیروی الکتروموتور ترموالکتریک در مدار ایجاد می شود. ترموکوپل‌های نوع K (نیکل-کروم/نیکل-سیلیکون) رایج‌ترین نوع هستند، با حساسیت تقریباً 41 میکروولت بر درجه، به این معنی که حتی یک درجه تغییر دما تنها 0.041 میلی‌ولت در ولتاژ خروجی تغییر می‌کند.

ملاحظات کلیدی برای طراحی مدارهای تقویت‌کننده با دقت بالا{{0}

1. نقش اصلی تقویت کننده ابزار دقیق

به دلیل سیگنال ترموکوپل بسیار ضعیف، تقویت کننده-با بهره بالا و صدای کم- ضروری است. تقویت‌کننده‌های ابزار دقیق، با امپدانس ورودی بالا، نسبت رد حالت متداول بالا (CMRR) و ویژگی‌های نویز کم، انتخاب‌های ایده‌آلی هستند. تقویت کننده های عملیاتی با دقت بالا مانند OP07 اغلب به عنوان پیش تقویت کننده استفاده می شوند. آنها دارای ولتاژ آفست ورودی بسیار پایین و تغییر دمای جریان هستند و به طور موثر سیگنال های سطح میکروولت- را بدون ایجاد خطاهای قابل توجه تقویت می کنند.

مدارهای تقویت‌کننده معمولاً از طراحی دو مرحله‌ای استفاده می‌کنند: مرحله اول یک تقویت‌کننده دیفرانسیل است که در ابتدا برای افزایش دامنه سیگنال و سرکوب تداخل حالت معمول استفاده می‌شود. مرحله دوم سیگنال را تا محدوده مناسب برای اکتساب ADC (به عنوان مثال 0{14}}5V) بیشتر تقویت می کند. فرمول محاسبه بهره این است: V_out=(1 + R_f/R_in)(V_T{12}} V_T-). با انتخاب یک مقاومت فیدبک مناسب می توان ضریب تقویت مورد نظر را بدست آورد.

2. استراتژی های جامع برای غلبه بر تداخل نویز

محیط های صنعتی مملو از تداخل الکترومغناطیسی هستند و سیم های بلند ترموکوپل ها بیشتر به عنوان آنتن برای دریافت نویز عمل می کنند. کاهش نویز نیاز به یک رویکرد چند-جانبه دارد:

طراحی فیلتر: افزودن یک فیلتر RFI در ورودی (به عنوان مثال، یک مقاومت 10Ω به صورت سری با یک خازن 100nF) می تواند به طور موثر تداخل فرکانس رادیویی را سرکوب کند. مدارهای بعدی می‌توانند از فیلتر دوم-Sallen-Key low- با فرکانس قطع حدود 10 هرتز استفاده کنند، که می‌تواند به میزان قابل توجهی نویز فرکانس بالا را کاهش دهد.

سپر و اتصال به زمین: استفاده از کابل جفت تابدار محافظ-برای انتقال سیگنال های ترموکوپل و اطمینان از اتصال به زمین یک{1}نقطه ای مناسب لایه محافظ اقدامات کلیدی برای کاهش تداخل الکترومغناطیسی است. زمین آنالوگ باید به طور مستقل با مس گذاشته شود و مساحت حداقل 2 سانتی متر مربع را پوشش دهد و از زمین دیجیتال جدا شود. این می تواند نویز را تا 70٪ کاهش دهد.

فناوری جداسازی: افزودن کوپلرهای نوری یا جداکننده‌های مغناطیسی به زنجیره سیگنال به‌طور مؤثر حلقه‌های زمین و تداخل گذرای ولتاژ بالا- را مسدود می‌کند و از سیستم اندازه‌گیری محافظت می‌کند. جداسازهای مغناطیسی مانند ADuM1201 دارای حالت مصونیت گذرا 100 کیلوولت بر میکرو ثانیه هستند که برای محیط‌های سخت صنعتی مناسب است.

3. جبران اتصال سرد ضروری است

ترموکوپل ها اختلاف دما را بین اتصالات سرد و گرم اندازه گیری می کنند، نه دمای مطلق را. نوسانات در دمای اتصال سرد مستقیماً خطاهای اندازه گیری را ایجاد می کند. بنابراین، جبران اتصال سرد بسیار مهم است.

روش های رایج عبارتند از:

استفاده از ترمیستورها یا سنسورهای دمای دیود برای اندازه گیری دقیق دمای اتصال سرد.

استفاده از روش پل نامتعادل برای جبران خودکار اثرات تغییرات دمای اتصال سرد بر اساس ویژگی‌های مقاومت مس با تغییر دما.

استفاده از مدارهای مجتمع خاص برنامه (ASIC) مانند AD594 یا MAX6675 برای جبران اتصال سرد و خطی‌سازی سیگنال، طراحی را ساده می‌کند.

4. تبدیل ADC و پردازش سیگنال

سیگنال آنالوگ تقویت شده باید به سیگنال دیجیتال تبدیل شود. انتخاب یک ADC با دقت- بسیار مهم است. یک ADC 24-بیتی Σ-Δ ADC (مانند AD7176) می‌تواند به وضوح 1 ppm (قسمت در میلیون) دست یابد، و فیلتر دیجیتال داخلی آن به طور موثر تداخل فرکانس برق 50/60 هرتز را حذف می‌کند.

الگوریتم‌های نرم‌افزار به همان اندازه مهم هستند: فیلتر دیجیتال (مانند میانگین متحرک یا فیلتر کالمن)، تصحیح غیرخطی (با استفاده از معادلات چند جمله‌ای یا جداول جستجوی ارائه شده توسط NIST) و الگوریتم‌های خود کالیبراسیون دوره‌ای می‌توانند دقت اندازه‌گیری و پایداری بلندمدت را بهبود بخشند.

ملاحظات عملی

هنگام طراحی مدارهای تقویت‌کننده ترموکوپل{0}دقت بالا، موارد زیر نیز باید در نظر گرفته شود:

انتخاب جزء: از مقاومت های فیلم فلزی با دقت 1% برای کاهش تغییر دما استفاده کنید. تقویت‌کننده‌های عملیاتی-کم صدا (مانند OPA211) را برای کاهش نویز ذاتی انتخاب کنید.

جداسازی منبع تغذیه: یک خازن جداکننده 0.1μF در نزدیکی هر پایه منبع تغذیه آپ{1}}آمپر اضافه کنید تا نویز منبع تغذیه را کاهش دهید.

چیدمان و مسیریابی: حداقل فاصله 3 میلی متری بین خطوط سیگنال دیجیتال و آنالوگ را برای کاهش تداخل حفظ کنید. مسیرهای سیگنال باید تا حد امکان کوتاه باشند.

محدوده دما: اطمینان حاصل کنید که همه اجزا در کل محدوده دمایی سیستم به طور پایدار کار می کنند.