Système de mesure de température de thermocouple à 3 canaux, la précision du circuit de 0,25 ℃
Fonctions et avantages du circuit
Le circuit de la figure 1 fournit une solution de mesure de thermocouple multicanal hautement précise. Des mesures de thermocouple précises nécessitent l'utilisation de composants de précision pour former une chaîne de signaux qui amplifie les faibles tensions de thermocouple, réduit le bruit, corrige les non-linéarités et fournit une compensation de jonction de référence précise (communément appelée compensation de jonction froide). Ce circuit résout tous ces problèmes de mesure de température par thermocouple et a une précision de ± 0,25 ° C.
Le circuit de la figure 1 montre la connexion de trois thermocouples de type K au convertisseur analogique-numérique (ADC) de précision 24 bits sigma-delta AD7793 pour mesurer la tension du thermocouple. Puisqu'un thermocouple est un appareil différentiel plutôt qu'un appareil de mesure de température absolue, vous devez connaître la température de jonction de référence pour obtenir des lectures de température absolue précises. Ce processus est connu sous le nom de compensation de jonction de référence et est communément appelé compensation de jonction froide. Dans ce circuit, le capteur de température numérique de précision 16 bits ADT7320 est utilisé pour la mesure de référence de soudure froide et fournit la précision requise.
Ce type d'application est très populaire pour les mesures de température précises qui doivent être rentables sur une large plage de températures fournie par les thermocouples.
Le circuit de la figure 1 montre la connexion de trois thermocouples de type K au convertisseur analogique-numérique (ADC) de précision 24 bits sigma-delta AD7793 pour mesurer la tension du thermocouple. Puisqu'un thermocouple est un appareil différentiel plutôt qu'un appareil de mesure de température absolue, vous devez connaître la température de jonction de référence pour obtenir des lectures de température absolue précises. Ce processus est connu sous le nom de compensation de jonction de référence et est communément appelé compensation de jonction froide. Dans ce circuit, le capteur de température numérique de précision 16 bits ADT7320 est utilisé pour la mesure de référence de soudure froide et fournit la précision requise.
Ce type d'application est très populaire pour les mesures de température précises qui doivent être rentables sur une large plage de températures fournie par les thermocouples.
Figure 1. Système de mesure de thermocouple multicanal (schéma de principe: non illustré pour toutes les connexions et découplages)
Description du circuit
Le circuit de la figure 1 est conçu pour la mesure simultanée de trois thermocouples de type K à l'aide du ADT7320, un capteur de température SPI 16 bits de précision ± 0,25 ° C.
Mesure de tension de thermocouple
Le connecteur et le filtre du thermocouple sont utilisés comme interface entre le thermocouple et l'ADC AD7793. Chaque connecteur (J1, J2 et J3) est directement connecté à un ensemble d'entrées ADC différentielles. Le filtre sur l'entrée AD7793 réduit le bruit superposé à toute broche de thermocouple avant que le signal n'atteigne les entrées AIN (+) et AIN (-) de l'ADC GG. L'AD7793 intègre un multiplexeur sur puce, un tampon et un amplificateur d'instrumentation pour amplifier les signaux de petite tension des jonctions de thermocouple.
Mesure de jonction froide
Le capteur de température numérique de précision 16 bits ADT7320 mesure la température de la jonction de référence (soudure froide) avec une précision de ± 0,25 ° C sur la plage de température de -20 ° C à + 105 ° C. L'ADT7320 est entièrement étalonné en usine et ne nécessite aucun étalonnage par l'utilisateur. Il intègre une référence de température de bande interdite, un capteur de température et un convertisseur analogique-numérique sigma-delta 16 bits pour la mesure de la température et la conversion numérique avec une résolution de 0,0078 ° C.
L'AD7793 et l'ADT7320 sont contrôlés par l'interface SPI à l'aide de la plate-forme de démonstration du système (EVAL-SDP-CB1Z). De plus, ces deux appareils peuvent également être contrôlés par le microcontrôleur.
Figure 2. Carte d'évaluation de circuit EVAL-CN0172-SDPZ
La figure 2 montre une carte d'évaluation de circuit EVAL-CN0172-SDPZ avec trois connecteurs de thermocouple de type K. L'AD7793 ADC et le capteur de température ADT7320 sont montés entre deux contacts en cuivre d'un circuit imprimé flexible (PCB) individuel à la température de référence.
La figure 3 est une vue latérale de l'ADT7320 monté sur un PCB flexible séparé, inséré entre les deux contacts en cuivre du connecteur de thermocouple. Le PCB flexible de la figure 3 est plus mince et plus flexible que les PCB FR4 plus petits. Il permet à l'ADT7320 d'être intelligemment monté entre les contacts en cuivre du connecteur de thermocouple pour minimiser le gradient de température entre la jonction de référence et l'ADT7320.
Figure 3. Vue latérale de l'ADT7320 monté sur un PCB flexible
Le petit et mince PCB flexible permet également à l'ADT7320 de répondre rapidement aux changements de température dans la jonction de référence. La figure 4 montre le temps de réponse thermique typique de l'ADT7320.
Figure 4. Temps de réponse thermique typique de l'ADT7320
La solution est plus flexible, permettant l'utilisation d'autres types de thermocouples, tels que le type J ou le type T. Dans cette note de circuit, le choix du type K est pris en compte son plus populaire. Le thermocouple sélectionné a une extrémité nue. La jonction de mesure est située à l'extérieur de la paroi de la sonde et est exposée au milieu cible.
L'avantage d'utiliser une pointe nue est qu'elle offre la meilleure conductivité thermique avec le temps de réponse le plus rapide, un faible coût et un poids léger. L'inconvénient est la vulnérabilité aux dommages mécaniques et à la corrosion. Par conséquent, ne convient pas aux environnements difficiles. Cependant, lorsque la nécessité d'un temps de réponse rapide de l'occasion, la pointe exposée est le meilleur choix. Si une pointe exposée est utilisée dans un environnement industriel, la chaîne de signaux peut devoir être isolée électriquement. Des isolateurs numériques peuvent être utilisés à cet effet (voir www.analog.com/icoupler).
Contrairement aux thermistances conventionnelles ou aux détecteurs de température résistifs (RTD), l'ADT7320 est une solution entièrement plug-and-play qui élimine le besoin d'étalonnage multipoint après l'assemblage de la carte et aucun programme d'étalonnage ou de linéarisation qui consomme des ressources processeur ou mémoire. Sa consommation électrique typique de seulement 700 μW lorsqu'elle fonctionne avec des alimentations de 3,3 V évite le problème d'auto-échauffement qui dégrade la précision des solutions de capteurs résistifs traditionnels.
Guide de mesure précise de la température
Les directives suivantes garantissent que l'ADT7320 mesure avec précision la température de jonction de référence.
Alimentation: Si l'ADT7320 est alimenté par une alimentation à découpage, plus de 50 kHz de bruit peut être produit, affectant la précision de la température. Pour éviter ce défaut, utilisez un filtre RC entre l'alimentation et le VDD. Les valeurs des composants utilisées doivent être soigneusement prises en compte pour s'assurer que les pics de bruit d'alimentation sont inférieurs à 1 mV
Découplage: l'ADT7320 doit avoir un condensateur de découplage placé aussi près que possible du VDD pour garantir des mesures de température précises. Un condensateur de découplage tel qu'un type céramique haute fréquence de 0,1 μF est recommandé. De plus, un condensateur de découplage basse fréquence doit être utilisé en parallèle avec un condensateur céramique haute fréquence, tel qu'un condensateur au tantale de 10 μF à 50 μF.
Conduction thermique maximale: L'emballage en plastique et le coussinet exposé à l'arrière (GND) constituent le principal chemin de conduction thermique entre la jonction de référence et l'ADT7320. Étant donné que les contacts en cuivre sont connectés aux entrées ADC, les pastilles à l'arrière ne peuvent pas être connectées dans cette application car cela peut affecter la polarisation d'entrée ADC.
Guide de mesure de tension précis
Les directives suivantes garantissent que l'AD7793 mesure avec précision la tension de jonction mesurée par le thermocouple.
Découplage: L'AD7793 doit avoir un condensateur de découplage placé aussi près que possible de l'AVDD et du DVDD pour garantir des mesures de tension précises. L'AVDD doit être découplé à GND en connectant un condensateur céramique 0,1 μF en parallèle avec un condensateur au tantale 10 μF. De plus, un condensateur céramique de 0,1 μF doit être connecté en parallèle avec un condensateur au tantale de 10 μF pour découpler le DVDD vers GND. Pour plus d'informations sur les techniques de mise à la terre, de mise en page et de découplage, reportez-vous au didacticiel MT-031 et au didacticiel MT-101.
Filtrage: L'entrée différentielle de l'AD7793&est utilisée pour éliminer le bruit de mode le plus courant sur les lignes de thermocouple. Par exemple, placer R1, R2 et C3, qui constituent le filtre passe-bas différentiel, sur l'extrémité avant de l'AD7793 élimine le bruit superposé possible sur les broches du thermocouple. Les condensateurs C1 et C2 fournissent un filtrage en mode commun supplémentaire. Puisque l'AIN (+) et l'AIN (-) de l'entrée ADC sont des entrées différentielles analogiques, la plupart des tensions dans le modulateur analogique sont des tensions de mode commun. L # 39; excellente réjection en mode commun de l # 39; AD7793&(100 dB min) élimine en outre le bruit de mode commun dans ces signaux d # 39; entrée.
Le programme pour résoudre d'autres problèmes
Ce qui suit résume la manière dont cette solution répond aux autres défis liés aux thermocouples mentionnés précédemment.
Amplification de la tension du thermocouple: tension de sortie du thermocouple avec des variations de température de l'ordre de quelques μV par degré seulement. Le thermocouple de type K commun utilisé dans cet exemple a une amplitude variable de 41 µV / ° C. Ce signal faible nécessite un étage de gain plus élevé avant la conversion ADC. L'amplificateur de gain programmable interne (PGA) AD7793 fournit un gain maximum de 128. Le gain dans cette solution est de 16, ce qui permet à l'AD7793 d'exécuter une fonction d'étalonnage à pleine échelle interne avec une référence interne.
Correction de non-linéarité du thermocouple: L'AD7793 offre une excellente linéarité sur une large plage de température (-40 ° C à + 105 ° C) sans étalonnage ou étalonnage par l'utilisateur. Afin de déterminer la température réelle du thermocouple, vous devez utiliser la formule fournie par le National Institute of Standards and Technology (NIST) pour convertir la mesure de température de référence en une tension thermoélectrique équivalente. Cette tension est ajoutée à la tension du thermocouple mesurée par l'AD7793, puis à nouveau convertie à la température du thermocouple en utilisant la formule NIST. Une autre approche implique l'utilisation de tables de consultation. Cependant, pour obtenir la même précision, la taille de la table de recherche peut varier considérablement, ce qui oblige le contrôleur hôte à lui allouer des ressources de stockage supplémentaires. Tout le traitement est effectué dans le logiciel via EVAL-SDP-CB1Z. EVAL-SDP-CB1Z se fait dans le logiciel.
Changements courants
Pour les applications nécessitant une faible précision, l'ADC AD7792 16 bits Σ-Δ peut être utilisé à la place de l'ADC AD7793 24 bits Σ-Δ. Pour les mesures de température de référence, un capteur de température numérique ADT7310 avec une précision de ± 0,5 ° C peut être utilisé au lieu de la précision de ± 0,25 ° C ADT7320 Les AD7792 et ADT7310 intègrent l'interface SPI
Ajouter: n ° 16, route 3, zone industrielle de Sanjiang, Shengzhou, Zhejiang, Chine
Contact: Eric Xie
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