展覧会

3チャンネル熱電対温度測定システム、0.25℃回路の精度

3チャンネル熱電対温度測定システム、0.25℃回路の精度

回路機能と利点

図1の回路は、高精度のマルチチャネル熱電対測定ソリューションを提供します。 正確な熱電対測定には、微弱な熱電対電圧を増幅し、ノイズを低減し、非直線性を修正し、正確な基準接合補償(一般に冷接点補償と呼ばれます)を提供する信号チェーンを形成するための精密部品の使用が必要です。 この回路は、熱電対温度測定におけるこれらの問題をすべて解決し、精度は±0.25℃です。

図1の回路は、熱電対電圧を測定するために3つのKタイプ熱電対をAD7793の高精度24ビットシグマデルタA / Dコンバータ(ADC)に接続したものです。 熱電対は絶対温度測定デバイスではなく差動デバイスなので、正確な絶対温度を得るためには基準接合部温度を知る必要があります。 このプロセスは基準接点補償として知られており、一般に冷接点補償と呼ばれています。 この回路では、ADT7320の高精度16ビットデジタル温度センサを冷接点基準測定に使用し、必要な精度を提供します。

このタイプのアプリケーションは、熱電対によって提供される広い温度範囲でコスト効率の高い正確な温度測定に非常に一般的です。

図1の回路は、熱電対電圧を測定するために3つのKタイプ熱電対をAD7793の高精度24ビットシグマデルタA / Dコンバータ(ADC)に接続したものです。 熱電対は絶対温度測定デバイスではなく差動デバイスなので、正確な絶対温度を得るためには基準接合部温度を知る必要があります。 このプロセスは基準接点補償として知られており、一般に冷接点補償と呼ばれています。 この回路では、ADT7320の高精度16ビットデジタル温度センサを冷接点基準測定に使用し、必要な精度を提供します。

このタイプのアプリケーションは、熱電対によって提供される広い温度範囲でコスト効率の高い正確な温度測定に非常に一般的です。

図1.マルチチャネル熱電対測定システム(回路図:すべての接続とデカップリングについては示されていません)

回路の説明

図1の回路は、±0.25℃の精度の16ビットSPI温度センサであるADT7320を使用して、3つのKタイプ熱電対を同時に測定するように設計されています。

熱電対電圧測定

熱電対のコネクタとフィルタは、熱電対とAD7793 ADCの間のインタフェースとして使用されます。 各コネクタ(J1、J2、J3)は、1組の差動ADC入力に直接接続されています。 AD7793入力のフィルタは、信号がADCのAIN(+)およびAIN( - )入力に達する前に、熱電対ピンに重畳するノイズを低減します。 AD7793は、オンチップ・マルチプレクサ、バッファ、計装アンプを内蔵しており、熱電対接合部からの小電圧信号を増幅します。

冷接点測定

ADT7320高精度16ビットデジタル温度センサは、-20℃〜+ 105℃の温度範囲で±0.25℃の精度でリファレンス接合部温度(冷接点)を測定します。 ADT7320は完全に工場で校正されており、ユーザーの校正は不要です。 これは、バンドギャップ温度リファレンス、温度センサ、および0.0078℃の分解能を備えた温度測定およびデジタル変換用の16ビットシグマデルタADCを内蔵しています

AD7793とADT7320は、システム・デモンストレーション・プラットフォーム(EVAL-SDP-CB1Z)を使用してSPIインタフェースによって制御されます。 さらに、これら2つのデバイスは、マイクロコントローラによって制御することもできます。

図2. EVAL-CN0172-SDPZ回路評価ボード

図2に、3つのKタイプ熱電対コネクタを備えたEVAL-CN0172-SDPZ回路評価ボードを示します。 AD7793 ADCとADT7320温度センサーは、個々のフレキシブルプリント回路基板(PCB)の2つの銅接点の間に取り付けられています。

図3は、熱電対コネクタの2つの銅接点の間に挿入された別個のフレキシブルPCBに取り付けられたADT7320の側面図です。 図3のフレキシブルPCBは、より小さいFR4 PCBよりも薄く柔軟性があります。 これにより、ADT7320を熱電対コネクタの銅接点の間に巧みに取り付けることができ、基準接点とADT7320の間の温度勾配を最小限に抑えます。

図3.フレキシブルPCBに実装したADT7320の側面図

小型で薄いフレキシブルPCBによって、ADT7320はリファレンス接合部の温度変化に素早く応答することができます。 図4に、ADT7320の標準的な熱応答時間を示します。

図4. ADT7320の典型的な熱応答時間

このソリューションはより柔軟性があり、JタイプやTタイプなどの他のタイプの熱電対を使用することができます。 この回路注記では、Kタイプの選択が考慮されています。 選択された実際の熱電対には裸の先端があります。 測定接合部は、プローブ壁の外側に配置され、標的媒体に曝される。

ベアチップを使用する利点は、最も速い応答時間、低コスト、軽量で最高の熱伝導率を提供することです。 欠点は、機械的損傷および腐食に対する感受性である。 したがって、過酷な環境には適していません。 しかし、機会の速い応答時間が必要なときには、露出した先端が最良の選択です。 露出したチップを産業環境で使用する場合は、信号チェーンを電気的に絶縁する必要があります。 デジタルアイソレータはこの目的で使用できます(www.analog.com/icouplerを参照)。

従来のサーミスタや抵抗温度検出器(RTD)とは異なり、ADT7320は完全なプラグ・アンド・プレイ・ソリューションであり、基板組立後のマルチポイント・キャリブレーションが不要で、キャリブレーションや線形化も不要です。 3.3V電源で動作するときの典型的な消費電力はわずか700μWで、従来の抵抗センサソリューションの精度を低下させる自己発熱の問題を回避します。

精密温度測定ガイド

次のガイドラインは、ADT7320がリファレンス接合部温度を正確に測定することを保証します。

電源装置:ADT7320がスイッチモード電源から給電されると、50 kHz以上のノイズが発生し、温度精度に影響します。 この不具合を防ぐには、電源とVDDの間にRCフィルタを使用してください。 使用する部品の値は、電源ノイズのピークが1 mV未満であることを保証するために注意深く考慮する必要があります

デカップリング:ADT7320は、正確な温度測定を保証するために、デカップリング・コンデンサをVDDのできるだけ近くに配置する必要があります。 0.1μFの高周波セラミックタイプなどのデカップリングコンデンサを推奨します。 さらに、10μF〜50μFのタンタル・コンデンサなどの高周波セラミック・コンデンサと並列に低周波デカップリング・コンデンサを使用する必要があります。

最大熱伝導:プラスチックパッケージと背面の露出パッド(GND)は、基準接合部からADT7320までの主要な熱伝導経路です。 銅コンタクトはADC入力に接続されているため、裏面のパッドはADC入力バイアスに影響する可能性があるため、このアプリケーションでは接続できません。

高精度電圧測定ガイド

次のガイドラインは、AD7793が熱電対で測定された接合電圧を正確に測定することを保証します。

デカップリング:AD7793は、正確な電圧測定を保証するために、デカップリング・コンデンサをAVDDおよびDVDDのできるだけ近くに配置する必要があります。 0.1μFのセラミック・コンデンサを10μFのタンタル・コンデンサと並列に接続することにより、AVDDをGNDにデカップリングする必要があります。 さらに、0.1μFのセラミック・コンデンサを10μFのタンタル・コンデンサと並列に接続して、DVDDをGNDにデカップリングする必要があります。 接地、レイアウト、およびデカップリング技術の詳細については、チュートリアルMT-031およびチュートリアルMT-101を参照してください。

フィルタリング:AD7793の差動入力を使用して、熱電対ライン上のコモンモードノイズのほとんどを除去します。 たとえば、差動ローパス・フィルタを構成するR1、R2、C3をAD7793のフロント・エンドに配置すると、熱電対ピンに重畳するノイズが除去されます。 C1コンデンサとC2コンデンサは、追加のコモンモードフィルタリングを提供します。 入力ADCのAIN(+)とAIN( - )はアナログ差動入力であるため、アナログ変調器の電圧のほとんどはコモンモード電圧です。 AD7793の優れたコモン・モード除去(100dB min)は、これらの入力信号のコモン・モード・ノイズをさらに除去します。

プログラムは、他の問題を解決する

以下では、このソリューションが前述の他の熱電対関連の課題にどのように対処するかをまとめます。

熱電対電圧増幅:熱電対出力電圧は1度あたり数μVの範囲で温度が変化します。 この例で使用されるコモンタイプK熱電対は、41μV/℃の変動する振幅を持っています。この弱い信号は、ADC変換の前により高いゲイン段を必要とします。 AD7793の内部プログラマブル・ゲイン・アンプ(PGA)は最大ゲイン128を提供します。このソリューションのゲインは16であり、AD7793は内部リファレンスで内部フルスケール・キャリブレーション機能を実行できます。

熱電対非直線性補正:AD7793は、ユーザーの較正や較正なしに、広い温度範囲(-40℃〜+ 105℃)にわたって優れた直線性を提供します。 実際の熱電対温度を決定するには、基準温度測定値を同等の熱電電圧に変換するために、国立標準技術研究所(NIST)の式を使用する必要があります。 この電圧はAD7793で測定された熱電対電圧に加えられ、NIST式を使用して再度熱電対温度に変換されます。 別のアプローチは、ルックアップテーブルの使用を伴う。 しかし、同じ精度を得るためには、ルックアップテーブルのサイズが大きく変わる可能性があり、ホストコントローラに追加のストレージリソースを割り当てる必要があります。 すべての処理はEVAL-SDP-CB1Zを介してソフトウェアで実行されます。 EVAL-SDP-CB1Zはソフトウェアで実行されます。

共通の変更

精度が低いアプリケーションでは、AD7793の24ビットΣΔADCの代わりに16ビットのΣΔADCを使用することができます。 基準温度測定の場合、±0.25℃精度ADT7320の代わりに、±0.5℃精度のADT7310デジタル温度センサを使用できます。AD7792とADT7310の両方とも、SPIインタフェース


追加:中国浙江省Shengzhou、Sanjiang工業区第3道路3号

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