สร้างความแตกต่างจากสัญญาณอ่อน: ศิลปะแห่งการออกแบบวงจรแอมพลิฟายเออร์เทอร์โมคัปเปิลที่มีความแม่นยำสูง-

ในการวัดอุณหภูมิทางอุตสาหกรรม อุณหภูมิเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญ และเทอร์โมคัปเปิลซึ่งเป็นหนึ่งในเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิที่ใช้กันมากที่สุด จะสร้างสัญญาณเอาท์พุตที่อ่อนมาก-โดยทั่วไปแล้วอยู่ในช่วงไมโครโวลต์ (μV) ถึงมิลลิโวลต์ (mV) เท่านั้น การขยายสัญญาณที่อ่อนแอเหล่านี้อย่างแม่นยำ ขณะเดียวกันก็ลดสัญญาณรบกวนอย่างมีประสิทธิภาพ กลายเป็นเรื่องท้าทายสำหรับวิศวกรหลายคน

เทอร์โมคัปเปิลทำงานตามผลของ Seebeck: เมื่อตัวนำสองตัวที่ทำจากวัสดุต่างกันสร้างวงจรปิด แรงเคลื่อนไฟฟ้าแบบเทอร์โมอิเล็กทริกจะถูกสร้างขึ้นในวงจรเมื่อมีความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างปลายทั้งสอง เทอร์โมคัปเปิลประเภท K (นิกเกิล-โครเมียม/นิกเกิล-ซิลิคอน) เป็นชนิดที่พบบ่อยที่สุด โดยมีความไวประมาณ 41 μV/ องศา ซึ่งหมายความว่าแม้อุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงเพียง 1 องศาก็ส่งผลให้แรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตเปลี่ยนแปลงเพียง 0.041 mV เท่านั้น

ข้อควรพิจารณาที่สำคัญสำหรับการออกแบบวงจรเครื่องขยายสัญญาณที่มีความแม่นยำสูง-

1. บทบาทหลักของแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัด

เนื่องจากสัญญาณเทอร์โมคัปเปิลอ่อนมาก เครื่องขยายสัญญาณรบกวน-เกนสูงและต่ำ-จึงมีความจำเป็น แอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดที่มีอิมพีแดนซ์อินพุตสูง อัตราส่วนการปฏิเสธโหมดร่วม-สูง (CMRR) และคุณลักษณะสัญญาณรบกวนต่ำ เป็นตัวเลือกในอุดมคติ แอมพลิฟายเออร์ในการดำเนินงานที่มีความแม่นยำสูง- เช่น OP07 มักถูกใช้เป็นปรีแอมพลิฟายเออร์ มีแรงดันไฟฟ้าออฟเซ็ตอินพุตต่ำมากและการเบี่ยงเบนของอุณหภูมิปัจจุบัน ทำให้ขยายสัญญาณระดับไมโครโวลต์-ได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยไม่ทำให้เกิดข้อผิดพลาดที่สำคัญ

โดยทั่วไปวงจรเครื่องขยายเสียงจะใช้การออกแบบสอง- ขั้น: ขั้นแรกคือเครื่องขยายสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียลที่ใช้เพื่อเพิ่มความกว้างของสัญญาณในตอนแรกและระงับการรบกวนในโหมด-ทั่วไป ขั้นตอนที่สองจะขยายสัญญาณให้อยู่ในช่วงที่เหมาะสมสำหรับการรับ ADC (เช่น 0-5V) สูตรการคำนวณกำไรคือ: V_out=(1 + R_f/R_in)(V_T+ - V_T-) โดยการเลือกตัวต้านทานป้อนกลับที่เหมาะสม สามารถรับปัจจัยการขยายที่ต้องการได้

2. กลยุทธ์ที่ครอบคลุมเพื่อเอาชนะสัญญาณรบกวน

สภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรมเต็มไปด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และสายยาวของเทอร์โมคัปเปิลมีแนวโน้มที่จะทำหน้าที่เป็นเสาอากาศในการรับเสียงรบกวน การลดเสียงรบกวนต้องใช้หลาย-แนวทาง:

การออกแบบการกรอง: การเพิ่มตัวกรอง RFI ที่อินพุต (เช่น ตัวต้านทาน 10Ω ในซีรีย์ที่มีตัวเก็บประจุ 100nF) สามารถลดการรบกวนความถี่วิทยุได้อย่างมีประสิทธิภาพ วงจรต่อมาสามารถใช้ตัวกรองพาส-คีย์โลว์-คีย์ซาเลน-ลำดับที่สองที่มีความถี่คัตออฟประมาณ 10Hz ซึ่งสามารถลด-สัญญาณรบกวนความถี่สูงได้อย่างมาก

การป้องกันและการต่อสายดิน: การใช้สายเคเบิล-คู่บิดเกลียวที่มีฉนวนหุ้มในการส่งสัญญาณเทอร์โมคัปเปิล และการทำให้แน่ใจว่าการต่อสายดินจุดเดียว-อย่างเหมาะสมของชั้นป้องกันเป็นมาตรการสำคัญในการลดสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า ควรวางกราวด์แบบอะนาล็อกด้วยทองแดงอย่างอิสระโดยครอบคลุมพื้นที่อย่างน้อย 2 ซม. ² และแยกออกจากกราวด์ดิจิทัล สามารถลดเสียงรบกวนได้ 70%

เทคโนโลยีการแยกส่วน: การเพิ่มออปโตคัปเปลอร์หรือตัวแยกแม่เหล็กในห่วงโซ่สัญญาณจะบล็อกลูปกราวด์และการรบกวนชั่วคราวของแรงดันไฟฟ้าสูง-ได้อย่างมีประสิทธิภาพ เพื่อปกป้องระบบการวัด ตัวแยกแม่เหล็ก เช่น ADuM1201 มีภูมิคุ้มกันชั่วคราวของโหมด-ทั่วไปที่ 100 kV/μs เหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรมที่รุนแรง

3. การชดเชยจุดเชื่อมต่อความเย็นเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้

เทอร์โมคัปเปิลจะวัดความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างจุดเชื่อมต่อร้อนและเย็น ไม่ใช่อุณหภูมิสัมบูรณ์ ความผันผวนของอุณหภูมิจุดเชื่อมต่อเย็นทำให้เกิดข้อผิดพลาดในการวัดโดยตรง ดังนั้นการชดเชยจุดเชื่อมต่อความเย็นจึงมีความสำคัญ

วิธีการทั่วไปได้แก่:

การใช้เทอร์มิสเตอร์หรือเซ็นเซอร์อุณหภูมิไดโอดเพื่อวัดอุณหภูมิจุดเชื่อมต่อความเย็นได้อย่างแม่นยำ

การใช้วิธีบริดจ์ที่ไม่สมดุลเพื่อชดเชยผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของจุดเชื่อมต่อเย็นโดยอัตโนมัติตามลักษณะของความต้านทานของทองแดงที่เปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ

การใช้วงจรรวมเฉพาะ (ASIC) ของแอปพลิเคชัน- เช่น AD594 หรือ MAX6675 สำหรับการชดเชยจุดเชื่อมต่อเย็นและการสร้างเส้นตรงของสัญญาณทำให้การออกแบบง่ายขึ้น

4. การแปลง ADC และการประมวลผลสัญญาณ

สัญญาณแอนะล็อกที่ขยายจะต้องถูกแปลงเป็นสัญญาณดิจิทัล การเลือก ADC ที่มีความแม่นยำสูง-ถือเป็นสิ่งสำคัญ ADC 24-บิต Σ-Δ (เช่น AD7176) สามารถให้ความละเอียด 1 ppm (ส่วนต่อล้านส่วน) และตัวกรองดิจิทัลในตัวช่วยลดการรบกวนความถี่พลังงาน 50/60Hz ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

อัลกอริธึมซอฟต์แวร์มีความสำคัญเท่าเทียมกัน: การกรองดิจิทัล (เช่น ค่าเฉลี่ยเคลื่อนที่หรือการกรองคาลมาน), การแก้ไขแบบไม่เชิงเส้น (โดยใช้สมการพหุนามหรือตารางการค้นหาที่ NIST ให้มา) และอัลกอริธึมการสอบเทียบด้วยตนเอง-เป็นระยะสามารถปรับปรุงความแม่นยำในการวัดเพิ่มเติมและ-ความเสถียรในระยะยาวได้

ข้อควรพิจารณาในทางปฏิบัติ

เมื่อออกแบบวงจรแอมพลิฟายเออร์เทอร์โมคัปเปิลที่มีความแม่นยำสูง- ควรคำนึงถึงสิ่งต่อไปนี้ด้วย:

การเลือกส่วนประกอบ: ใช้ตัวต้านทานฟิล์มโลหะที่มีความแม่นยำ 1% เพื่อลดการเบี่ยงเบนของอุณหภูมิ เลือกเครื่องขยายสัญญาณการดำเนินงานที่มีเสียงรบกวนต่ำ (เช่น OPA211) เพื่อลดเสียงรบกวนโดยธรรมชาติ

การแยกตัวจ่ายไฟ: เพิ่มตัวเก็บประจุแยกตัว 0.1μF ใกล้กับขาจ่ายไฟของแอมป์-แต่ละตัวเพื่อลดสัญญาณรบกวนของตัวจ่ายไฟ

เค้าโครงและการกำหนดเส้นทาง: รักษาระยะห่างขั้นต่ำ 3 มม. ระหว่างสายสัญญาณดิจิตอลและอนาล็อกเพื่อลดสัญญาณรบกวน เส้นทางสัญญาณควรสั้นที่สุด

ช่วงอุณหภูมิ: ตรวจสอบให้แน่ใจว่าส่วนประกอบทั้งหมดทำงานอย่างเสถียรตลอดช่วงอุณหภูมิทั้งหมดของระบบ