高性能熱電偶溫度測量模塊設計

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中被大量使用。介紹高性能熱電偶測溫的原理,結合理論分析和EMC設計要點(diǎn)，設計出測量精度高、抗干擾性能強的海得PLC熱電偶模塊，并列出熱電偶溫度測量模塊的性能指標。
0引言
　　溫度測量在冶金、石油、化工、機械制造、國防以及.國民經(jīng)濟其他部門(mén)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,因而對高性能熱電偶測溫模塊的通道信號調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,在良好的工作電路中可以實(shí)現精度高測量。熱電偶的基本工作原理是基于物體的熱電效應即塞貝克效應，它是由兩種不同導體組成的閉合回路,當兩個(gè)節點(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體的材料和兩個(gè)節點(diǎn)的溫度差。用熱電偶測溫具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)可將溫度直接轉換成電信號,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)結構簡(jiǎn)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)響應速度快。
(5)可做成多種結構,以滿(mǎn)足各種測量對象的要求,如點(diǎn)溫和面溫的測量。.
(6)適用于遠距離測量與自動(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(guò)0.2℃;參考端溫度會(huì )影響測量,必須進(jìn)行補償;在高溫或長(cháng)期使用時(shí),易受被測介質(zhì)影響或環(huán)境腐蝕作用,在應用時(shí)應加以重視。
2熱電偶信號測量模塊設計
　　熱電偶信號是亳伏級電壓信號,量程在-80mV~+80mV范圍內，熱電偶測溫模塊根據熱電偶分度表,將測:量到的熱電偶亳伏信號換算為對應的溫度值。熱電偶測溫模塊的性能取決于模塊的軟硬件設計,關(guān)鍵部分就是熱電偶信號采集通道的硬件設計,而信號采集通道硬件設計最關(guān)鍵部分就是熱電偶毫伏信號到A/D芯片之間的信號調理過(guò)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電路、濾波電路、斷線(xiàn)檢測，A/D轉換、冷端補償及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),帶單周期設定數字濾波器以及振蕩器，可對50/60Hz等工頻噪聲進(jìn)行同步抑制，并集成開(kāi)路檢測功能,4組差分17組單端輸入，內置精度高電壓參考基準源,2通道匹配的可編程電流源DACs,內置通道切換模擬開(kāi)關(guān)，無(wú)需外圍器件,通.過(guò)軟件就可進(jìn)行采樣通道間切換。功耗僅為2.56mW,可針對溫度測量(RTD、熱電偶、熱敏電阻)、流量/壓力測量以及工業(yè)過(guò)程控制等應用提供一-款低功耗模擬前端解決方案。具體硬件設計見(jiàn)圖2和圖3。
 
　　圖2信號調理電路圖中D1、D2為T(mén)VS(瞬態(tài)電壓抑制二極管),對靜電、浪涌等干擾進(jìn)行抑制和保護后續電路，同時(shí)利用共模線(xiàn)圈L1.R1/R2和C3組成的RFI濾波電路可以消除工業(yè)現場(chǎng)的高頻共模干擾和差模干擾信號,其中C3為X2Y電容。阻容構成的RFI濾波器的-3dB共模帶寬為1.59kHz,在有強RF干擾情況下，會(huì )存在RF整流問(wèn)題,這種干擾會(huì )表現為較小的直流偏置電壓，影響測量值,通過(guò)前端的低通濾波器可以很好解決此類(lèi)干擾;同時(shí)ADS1248芯片內部集成了FIR數字濾波器，在本模塊配置采樣速率為20S/s時(shí)，可對工頻干擾信號提供至少60dB的抑制。
由于A(yíng)DS1248芯片內部集成開(kāi)路檢測(burnoutdetection)功能,通過(guò)軟件配置可以在TC回路激勵2μA電流,可方便實(shí)現熱電偶的斷線(xiàn)檢測功能。
　　數字側FPGA對ADS1248芯片的控制和SPI數據通信通過(guò)ADIiCoupler@數字隔離器ADum1200進(jìn)行電氣隔離，相比傳統的光耦隔離,實(shí)現了高速、低功耗和很好的抗干擾性能。
　　圖3為熱電偶冷端補償電路，其中JP2外接兩線(xiàn)制PT100熱電阻,接到ADS1248模擬輸入端,通過(guò)測量對應輸入端的電壓，可實(shí)時(shí)算出冷端處PT100的阻值，根據PT100分度表,方便計算出冷端溫度。
2.3熱電偶測溫模塊主要性能指標.
　　本模塊的設計方案最終測試可以實(shí)現表1的性能.指標。
 
3結語(yǔ)
　　本文通過(guò)具體描述熱電偶測溫模塊的通道信號調理電路的硬件設計關(guān)鍵技術(shù),設計出測量精度高、抗干擾性能強的熱電偶溫度測量模塊。目前已成功在各種工業(yè)測溫現場(chǎng)中大量應用。