AN-1952. Проектирование с использованием термопар

В 1821 году Томас Зеебек (Thomas Seebeck) открыл физическое явление, при котором, если соединить два разнородных металлических проводника по обоим концам и нагреть один стык, в термоэлектрической цепи создаётся постоянный ток. Если противоположный стык разомкнут, можно измерить напряжение, которое пропорционально разности температур между нагретым стыком (измеряемый, или «горячий спай») и разомкнутым концом (опорный, или «холодный спай»), по которому производится измерение. Данное физическое свойство, названное эффектом Зеебека, является основой термопарных датчиков.

Термопары имеют несколько преимуществ, делающих их популярными во многих применениях, таких как промышленность, медицина и бытовая техника. Термопары, по сравнению с другими популярными датчиками температуры, такими как удалённые диоды, терморезисторы и датчики на основе интегральных схем, являются наиболее выносливыми, наименее дорогостоящими и могут работать в самом широком диапазоне температур. Кроме того, они являются пассивными датчиками, не требующими электрического возбуждения для работы, тем самым снижая сложность системы. Наряду со многими преимуществами важно полностью понимать их электрические характеристики при проектировании.

Термопарные датчики разделяют согласно различным методам калибровки (тип K, тип J и т. д.), основанным на типах разнородных металлов, используемых для создания спая термопары. В зависимости от метода калибровки термопара будет иметь чувствительность (мкВ/°0, диапазон температур и кривую нелинейного напряжения в этом диапазоне температур. Например, тип K термопары имеет среднюю чувствительность приблизительно 41 мкВ/°С и рабочий диапазон от -200 до 1250 °C. Кривые напряжения термопары являются нелинейными в их рабочих диапазонах температур, как видно на рисунке 1.

 Выходное напряжение термопары по отношению к температуре

Рисунок 1. Выходное напряжение термопары по отношению к температуре

При проектировании с использованием термопар важно понимать, что они являются биполярными; это означает, что они могут генерировать положительное или отрицательное напряжение в зависимости от того, выше или ниже измеряемая температура, чем температура системы.

Как упоминалось ранее, напряжение, создаваемое термопарой, является относительным к разности температур между измерительным спаем, который находится в среде измерения, и опорным (холодным) спаем, который обычно находится в среде измерительной системы. Это означает, что термопара способна только распознать разность температур между двумя точками, но не имеет возможности измерить абсолютную температуру. Для того чтобы определить абсолютную температуру измерительной среды, необходимо определить температуру холодного спая и учесть её при расчёте абсолютной температуры. Данный метод называется «компенсация холодного спая» и выполняется при помощи температурного датчика, такого как LM94022 от корпорации Texas Instruments, в измерительной системе в непосредственной близости к холодному спаю. Этот температурный датчик должен иметь изотермическое соединение с коммутационной панелью для снижения любых потенциальных перепадов температур.

Если конструкция использует температурный датчик на печатной плате, почему бы просто не использовать его в том же месте, где и термопара? Это возвращает нас к преимуществам датчика на основе термопары. Кремниевый датчик температуры нельзя расположить в печной камере при температуре 1000 °C. В связи с их характерной хрупкостью элементы термисторов не очень хорошо подходят для жёстких промышленных сред. Суть в том, что термопары имеют сочетание прочности, диапазона рабочих температур и стоимости, что не может быть превзойдено другими датчиками температуры.

В зависимости от диапазона температур и требований к точности в приложении, часто необходимо усилить сигнал термопары перед обработкой системой посредством аналого-цифрового преобразователя (АЦП) или микроконтроллера. Распространённой конфигурацией усилителя термопары является дифференциальный усилитель термопары (рисунок 2). Одним из очевидных преимуществ дифференциального усилителя является минимизация эффекта наводки синфазных помех, которые могут быть весьма значительными по длине проводов термопары в среде с помехами.

 Дифференциальный усилитель термопары

Рисунок 2. Дифференциальный усилитель термопары

Если задать: RF1 = RF2 = RF и RG1 = RG2 = RG, формула для усиления данного контура упрощается до Av = RF/RG. Фильтрацию получаем, добавив CF1 и CF2. Полагая, что CF1 = CF2 = CF, определяем частоту НЧ-фильтрации с помощью следующей формулы:

Формула

Низкое напряжение смещения на выходе (VOS), помехи низкого напряжения (en), высокий коэффициент ослабления синфазных сигналов и выходной сигнал с равной напряжению питания амплитудой (rail-to-rail) являются важными техническими характеристиками усилителя при данном применении. Типовой выходной сигнал термопары может находиться в пределах микровольт, таким образом, важно, чтобы напряжение смещения на выходе и электрические помехи оставались на низком уровне и являлись несущественными по отношению к измеряемому сигналу. Наличие усилителя с высоким коэффициентом ослабления синфазных сигналов снижает потенциальное влияние синфазных помех, чаще всего встречающихся в окружающей измерительной среде. В дополнение, усилитель с выходным сигналом с равной напряжению питания амплитудой позволяет проектировщикам согласовать входной диапазон измерений АЦП, обеспечивая наилучшую возможность для того, чтобы увеличить доступные коды. Кроме того, выход усилителя rail-to-rail позволяет проектировщикам учесть полный входной диапазон АЦП, обеспечивая наилучшую возможность увеличить полезные коды. Усилитель, обеспечивающий превосходный показатель производительности по всем параметрам, — PowerWise™ LMP7715 (прецизионный усилитель с низким уровнем шума). В качестве прецизионной части LMP7715 имеет максимальное напряжение смещения ±150 мкВ при типовом дрейфе напряжения смещения ±1 мкВ/°С Этот операционный усилитель предлагает низкое напряжение помех 5,8 нВ/rtHz и имеет высокий коэффициент ослабления синфазных сигналов (100 дБ).

Для проектировщика зачастую является трудным измерить температуры, присутствующие в месте или рядом с расположением системы. Это происходит из-за того, что в данной точке измерения термопара производит нулевое напряжение или близкое к нему и усилитель находится в режиме выходного насыщения — как известно, выходной сигнал rail-to-rail в точности не соответствует полному размаху напряжения.

В действительности выходной сигнал большинства усилителей может находиться в пределах десятков милливольт от шины питания. Так каким же образом выполняется данное измерение в общей системе с однополярным питанием? Можно добавить отрицательное напряжение смещения в данную систему при помощи инвертора с генератором подкачки, такого как LM7705 от TI — малошумящего генератора отрицательного напряжения смещения (рисунок 3). Данный чип с окружающими его компонентами будет производить -0,23 В и позволит измерять температуры вплоть до температуры вашей системы.

 LM7705 — генератор отрицательного напряжения смещения

Рисунок 3. LM7705 — генератор отрицательного напряжения смещения

Рассмотрим случай, когда необходимо измерить температуры ниже температуры вашей системы. Как упоминалось ранее, термопара — это биполярный прибор. Когда измеряемая температура ниже температуры системы, термопара производит отрицательное напряжение, пропорциональное разности температур. Для того чтобы оставаться в пределах входного синфазного сигнала и избежать входного насыщения, необходимо добавить схему смещения уровня. Один из путей — буферизировать делитель резистора и подключить данную цепь к резистору RF, подключённому к неинвертирующему входу операционного усилителя (рисунок 4). Буфер имеет двойное назначение: первое — используется факт протекания минимального тока во входной цепи усилителя, что поддерживает стабильное напряжение резистивного делителя, и второе — обеспечивается низкоимпедансное сопряжение со схемой усилителя.

 Контур смещения уровня

Рисунок 4. Контур смещения уровня

Онлайн-инструмент проектировщика датчиков (Sensor Designer online tool от TI) WEBENCH® и поддерживающие оценочные платы используют все методы, рассмотренные в данном отчёте об эксплуатации. Используйте инструмент проектировщика датчиков (Sensor Designer tool) для выбора существующих термопар или для того, чтобы создать собственное исполнение; инструмент предоставит схему, подходящую датчику и соответствующую диапазону измерения температур. Инструмент также предоставляет определение погрешности, перечень материалов, техническую документацию и возможность заказать поддерживающие оценочные платы. Инструмент позволяет с лёгкостью оптимизировать собственный замысел, предоставляя возможность менять датчики, усилители и АЦП, наряду с немедленным предоставлением новых определений погрешностей на основе новых параметров. Проектирование схемы, которая будет удовлетворять требуемым техническим характеристикам, — это просто и быстро. За более подробной информацией и для воплощения собственного замысла посетите сайт WEBENCH Sensor Designer: www.ti.com/ww/en/analog/webench/sensors/index.shtml.

Термопары являются популярными, так как это недорогие и износостойкие приборы, работающие в большом температурном диапазоне. При проектировании с использованием термопар следует помнить о типе прибора, чувствительности и о том, что данные приборы биполярны.

Конфигурация дифференциального усилителя является популярной схемой, позволяющей получить хорошие показатели коэффициента ослабления синфазных сигналов. В зависимости от требуемых нужд, возможно, появится необходимость добавить генератор отрицательного напряжения смещения или схему смещения уровня в контур. В связи с его низким шумом, низким напряжением смещения, высоким коэффициентом ослабления синфазных сигналов и возможностью получить выходной сигнал с равной напряжению питания амплитудой, усилитель PowerWise LMP7715 обеспечивает точный подбор приборов для эксплуатации термопар. Для ускорения процесса проектирования термопары WEBENCH Sensor Designer tool от TI позволяет проектировать от идеи до моделирования, от моделирования до создания опытного образца без Fлишних усилий.

Литература

  1. SNOA544A. Последняя редакция. Мая 2013 г. «AN-1952.