Að gera mun á veikum merkjum: listin að hanna há-nákvæma hitamótamagnara hringrás

Í iðnaðarmælingum er hitastig mikilvæg breytu og hitaeiningar, sem einn af algengustu hitaskynjarunum, framleiða afar veik úttaksmerki -aðeins á bilinu míkróvolta (μV) til millivolta (mV). Það hefur orðið áskorun fyrir marga verkfræðinga að magna þessi veiku merki nákvæmlega og bæla á áhrifaríkan hátt úr hávaðatruflunum.

Hitaeiningar starfa á grundvelli Seebeck-áhrifanna: þegar tveir leiðarar af mismunandi efnum mynda lokaða hringrás myndast varma raforkukraftur í hringrásinni þegar hitamunur er á milli enda þeirra. Hitaeiningar af gerð K (nikkel-króm/nikkel-kísill) eru algengasta gerðin, með næmi um það bil 41 μV/gráðu, sem þýðir að jafnvel 1 gráðu hitabreyting hefur aðeins 0,041 mV breytingu á útgangsspennu.

Helstu atriði til að hanna há-mögnarhringrásir

1. Kjarnahlutverk hljóðfæramagnarans

Vegna ákaflega veiks hitabeltismerkis er mikill-aukning, lítill-suð magnari nauðsynlegur. Hljóðfæramagnarar, með háu inntaksviðnám, háu algengu-stillingarhlutfalli (CMRR) og lágum hávaðaeiginleikum, eru tilvalin kostur. Há-rekstrarmagnarar eins og OP07 eru oft notaðir sem formagnarar. Þeir hafa mjög lága inntaksstöðuspennu og straumhitastig, sem magna á áhrifaríkan hátt míkróvolta-stigsmerki án þess að kynna verulegar villur.

Magnararásir nota venjulega tveggja-þrepa hönnun: fyrsta þrepið er mismunamögnari sem notaður er til að auka merkjamagn í upphafi og bæla algenga-hamstruflun; annað þrep magnar merkið enn frekar í svið sem hentar fyrir ADC öflun (td 0-5V). Ávinningsreikningsformúlan er: V_out=(1 + R_f/R_in)(V_T+ - V_T-). Með því að velja viðeigandi endurgjöf viðnám er hægt að fá æskilegan mögnunarstuðul.

2. Alhliða aðferðir til að vinna bug á hávaðatruflunum

Iðnaðarumhverfi er fullt af rafsegultruflunum og langir leiðar hitaeininga eru líklegri til að virka sem loftnet til að taka á móti hávaða. Hávaðaminnkun krefst margþættrar-aðferðar:

Síuhönnun: Með því að bæta við RFI síu við inntakið (td 10Ω viðnám í röð með 100nF þétti) getur það í raun bælt útvarpsbylgjur. Síðari hringrásir geta notað aðra-pöntun Sallen-Lággangs-lykillsíu með stöðvunartíðni um það bil 10Hz, sem getur dregið verulega úr há-tíðni hávaða.

Skjöldun og jarðtenging: Að nota varið snúið-par snúru til að senda hitaeiningamerki og tryggja rétta eins-punkta jarðtengingu hlífðarlagsins eru lykilráðstafanir til að draga úr rafsegultruflunum. Hliðstæð jörð ætti að vera sjálfstætt lögð með kopar, sem nær yfir svæði sem er að minnsta kosti 2 cm², og aðskilin frá stafrænu jörðu; þetta getur dregið úr hávaða um 70%.

Einangrunartækni: Með því að bæta optocouplers eða seguleinangrunum við merkjakeðjuna lokar í raun fyrir jarðtengingu og háspennutruflun- og verndar mælikerfið. Seguleinangrarar eins og ADuM1201 hafa algengt-tímabundið ónæmi upp á 100 kV/μs, hentugur fyrir erfiðar iðnaðarumhverfi.

3. Cold Junction Bætur eru ómissandi

Hitaeining mælir hitamuninn á heitu og köldu mótunum, ekki algildan hita. Sveiflur í hitastigi köldu mótanna koma beint með mæliskekkjur. Því skipta kuldamótabætur sköpum.

Algengar aðferðir eru:

Notkun hitanema eða díóðahitaskynjara til að mæla hitastig köldu mótanna nákvæmlega.

Notkun ójafnvægrar brúaraðferðar til að bæta sjálfkrafa upp áhrifum hitastigsbreytinga á köldum mótum byggt á eiginleikum koparþols sem breytist með hitastigi.

Með því að nota-forritssértækar samþættar hringrásir (ASIC) eins og AD594 eða MAX6675 fyrir kaldmótauppbót og merkjalínugerð einfaldar hönnunina.

4. ADC umbreyting og merkjavinnsla

Magnaða hliðræna merkið þarf að breyta í stafrænt merki. Mikilvægt er að velja ADC með mikilli-nákvæmni; 24-bita Σ-Δ ADC (eins og AD7176) getur náð upplausn upp á 1 ppm (parts per million) og innbyggða stafræna sían hans útilokar í raun 50/60Hz truflun á afltíðni.

Hugbúnaðarreiknirit eru jafn mikilvæg: stafræn síun (eins og hlaupandi meðaltal eða Kalman síun), ólínuleg leiðrétting (með því að nota margliðujöfnur eða uppflettitöflur frá NIST) og reglubundin sjálf-kvörðunarreiknirit geta bætt mælingarnákvæmni og stöðugleika til lengri tíma-.

Hagnýt atriði

Þegar hönnuð eru há-nákvæmar hitaeiningarmagnarrásir ætti einnig að hafa eftirfarandi í huga:

Val íhluta: Notaðu 1% nákvæmni málmfilmuviðnám til að draga úr hitastigi; veldu lágvaða- rekstrarmagnara (eins og OPA211) til að draga úr innbyggðan hávaða.

Aftenging aflgjafa: Bættu við 0,1μF aftengingarþétti nálægt hverjum op-amp aflgjafapinna til að bæla niður hávaða aflgjafa.

Skipulag og leið: Haltu lágmarksbili sem er 3 mm á milli stafrænna og hliðrænna merkjalína til að draga úr þvertali. Merkjaleiðir ættu að vera eins stuttar og hægt er.

Hitastig: Gakktu úr skugga um að allir íhlutir virki stöðugt yfir allt hitastig kerfisins.