3 채널 열전대 온도 측정 시스템, 0.25 ℃ 회로의 정확도
회로 기능 및 장점
그림 1의 회로는 매우 정확한 다중 채널 열전대 측정 솔루션을 제공합니다. 정확한 열전대 측정을 위해서는 정밀 부품을 사용하여 약한 열전대 전압을 증폭하고, 잡음을 줄이며, 비선형 성을 수정하고, 정확한 기준 접점 보상 (일반적으로 냉 접점 보상이라고 함)을 제공하는 신호 체인을 형성해야합니다. 이 회로는 열전대 온도 측정에서 이러한 모든 문제를 해결하며 정확도는 ± 0.25 ° C입니다.
그림 1의 회로는 열전대 전압을 측정하기 위해 3 개의 K 형 열전대를 AD7793 정밀 24 비트 시그마-델타 아날로그-디지털 변환기 (ADC)에 연결하는 것을 보여줍니다. 열전대는 절대 온도 측정 장치가 아닌 차동 장치이므로 정확한 절대 온도 판독 값을 얻으려면 기준 접합 온도를 알아야합니다. 이 프로세스를 기준 접점 보상이라고하며 일반적으로 냉 접점 보상이라고합니다. 이 회로에서 ADT7320 정밀 16 비트 디지털 온도 센서는 냉 접점 기준 측정에 사용되며 필요한 정확도를 제공합니다.
이러한 유형의 애플리케이션은 열전대가 제공하는 넓은 온도 범위에서 비용 효율적이어야하는 정확한 온도 측정에 매우 널리 사용됩니다.
그림 1의 회로는 열전대 전압을 측정하기 위해 3 개의 K 형 열전대를 AD7793 정밀 24 비트 시그마-델타 아날로그-디지털 변환기 (ADC)에 연결하는 것을 보여줍니다. 열전대는 절대 온도 측정 장치가 아닌 차동 장치이므로 정확한 절대 온도 판독 값을 얻으려면 기준 접합 온도를 알아야합니다. 이 프로세스를 기준 접점 보상이라고하며 일반적으로 냉 접점 보상이라고합니다. 이 회로에서 ADT7320 정밀 16 비트 디지털 온도 센서는 냉 접점 기준 측정에 사용되며 필요한 정확도를 제공합니다.
이러한 유형의 애플리케이션은 열전대가 제공하는 넓은 온도 범위에서 비용 효율적이어야하는 정확한 온도 측정에 매우 널리 사용됩니다.
그림 1. 다중 채널 열전대 측정 시스템 (개략도 : 모든 연결 및 분리에 대해 표시되지 않음)
회로 설명
그림 1의 회로는 ± 0.25 ° C 정밀도의 16 비트 SPI 온도 센서 인 ADT7320을 사용하여 3 개의 K 형 열전대를 동시에 측정하도록 설계되었습니다.
열전대 전압 측정
써모 커플 커넥터와 필터는 써모 커플과 AD7793 ADC 사이의 인터페이스로 사용됩니다. 각 커넥터 (J1, J2 및 J3)는 차동 ADC 입력 세트에 직접 연결됩니다. AD7793 입력의 필터는 신호가 ADC' s AIN (+) 및 AIN (-) 입력에 도달하기 전에 열전쌍 핀에 중첩되는 노이즈를 줄입니다. AD7793은 온칩 멀티플렉서, 버퍼 및 계측 증폭기를 통합하여 열전대 접합부에서 나오는 작은 전압 신호를 증폭합니다.
냉 접점 측정
ADT7320 정밀 16 비트 디지털 온도 센서는 -20 ° C ~ + 105 ° C 온도 범위에서 ± 0.25 ° C의 정확도로 기준 접점 온도 (냉 접점)를 측정합니다. ADT7320은 공장에서 완전히 보정되었으며 사용자 보정이 필요하지 않습니다. 0.0078 ° C의 분해능으로 온도 측정 및 디지털 변환을위한 밴드 갭 온도 레퍼런스, 온도 센서 및 16 비트 시그마-델타 ADC를 통합합니다.
AD7793과 ADT7320은 모두 시스템 데모 플랫폼 (EVAL-SDP-CB1Z)을 사용하는 SPI 인터페이스에 의해 제어됩니다. 또한이 두 장치는 마이크로 컨트롤러로 제어 할 수도 있습니다.
그림 2. EVAL-CN0172-SDPZ 회로 평가 보드
그림 2는 3 개의 K 형 열전대 커넥터가있는 EVAL-CN0172-SDPZ 회로 평가 기판을 보여줍니다. AD7793 ADC 및 ADT7320 온도 센서는 기준 온도에서 개별 연성 인쇄 회로 기판 (PCB)의 두 구리 접점 사이에 장착됩니다.
그림 3은 열전대 커넥터의 두 구리 접점 사이에 삽입 된 별도의 유연한 PCB에 장착 된 ADT7320의 측면도입니다. 그림 3의 유연한 PCB는 더 작은 FR4 PCB보다 더 얇고 유연합니다. 이를 통해 ADT7320을 써모 커플 커넥터의 구리 접점 사이에 영리하게 장착하여 기준 접점과 ADT7320 간의 온도 구배를 최소화 할 수 있습니다.
그림 3. 유연한 PCB에 장착 된 ADT7320의 측면보기
작고 얇은 유연한 PCB는 또한 ADT7320이 기준 접합부의 온도 변화에 신속하게 대응할 수 있도록합니다. 그림 4는 ADT7320의 일반적인 열 응답 시간을 보여줍니다.
그림 4. ADT7320 일반적인 열 응답 시간
이 솔루션은 더 유연하여 J 형 또는 T 형과 같은 다른 유형의 열전대를 사용할 수 있습니다. 이 회로 노트에서는 K 유형의 선택이 더 많이 사용되는 것으로 간주됩니다. 선택한 실제 열전대에는 맨 끝이 있습니다. 측정 접합은 프로브 벽 외부에 있으며 대상 매체에 노출됩니다.
베어 팁 사용의 장점은 가장 빠른 응답 시간, 저렴한 비용 및 가벼운 무게로 최고의 열전도율을 제공한다는 것입니다. 단점은 기계적 손상과 부식에 취약하다는 것입니다. 따라서 열악한 환경에는 적합하지 않습니다. 그러나 빠른 응답 시간이 필요한 경우 노출 된 팁이 최선의 선택입니다. 노출 된 팁이 산업 환경에서 사용되는 경우 신호 체인을 전기적으로 절연해야 할 수 있습니다. 이를 위해 디지털 아이솔레이터를 사용할 수 있습니다 (www.analog.com/icoupler 참조).
기존 서미스터 또는 저항성 온도 감지기 (RTD)와 달리 ADT7320은 보드 조립 후 다중 포인트 교정이 필요없고 프로세서 또는 메모리 리소스를 소비하는 교정 또는 선형화 프로그램이 필요없는 완전한 플러그 앤 플레이 솔루션입니다. 3.3V 공급 장치에서 작동 할 때 700μW에 불과한 일반적인 전력 소비는 기존 저항 센서 솔루션의 정확도를 저하시키는 자체 발열 문제를 방지합니다.
정확한 온도 측정 가이드
다음 지침은 ADT7320이 기준 접합 온도를 정확하게 측정하도록 보장합니다.
전원 공급 장치 : ADT7320이 스위치 모드 전원 공급 장치에서 전원을 공급받는 경우 50kHz 이상의 노이즈가 생성되어 온도 정확도에 영향을 미칠 수 있습니다. 이 결함을 방지하려면 전원 공급 장치와 VDD 사이에 RC 필터를 사용하십시오. 사용되는 구성 요소 값은 공급 잡음 피크가 1mV 미만인지 확인하기 위해 신중하게 고려해야합니다.
디커플링 : ADT7320에는 정확한 온도 측정을 보장하기 위해 가능한 한 VDD에 가까운 디커플링 커패시터가 있어야합니다. 0.1μF 고주파 세라믹 유형과 같은 디커플링 커패시터를 권장합니다. 또한 저주파 디커플링 커패시터는 10μF ~ 50μF 탄탈 커패시터와 같은 고주파 세라믹 커패시터와 병렬로 사용해야합니다.
최대 열 전도 : 플라스틱 패키지와 뒷면의 노출 된 패드 (GND)는 기준 접점에서 ADT7320까지의 주요 열 전도 경로입니다. 구리 접점이 ADC 입력에 연결되어 있기 때문에 ADC 입력 바이어스에 영향을 미칠 수 있으므로이 애플리케이션에서 뒷면의 패드를 연결할 수 없습니다.
정확한 전압 측정 가이드
다음 지침은 AD7793이 열전대에 의해 측정 된 접합 전압을 정확하게 측정하도록 보장합니다.
디커플링 : AD7793에는 정확한 전압 측정을 보장하기 위해 가능한 한 AVDD 및 DVDD에 가깝게 배치 된 디커플링 커패시터가 있어야합니다. AVDD는 0.1μF 세라믹 커패시터를 10μF 탄탈륨 커패시터와 병렬로 연결하여 GND로 분리해야합니다. 또한 0.1μF 세라믹 커패시터를 10μF 탄탈 커패시터와 병렬로 연결하여 DVDD를 GND로 분리해야합니다. 접지, 레이아웃 및 디커플링 기술에 대한 자세한 내용은 Tutorial MT-031 및 Tutorial MT-101을 참조하십시오.
필터링 : AD7793'의 차동 입력은 써모 커플 라인에서 대부분의 공통 모드 노이즈를 제거하는 데 사용됩니다. 예를 들어, 차동 저역 통과 필터를 구성하는 R1, R2 및 C3를 AD7793의 프런트 엔드에 배치하면 열전대 핀에서 발생할 수있는 중첩 노이즈가 제거됩니다. C1 및 C2 커패시터는 추가 공통 모드 필터링을 제공합니다. 입력 ADC의 AIN (+) 및 AIN (-)은 아날로그 차동 입력이므로 아날로그 변조기의 대부분의 전압은 공통 모드 전압입니다. AD7793'의 뛰어난 공통 모드 제거 (최소 100dB)는 이러한 입력 신호에서 공통 모드 노이즈를 더욱 제거합니다.
다른 문제를 해결하는 프로그램
다음은이 솔루션이 앞서 언급 한 다른 열전대 관련 문제를 해결하는 방법을 요약 한 것입니다.
열전대 전압 증폭 : 온도 변화가 1 도당 몇 μV에 불과한 열전대 출력 전압. 이 예에서 사용 된 일반적인 K 형 열전쌍은 41μV / ° C의 다양한 진폭을 갖습니다.이 약한 신호는 ADC 변환 전에 더 높은 이득 단계를 필요로합니다. AD7793 내부 프로그래밍 가능 이득 증폭기 (PGA)는 최대 128 개의 이득을 제공합니다.이 솔루션의 이득은 16이므로 AD7793이 내부 기준을 사용하여 내부 풀 스케일 교정 기능을 실행할 수 있습니다.
열전대 비선형 성 보정 : AD7793은 사용자 보정이나 보정없이 넓은 온도 범위 (-40 ° C ~ + 105 ° C)에서 우수한 선형성을 제공합니다. 실제 열전대 온도를 결정하려면 NIST (National Institute of Standards and Technology)에서 제공하는 공식을 사용하여 기준 온도 측정 값을 동등한 열전 전압으로 변환해야합니다. 이 전압은 AD7793에 의해 측정 된 열전대 전압에 추가 된 다음 다시 NIST 공식을 사용하여 열전대 온도로 다시 변환됩니다. 또 다른 접근 방식은 조회 테이블을 사용하는 것입니다. 그러나 동일한 정밀도를 얻으려면 룩업 테이블의 크기가 상당히 달라질 수 있으므로 호스트 컨트롤러가 이에 대한 추가 스토리지 리소스를 할당해야합니다. 모든 처리는 EVAL-SDP-CB1Z를 통해 소프트웨어에서 수행됩니다. EVAL-SDP-CB1Z는 소프트웨어에서 수행됩니다.
일반적인 변화
낮은 정확도가 필요한 애플리케이션의 경우 AD7793 24 비트 Σ-Δ ADC 대신 AD7792 16 비트 Σ-Δ ADC를 사용할 수 있습니다. 기준 온도 측정을 위해 ± 0.25 ° C 정밀도 ADT7320 대신 ± 0.5 ° C 정확도의 ADT7310 디지털 온도 센서를 사용할 수 있습니다. AD7792 및 ADT7310은 모두 SPI 인터페이스를 통합합니다.
추가 : No. 16, Road 3, Sanjiang Industry Zone, Shengzhou, Zhejiang, China
연락처 : Eric Xie
군중 : +861598895936
Skype :ericxie123@outlook.com
Wechat&앰프; Whatsapp : +8615988295936
웹 사이트 : www.benoindustry.com
