高性能熱電偶溫度測量模塊設(shè)計(jì)

摘要:熱電偶是熱工測量中重要的傳感器,熱電偶溫度測量模塊在很多控制系統(tǒng)中被大量使用。介紹高性能熱電偶測溫的原理,結(jié)合理論分析和EMC設(shè)計(jì)要點(diǎn)，設(shè)計(jì)出測量精度高、抗干擾性能強(qiáng)的海得PLC熱電偶模塊，并列出熱電偶溫度測量模塊的性能指標(biāo)。
0引言
　　溫度測量在冶金、石油、化工、機(jī)械制造、國防以及.國民經(jīng)濟(jì)其他部門都具有十分重要的意義。測量溫度的傳感器很多,熱電偶就是其中較常用的一種,因而對(duì)高性能熱電偶測溫模塊的通道信號(hào)調(diào)理電路的研究有較大意義。
1熱電偶測量原理及優(yōu)缺點(diǎn)
　　熱電偶的溫度測量范圍很寬,在溫度傳感器中占有重要的地位。熱電偶和其他溫度傳感器不同，它直接產(chǎn)生輸出電壓(溫差電勢)信號(hào),在良好的工作電路中可以實(shí)現(xiàn)精度高測量。熱電偶的基本工作原理是基于物體的熱電效應(yīng)即塞貝克效應(yīng)，它是由兩種不同導(dǎo)體組成的閉合回路,當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度不同時(shí),回路將產(chǎn)生電勢,該電勢的方向和大小分別取決于導(dǎo)體的材料和兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度差。用熱電偶測溫具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)可將溫度直接轉(zhuǎn)換成電信號(hào),便于測量。
(2)惰性小、精度高、測量范圍廣,測溫時(shí)，由于熱電偶和被測對(duì)象之間能有良好的熱接觸，因而能.獲得較高的測溫精度。
(3)結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、價(jià)格便宜。
(4)熱電偶的測量端可以制成體積很小的接點(diǎn)，由于它的熱容量小，所以動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快。
(5)可做成多種結(jié)構(gòu),以滿足各種測量對(duì)象的要求,如點(diǎn)溫和面溫的測量。.
(6)適用于遠(yuǎn)距離測量與自動(dòng)控制。
　　同時(shí),熱電偶測溫也存在--些缺點(diǎn),如精度難于超過0.2℃;參考端溫度會(huì)影響測量,必須進(jìn)行補(bǔ)償;在高溫或長期使用時(shí),易受被測介質(zhì)影響或環(huán)境腐蝕作用,在應(yīng)用時(shí)應(yīng)加以重視。
2熱電偶信號(hào)測量模塊設(shè)計(jì)
　　熱電偶信號(hào)是亳伏級(jí)電壓信號(hào),量程在-80mV~+80mV范圍內(nèi)，熱電偶測溫模塊根據(jù)熱電偶分度表,將測:量到的熱電偶亳伏信號(hào)換算為對(duì)應(yīng)的溫度值。熱電偶測溫模塊的性能取決于模塊的軟硬件設(shè)計(jì),關(guān)鍵部分就是熱電偶信號(hào)采集通道的硬件設(shè)計(jì),而信號(hào)采集通道硬件設(shè)計(jì)最關(guān)鍵部分就是熱電偶毫伏信號(hào)到A/D芯片之間的信號(hào)調(diào)理過程。
2.1熱電偶溫度測量模塊主要電路
　　精度高熱電偶測溫模塊的硬件電路主要組成部分包括保護(hù)電路、濾波電路、斷線檢測，A/D轉(zhuǎn)換、冷端補(bǔ)償及FPGA單元控制和通信部分,如圖1所示。
 
2.2基于精度高24Bit芯片ADSI248的測量電路
　　TI公司的ADS1248芯片是高度集成的24位分辨率精密DeltaSigmaADC,集成了低噪聲可編程增益放大器PGA(G=128時(shí)為40nV),帶單周期設(shè)定數(shù)字濾波器以及振蕩器，可對(duì)50/60Hz等工頻噪聲進(jìn)行同步抑制，并集成開路檢測功能,4組差分17組單端輸入，內(nèi)置精度高電壓參考基準(zhǔn)源,2通道匹配的可編程電流源DACs,內(nèi)置通道切換模擬開關(guān)，無需外圍器件,通.過軟件就可進(jìn)行采樣通道間切換。功耗僅為2.56mW,可針對(duì)溫度測量(RTD、熱電偶、熱敏電阻)、流量/壓力測量以及工業(yè)過程控制等應(yīng)用提供一-款低功耗模擬前端解決方案。具體硬件設(shè)計(jì)見圖2和圖3。
 
　　圖2信號(hào)調(diào)理電路圖中D1、D2為TVS(瞬態(tài)電壓抑制二極管),對(duì)靜電、浪涌等干擾進(jìn)行抑制和保護(hù)后續(xù)電路，同時(shí)利用共模線圈L1.R1/R2和C3組成的RFI濾波電路可以消除工業(yè)現(xiàn)場的高頻共模干擾和差模干擾信號(hào),其中C3為X2Y電容。阻容構(gòu)成的RFI濾波器的-3dB共模帶寬為1.59kHz,在有強(qiáng)RF干擾情況下，會(huì)存在RF整流問題,這種干擾會(huì)表現(xiàn)為較小的直流偏置電壓，影響測量值,通過前端的低通濾波器可以很好解決此類干擾;同時(shí)ADS1248芯片內(nèi)部集成了FIR數(shù)字濾波器，在本模塊配置采樣速率為20S/s時(shí)，可對(duì)工頻干擾信號(hào)提供至少60dB的抑制。
由于ADS1248芯片內(nèi)部集成開路檢測(burnoutdetection)功能,通過軟件配置可以在TC回路激勵(lì)2μA電流,可方便實(shí)現(xiàn)熱電偶的斷線檢測功能。
　　數(shù)字側(cè)FPGA對(duì)ADS1248芯片的控制和SPI數(shù)據(jù)通信通過ADIiCoupler@數(shù)字隔離器ADum1200進(jìn)行電氣隔離，相比傳統(tǒng)的光耦隔離,實(shí)現(xiàn)了高速、低功耗和很好的抗干擾性能。
　　圖3為熱電偶冷端補(bǔ)償電路，其中JP2外接兩線制PT100熱電阻,接到ADS1248模擬輸入端,通過測量對(duì)應(yīng)輸入端的電壓，可實(shí)時(shí)算出冷端處PT100的阻值，根據(jù)PT100分度表,方便計(jì)算出冷端溫度。
2.3熱電偶測溫模塊主要性能指標(biāo).
　　本模塊的設(shè)計(jì)方案最終測試可以實(shí)現(xiàn)表1的性能.指標(biāo)。
 
3結(jié)語
　　本文通過具體描述熱電偶測溫模塊的通道信號(hào)調(diào)理電路的硬件設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù),設(shè)計(jì)出測量精度高、抗干擾性能強(qiáng)的熱電偶溫度測量模塊。目前已成功在各種工業(yè)測溫現(xiàn)場中大量應(yīng)用。