Компенсація холодного спаю в практиці застосування термоелектричних перетворювачів

1. Про компанію Maxim Integrated

Наши партнеры ArtmMisto

На сьогоднішній день термопари набули найбільшого поширення серед датчиків вимірювання температури. Використання термопар у великому діапазоні температур більш ефективно в порівнянні з такими рішеннями, як термоперетворювач опору (ТПС), термістор, або інтегральний датчик температури (ІДТ). Термопари використовуються, наприклад, в автомобілях або побутової техніки. До того ж, їх надійність, стабільність і малий час відгуку роблять термопари найкращим вибором для багатьох видів обладнання.

Однак і в застосуванні термопар є деякі складності, в першу чергу - значна нелінійність характеристик. До того ж, ТПС і ІДТ зазвичай мають кращі характеристики по чутливості і точності, що важливо для прецизійних рішень. Вихідний сигнал термопари має дуже низький рівень і вимагає посилення або застосування цифрових перетворювачів високої розрядності для обробки сигналу.

Але, незважаючи на всі перераховані недоліки, низька вартість, легкість застосування та широкий температурний діапазон до сих пір є причинами популярності термоелектричних перетворювачів.

Основні відомості про термопарах

Термопари відносяться до диференціальних измерителям температури. Конструктивно вони являють собою два термоелектрода з різних металів, один з яких приймається за позитивний, інший - за негативний. У таблиці 1 представлені найбільш поширених типи термопар, які використовуються метали або сплави і температурний діапазон для кожного варіанта. Кожен тип термопар має унікальні термоелектричними властивостями в певному для них температурному діапазоні.

Таблиця 1. Основні характеристики термопар

Тип Позитивний
Метал / Сплав Негативний
Метал / Сплав Температурний
діапазон, ° С T Мідь Константан -200 ... 350 J Залізо Константан 0 ... 750 K Хромонікелевий сплав Алюмель -200 ... 1250 E Хромонікелевий сплав Константан -200 ... 900

При з'єднанні двох металів (пайкою або зварюванням) отримують два переходи (спаяний), як показано на рис. 1а, різниця потенціалів утворюється в ланцюзі внаслідок різниці температур спаїв. Це явище називається ефектом Зеєбека, він складається в перетворенні теплової енергії в електричну. Ефект Зеєбека обернений ефекту Пельтьє, що полягає в перетворенні електричної енергії в теплову, що застосовується зокрема в термоелектричних охолоджувачах. На рис. 1 показано, що вихідна напруга Vвих - це різниця між потенціалами холодного і гарячого спаїв. Оскільки Vгор і Vхол утворюються за рахунок різниці температур спаїв, Vвих є функцією цієї різниці. Коефіцієнт, що дорівнює відношенню різниці потенціалів до різниці температур, відомий як коефіцієнт Зеєбека.

Мал. 1а. Напруга в ланцюзі в результаті ефекту Зеєбека

Мал. 1б. Найбільш поширена схема реалізації термопари

На малюнку 1б показана найбільш часто вживається схема використання термопари. Тут використаний третій метал (т.зв. метал-посередник), що дає додатковий спай. У цьому прикладі кожен термоелектроди з'єднаний з мідним дротом. Поки між ними немає різниці температур, метал-посередник не робить ніякого впливу на вихідну напругу. Ця схема дозволяє використовувати термопару без окремого опорного спаю. Напруга Vвих так і залишається функцією від різниці температур холодного і гарячого спаїв, яка визначається коефіцієнтом Зеєбека. Однак до тих пір, поки вимірюється саме різниця температур, для визначення актуальної температури гарячого спаю необхідно знати температуру холодного.

Найпростіший метод - підтримання температури холодного спаю на рівні 0 ° C. В цьому випадку Vвих = Vгор, і вимір напруги дає безпосередню інформацію про температуру гарячого спаю.

Раніше цей варіант вважався стандартом при використанні термопар, однак зараз забезпечення такого охолодження холодного спаю часто непрактично. Для отримання результатів вимірювання в абсолютних величинах необхідно знати температуру холодного спаю. Вихідна напруга термопари має бути компенсовано з урахуванням впливу потенціалу холодного спаю при ненульовий температурі. Це і називається - компенсація холодного спаю.

Вибір пристрою для вимірювання температури холодного спаю

Дані про температуру холодного спаю можна отримати за допомогою різних датчиків і пристроїв. Серед найпоширеніших - резистивний температурний перетворювач (РТП), термістор і інтегральний датчик температури (ІДТ). Кожне з цих пристроїв має свої переваги і недоліки, тому застосування того чи іншого датчика визначається умовами конкретного завдання.

Для пристроїв з високими вимогами по точності найкращим вибором буде калібрований платиновий РТП з його широким температурним діапазоном. Однак це рішення - дороге.

Термістори і ІДТ - недорога альтернатива РТП в випадках, коли вимоги до точності не настільки суворі. У термісторів робочий температурний діапазон ширше, однак ІДТ використовуються частіше через лінійності характеристик. Коригування нелінійності термисторов може вимагати занадто багато ресурсів від мікроконтролера пристрою. ІДТ мають чудову лінійність характеристик, але вузьким діапазоном вимірювань.

Отже, вимірювач температури холодного спаю вибирається, виходячи з вимог до системи. На вибір впливають точність, діапазон виміру температур, лінійність характеристик і вартість.

Рішення числових завдань

Коли ви визначилися з методом компенсації холодного спаю, компенсувати вихідна напруга повинна бути перетворено в дані про температуру. Найпростіший метод - скористатися таблицями, наданими Національним Бюро Стандартів США (NBS) (в Росії значення розрахункових коефіцієнтів можна знайти в довідковій літературі, що базується на ГОСТ Р 8.585-2001 ГСИ. «Термопари. Номінальні статичні характеристики перетворення» - прим. Ред.) . Пошук даних в цих таблицях програмним шляхом вимагає певного обсягу пам'яті для їх зберігання, але це швидке і точне рішення у випадках, коли вимірювання повторюються з великою частотою. Два інших методу для перетворення напруги в дані вимагають великих ресурсів, ніж пошук даних в таблицях: 1) лінійна апроксимація за допомогою поліномів; 2) аналогова линеаризация вихідного сигналу термопари.

Лінійна апроксимація програмним шляхом популярна, тому що необхідна пам'ять тільки для зберігання заздалегідь відомих коефіцієнтів полінома. Недолік цього методу в тому, що час вимірювання залежить від швидкості розрахунку поліномів високого ступеня. Час на розрахунок зростає зі зростанням ступеня полінома, що зазвичай відбувається при збільшенні діапазону вимірювань приладу. Для температур, при вимірюванні яких потрібне використання поліномів високих ступенів, застосування таблиць може виявитися більш ефективним і точним.

До того, як з'явилося програмне забезпечення сучасного рівня, аналогова линеаризация досить часто застосовувалася для перетворення напруги в температурні дані (на додаток до ручного пошуку даних в таблицях). Цей апаратний метод грунтувався на використанні аналогових схем для коригування нелінійності сигналу термопари. Точність залежала від реалізації аналогової коригування. Такий підхід до сих пір використовується в мультиметр, що приймають сигнал з термопар.

схеми пристроїв

Наведені нижче приклади демонструють три методи компенсації холодного спаю з використанням термочутливих інтегральних мікросхем. У всіх прикладах вимоги до пристроїв досить скромні - вузький діапазон температур холодного спаю (від 0 ° C до 70 ° C і від -40 ° C до 85 ° C), і точність не більше кількох розрядів. Схема 1 содежіт ІДТ, монтуємий безпосередньо у холодного розпил, з метою визначення його температури. На схемі 2 представлений винесений температурний датчик, виконаний у вигляді транзистора, включеного за схемою діода і встановленого на термопару. На схемі 3 показано використання аналого-цифрового перетворювача (АЦП) з вбудованою компенсацією холодного спаю. У всіх прикладах використовується термопара типу К, виготовлена ​​з хромелю і алюмелю.

Мал. 2. Термочутлива ІМС (MAX6610)

приклад 1

На схемі, показаної на рис. 2, термочутлива ІМС (MAX6610) вимірює температуру холодного спаю. ІДТ розташовується в безпосередній близькості від спаю.

16-бітний сигма-дельта АЦП (MX7705) перетворює низьковольтний сигнал з термопари в вихідний цифровий сигнал розрядністю 16 біт. Інтегрований підсилювач з програмованим коефіцієнтом посилення дозволяє збільшити роздільну здатність АЦП, що часто необхідно при роботі з малими напругами, що генеруються термопарами. Інтегральний датчик температури, поміщений в безпосередній близькості від з'єднувачів термопари, вимірює температуру близько холодного спаю. Цей метод заснований на припущенні, що температура мікросхеми в цьому випадку буде близька до температури холодного спаю. Вихідна напруга з датчика на холодному спае подається на канал 2 АЦП. Опорна напруга термодатчика (2,56 В) має бути розв'язане з напругою живлення мікросхеми.

Працюючи в біполярному режимі, АЦП перетворює негативний і позитивний рівні напруги з виходу термопари, що надходять на канал 1. Канал 2 працює в однополярний режимі, АЦП перетворює вихідну напругу з інтегральної мікросхеми MAX6610 в дані, які використовуються згодом в роботі мікроконтролера. Вихідна напруга інтегрального датчика температури змінюється пропорційно зміні температури холодного спаю.

Для визначення абсолютної температури гарячого спаю, ви повинні перш знати температуру холодного. Для цього використовуйте таблиці переведення температури холодного спаю в відповідне їй термоелетріческое напруга. Після установки коефіцієнта посилення вбудованого підсилювача, врахуйте це напруга в оцифрованному сигналі з термопари. Після цього перекажіть отримане значення в температуру, знову використовуючи таблиці. Результат і буде абсолютним значенням температури гарячого спаю. Таблиця 2 показує результати вимірювань при зміні температури холодного спаю в діапазоні від -40 ° C до 85 ° C і постійній температурі гарячого, що дорівнює 100 ° C. Точність вимірювання в основному залежить від точності ІДТ і температури холодного спаю.

Таблиця 2. Вимірювання для схеми на малюнку 2

температура
холодного спаю, ° С Виміряна температура
гарячого спаю, ° С Змін. 1 -39,9 +101,4 Змін. 2 0,0 +101,5 Змін. 3 +25,2 +100,2 Змін. 4 +85,0 +99,0

приклад 2

Як показано на рис. 3, ІДТ на виносному діоді використовується для вимірювання температури холодного спаю. Цей діод може бути змонтований безпосередньо на контактах термопари. MAX6002 забезпечує опорна напруга 2,5 В для АЦП. На відміну від попереднього прикладу, датчик з використанням віддаленого діода не повинен обов'язково перебувати в безпосередній близькості від термопари, для вимірювання використовується діод-включений транзистор типу NPN. Цей транзистор монтується безпосередньо в місці з'єднання виходів термопари і мідних висновків. ІДТ в свою чергу перетворює сигнал з транзистора в цифровий: на канал 1 АЦП надходить вихідна напруга термопари і перетворюється в цифровий сигнал. Канал 2 не використовується і заземлений. Опорна напруга АЦП 2,5 В забезпечує окрема інтегральна мікросхема.

Мал. 3. ІДТ з використанням віддаленого діода

Таблиця 3 показує результати вимірювань при зміні температури холодного спаю в діапазоні від -40 ° C до 85 ° C і постійній температурі гарячого, що дорівнює 100 ° C. Точність вимірювання в основному залежить від точності ІДТ з віддаленим діодом і температури холодного спаю.

Таблиця 3. Вимірювання для схеми на малюнку 3

температура
холодного спаю, ° С Виміряна температура
гарячого спаю, ° С Змін. 1 -39,8 +99,1 Змін. 2 -0,3 +98,4 Змін. 3 +25,0 +99,7 Змін. 4 +85,1 +101,5

приклад 3

На рис. 4 представлена ​​схема з використанням 12-бітної АЦП з інтегрованим термочутливим діодом, який перетворює температуру навколишнього середовища в напругу. Використовуючи цю напругу і напруга безпосередньо з термопари, ІМС обчислює компенсовану температуру гарячого спаю. Ці дані у вигляді цифрового сигналу надходять на цифровий вихід мікросхеми. Гарантована температурна похибка даного пристрою ± 9 LSB (молодший значущий біт АЦП) в діапазоні температур гарячого спаю від 0 до 700 ° C. Хоча цей пристрій має широкий діапазон вимірюваних температур, вимірювання нижче 0 ° C неможливі.

Мал. 4. Застосування АЦП з інтегрованою схемою компенсації

У табл. 4 представлені результати вимірювань, отримані за допомогою схеми на рис. 4 при зміні температури холодного спаю від 0 до 70 ° C при збереженні постійної температури на гарячому, що дорівнює 100 ° C.

Таблиця 4. Вимірювання для схеми на малюнку 4

температура
холодного спаю, ° С Виміряна температура
гарячого спаю, ° С Змін. 1 0,0 +100,25 Змін. 2 +25,2 +100,25 Змін. 3 +50,1 +101,00 Змін. 4 +70,0 +101,25

Отримання технічної інформації, замовлення зразків, поставка -
e-mail: [email protected]

Новий драйвер Ethernet з корекцією предискаженій

Компанія Maxim Integrated Products представила MAX 3984 - одноканальний драйвер Ethernet з корекцією предискаженій на виході і компенсацією на вході, здатний працювати з швидкодією 1 ... 10,3 Гбіт / сек. Пристрій компенсує загасання в мідних лініях зв'язку (оптоволоконні канали 8,5 Гбіт / сек, Ethernet 10 Гбіт / сек), дозволяючи досягти довжини лінії до 10 м при використанні дроту 24 AWG. Драйвер передбачає вибір чотирьох рівнів корекції предискаженій і можливість корекції на вході. Це дозволяє компенсувати втрати сигналу при його передачі по провідникам довжиною до 10 дюймів на текстоліті FR-4.

MAX3984 також підтримує SFP-сумісну функцію виявлення втрати сигналу (LOS) і має вхід вимкнути TX_DISABLE. Можливість вибору розмаху вихідного сигналу дозволяє оптимізувати електромагнітні випромінювання і споживану потужність. MAX3984 випускається в 16-вивідному корпусі TQFN (3х3 мм) без вмісту свинцю і розрахований на роботу в межах температурного діапазону 0 ... 85 ° C.

Відмінні особливості:

• Управління лінією зв'язку довжиною до 10м, виконаної з дроту 24 AWG;
• Управління провідниками на текстоліті FR-4 довжиною до 30 дюймів;
• Вибірковий розмах диференціального вихідного сигналу +1000 мВ (pp) або 1200 мВ (pp);
• Вибірковий предискаженій на виході;
• Вибіркова компенсація на вході;
• Виявлення втрати сигналу (LOS) з вбудованим пригнічувачем шуму;
• Відключення передачі;
• Можливість оперативної комутації.

Про компанію Maxim Integrated

Компанія Maxim Integrated є одним з провідних розробників і виробників широкого спектра аналогових і цифро-аналогових інтегральних систем. Компанія була заснована в 1983 році в США, в місті Саннівейл (Sunnyvale), штат Каліфорнія, інженером Джеком Гіффорд (Jack Gifford) спільно з групою експертів зі створення мікроелектронних компонентів. На даний момент штаб-квартира компанії знаходиться в м Сан-Хосе (San Jose) (США, Каліфорнія), виробничі потужності (7 заводів) і ... читати далі