| 热电偶信号采集电路分析以及优化方法 |
| 信息来源： 热电偶 | 2022-05-31 点击量： 2680 |
在钢铁冶金领域， 温度是非常重要的参数，热电偶具有准确度高、响应时间快、测温范围广、成本低廉和使用寿命长等优点，因而成为钢铁冶金领域温度检测元件的首选。热电偶的测温精度对工业生产过程控制有着至关重要的意义，影响热电偶测温精度有多方面的因素， 除了热电偶材质的影响、安装位置是否合适、安装方法是否合理、热电偶补偿导线的材质等之外， 还主要包括二次采集元件端（例如热电偶二次仪表、PLC 热电偶模块等）的因素，如热电偶信号采集电路、信号非线性化处理技术及合适的冷端补偿方法等。本文着重从以上3 个因素分析热电偶信号采集精度，并提出合理的优化方法。
1、热电偶的基本工作原理
把2 根不同材质的导体或半导体（A 和B）焊接起来组成一个闭合回路， 该闭合回路叫热电回路。当两接合点处于不同温度T1和T0时， 回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）， 冷端与测量仪表连接。当热端与冷端有温差时，测量仪表便能测出被测介质的温度。热电偶的热电势随温度的升高而增大，其热电势的大小与热电偶的材质、热电偶两端的温度有关，而与热电极的长度、直径无关。热电偶工作原理如图1 所示。
2 热电偶信号采集精度分析
2.1 热电偶信号采集电路分析
热电偶信号是变化缓慢的微弱微伏级信号，信号在传输过程中，容易受到外界的电磁干扰，因此热电偶测温仪表采集热电偶信号时，其信号前端需要增加信号调理电路，提高电磁抗干扰能力，并且信号采集需选用高精度、高可靠的AD 转换器，同时AD 转换器的基准电压源要求选用高精度、低漂移的基准电压源，并且热电偶信号更需要采用差分信号输入来消除热电偶线路上的大部分共模噪声，通过以上合适的电路优化设计才能保证热电偶信号采集精度的要求。
2.2 热电偶信号采集电路的优化方法
热电偶信号采集优化方案从以下3个方面考虑：
信号调理电路信号前端设计差分低通滤波器和共模滤波器，滤波器可以采用电阻和电容等无源器件构成，滤波器的截止频率决定了阻容值的大小，也可以考虑采用有源滤波器，采用低失调、低温漂的运算放大器构成有源滤波器，并且运算放大器输入阻抗高，输出阻抗低，可以提供良好的隔离性能，并可提供所需增益。
AD 转换器选型AD 转换器宜选用高分辨率、低噪声、高共模抑制比、带差分输入通道、内置可编程增益的AD 转换器。分辨率越高，采集精度越高，但是器件成本会增加，采集系统应该根据信号波动的最小值来选择合适的分辨率。例如热电偶S 分度，其变化1 ℃最小值是5 μV，则最低有效位LSB必须低于5 μV。
AD 转换器的基准电压源AD 转换器的基准电压源可以选择内置或者外部单独接1 个基准电压源，基准电压源要求低温漂、高精度、低噪声。内置基准电压源精度一般，若想更高精度的基准电压源，则要求选择外置的电压源。
以AD7793 精确测量热电偶信号来举例说明。AD7793 适合高精度测量应用的低功耗、低噪声、完整模拟前端，内置1 个低噪声、带有3 个差分模拟输入的16 位Σ-Δ 型ADC， 它集成了片内低噪声仪用放大器，并且增益可设置。
AD7793 测量热电偶信号电路如图2 所示。AD7793 的差分输入用于消除热电偶线路上的大部分共模噪声，组成差分低通滤波器的R1，R2，C2放置在AD7793 的前端， 可以消除热电偶引脚上可能存在的拾取噪声。R1，R2，C1和C3电容组成共模滤波器，可以提供额外的共模滤波。基准电压源选用ADI公司的AD3425，AD3425 是低成本、低功耗、高精度基准电压源，具有0.1%的初始精度。
当AD7793 配置为单极性工作模式时， 模拟输入电压信号计算公示为式中：AIN为模拟输入电压；GAIN 为仪表放大器增益；N 为ADC 的转换位数；VREF为基准电压源。
显然，基准电压有漂移会影响到热电偶信号的采集电压值。转换位数越大，最低有效位LSB 越小，采集精度就越高， 以基准电压2500 mV 为准，AD7793 最低有效位LSB 为38.147 μV，若AD 转换器更换为24 位的AD7792， 最低有效位LSB 为0.149 μV，精度提高了256 倍。
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