Оцифровывайте сигнал термопары возле точки измерения

Maxim MAX6674 MAX6675

Термопары являются популярными датчиками для промышленного измерения температуры, поскольку они точны, дешевы, доступны и подходят для широкого диапазона температур. Термопара состоит из двух проводов из различных металлов или металлических сплавов, сваренных вместе на чувствительном конце (обычно называемом горячим спаем). Выходной сигнал термопары – это разность напряжений на других концах проводов (называемых холодным спаем), температура которых должна поддерживаться при известном значении.

Если это требуется приложением, холодный спай может быть и теплее горячего спая. В этом случае полярность выходного напряжения термопары просто меняется. Таким образом, термопары измеряют разность температур между их горячим и холодным спаями. Чтобы получить абсолютную температуру чувствительной точки горячего спая, необходимо измерить температуру холодного спая и соответствующим образом отрегулировать выходной сигнал термопары. Этот метод называется компенсацией холодного спая.

Когда термопары впервые были использованы в середине 1800-х годов, абсолютные измерения выполнялись путем поддержания холодного спая в равновесной смеси льда и дистиллированной воды, что позволяло установить истинную опорную точку 0 °C. Сегодня изотермичность холодного спая, расположенного на входе блока обработки сигналов термопары, обычно поддерживается небольшой пластиной материала с высокой теплопроводностью. Идеальным материалом является медь, теплопроводность которой равна 394 Вт/(м·К). Входные подключения должны быть электрически изолированы, но термически связаны с пластиной. В идеале в эту изотермическую среду должен быть включен весь блок обработки сигналов.

Как и другие схемы, работающие с низкоуровневыми сигналами (сигналы термопар находятся в диапазоне мкВ/°C), блок обработки сигналов термопары чувствителен к электромагнитным помехам (ЭМП), и сами провода термопар часто являются приемниками помех. ЭМП увеличивают ошибку принимаемого сигнала и снижают точность полученных данных о температуре. С другой стороны, специальный кабель, необходимый для такого подключения термопары, стоит дорого, а если его случайно заменить другим кабелем, диагностировать причину возникшей проблемы будет трудно.

Обычные варианты минимизации помех включают перемещение схемы управления ближе к точке измерения (поскольку уровень ЭМП пропорционален длине проводов), добавление удаленной платы с локальным интеллектом рядом с точкой измерения или введение сложной фильтрации сигналов и экранирования кабеля. Более хорошим решением будет оцифровка выходного напряжения термопары в непосредственной близости от места измерения (Рисунок 1). Это особенно полезно, если управляющий микроконтроллер находится далеко от точки измерения.

Эта схема, питающаяся от источника напряжения, находящегося на дальнем конце 900-метрового кабеля, оцифровывая выходной сигнал термопары возле точки измерения, минимизирует влияние электромагнитных помех.
Рисунок 1. Эта схема, питающаяся от источника напряжения, находящегося на дальнем конце 900-
метрового кабеля, оцифровывая выходной сигнал термопары возле точки измерения,
минимизирует влияние электромагнитных помех.

В этом примере схема обработки сигналов состоит из высокочувствительного усилителя постоянного тока, датчика температуры, схемы компенсации холодного спая, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) с внутренним источником опорного напряжения, детектора/сигнализатора обрыва термопары и цифрового выходного интерфейса. Все эти функции могут быть интегрированы в небольшие микросхемы, такие как MAX6674 и MAX6675. Сигналы их выходных последовательных интерфейсов в цифровой форме представляют температуру в точке измерения термопары.

Внутренние схемы дискретизации сигналов термопары микросхем MAX6674/6675 адаптированы для использования с хромель-алюмелевыми термопарами (тип K). MAX6674 имеет диапазон измерений от 0 °C до 128 °C с разрешением 0.125 °C, тогда как MAX6675 измеряет температуры от 0 °C до 1024 °C с разрешением 0.25 °C. Обе микросхемы имеют совместимый с SPI интерфейс, работающий под управлением микроконтроллера или аналогичного локального интеллекта.

Интерфейс SPI микросхемы IC1 синхронизируется генератором на микросхемах IC2 и IC3, с помощью которого IC1 формирует последовательность асинхронных последовательных символов со скоростью 4800 бод: один стартовый бит, 11 бит данных (13 для MAX6675) и один стоповый бит. 11 (или 13) бит данных включают 10 (или 12) бит двоичной информации непосредственно о температуре (старший значащий бит впереди) и один бит, предупреждающий об обрыве термопары.

Точность поддержания скорости передачи данных гарантируется кварцевой стабилизацией генератора. Для правильной работы схемы чувствительный наконечник термопары должен быть электрически изолирован. Необходимо также убедиться, что IC1 всегда находится в диапазоне рабочих температур от –20 °C до 85 °C.

Это последовательное слово данных, приходящее на контакты A-B
Рисунок 2. Это последовательное слово данных, приходящее на
контакты A-B ( Рисунок 1), представляет температуру
21.875 °C, измеренную термопарой на другом конце кабеля.

Схема подключается к удаленному источнику питания и приемнику данных витой парой, через которую подается питание в схему и возвращаются цифровые данные в приемник. Измерения температуры выполняются за один цикл преобразования внутреннего 10-битного АЦП микросхемы IC1 и выводятся в кабель в виде последовательного слова данных. На Рисунке 2 показан пример передачи результата измерения по витой паре длиной 900 метров. Данные показывают, что термопара находится в нормальном рабочем состоянии и измеряет температуру 21.875 °C.

Материалы по теме

  1. Datasheet Maxim MAX6674/5
  2. Datasheet Texas Instruments CD74HC132
  3. Datasheet NXP 74HC4060N
  4. Datasheet Microchip 2N7000

Electronic Design

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Digitize Thermocouple Output Near Sensing Point

Изготовление 1-4 слойных печатных плат за $2

13 предложений от 13 поставщиков
Cold-Junction-Compensated K-Thermocouple to-Digital Converter (0?°C to +128?°C)
ЭИК
Россия
MAX6674ISA+T
Maxim
591 ₽
T-electron
Россия и страны СНГ
MAX6674ISA+
Maxim
681 ₽
МосЧип
Россия
MAX6674ISA-T
Maxim
по запросу
MAX6674ISA+T SOP8
Maxim
по запросу
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя