珠光體鋼鉑銠鎧裝熱電偶信號采集電路分析和處理方法

         　在鋼鐵冶金領(lǐng)域溫度測量是非常重要的參數(shù)，珠光體鋼鉑銠鎧裝熱電偶具有準(zhǔn)確度高、響應(yīng)時間快、測溫范圍廣、成本低廉和使用壽命長等優(yōu)點，因而成為鋼鐵冶金領(lǐng)域溫度檢測元件的首選。珠光體鋼鉑銠鎧裝熱電偶的測溫精度對工業(yè)生產(chǎn)過程控制有著至關(guān)重要的意義，影響珠光體鋼鉑銠鎧裝熱電偶測溫精度有多方面的因素， 除了珠光體鋼鉑銠鎧裝熱電偶材質(zhì)的影響、安裝位置是否合適、安裝方法是否合理、分析珠光體鋼鉑銠鎧裝熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的材質(zhì)等之外， 還主要包括二次采集元件端（例如珠光體鋼鉑銠鎧裝熱電偶二次儀表、PLC分析珠光體鋼鉑銠鎧裝熱電偶 塊等）的因素，如分析珠光體鋼鉑銠鎧裝熱電偶信號采集電路、信號非線性化處理技術(shù)及合適的冷端補(bǔ)償方法等。本文著重從以上3個因素分析珠光體鋼鉑銠鎧裝熱電偶信號采集精度，并提出合理的優(yōu)化方法。

1、珠光體鋼鉑銠鎧裝熱電偶的基本工作原理
      把2根不同材質(zhì)的導(dǎo)體或半導(dǎo)體（A 和B）焊接起來組成一個閉合回路， 該閉合回路叫珠光體鋼鉑銠鎧裝熱電偶回路。當(dāng)兩接合點處于不同溫度T1和T0時， 回路中就會產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，而這種電動勢稱為熱電勢。珠光體鋼鉑銠鎧裝熱電偶就是利用這種原理進(jìn)行溫度測量的，其中直接用作測量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端（也稱測量端），另一端叫做冷端（也稱為補(bǔ)償端）， 冷端與測量儀表連接。當(dāng)熱端與冷端有溫差時，測量儀表便能測出被測介質(zhì)的溫度。珠光體鋼鉑銠鎧裝熱電偶的熱電勢隨溫度的升高而增大，其熱電勢的大小與珠光體鋼鉑銠鎧裝熱電偶的材質(zhì)、熱電偶兩端的溫度有關(guān)，而與熱電極的長度、直徑無關(guān)。珠光體鋼鉑銠鎧裝熱電偶工作原理如圖1 所示。

2 珠光體鋼鉑銠鎧裝熱電偶信號采集精度分析
2.1珠光體鋼鉑銠鎧裝熱電偶信號采集電路分析
信號是變化緩慢的微弱微伏級信號，信號在傳輸過程珠光體鋼鉑銠鎧裝熱電偶中，容易受到外界的電磁干擾，因此珠光體鋼鉑銠鎧裝熱電偶測溫儀表采集熱電偶信號時，其信號前端需要增加信號調(diào)理電路，提高電磁抗干擾能力，并且信號采集需選用高精度、高可靠的AD 轉(zhuǎn)換器，同時AD 轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓源要求選用高精度、低漂移的基準(zhǔn)電壓源，并且熱電偶信號更需要采用差分信號輸入來消除熱電偶線路上的大部分共模噪聲，通過以上合適的電路優(yōu)化設(shè)計才能保證珠光體鋼鉑銠鎧裝熱電偶信號采集精度的要求。

2.2 ?珠光體鋼鉑銠鎧裝熱電偶信號采集電路的優(yōu)化方法
        ?珠光體鋼鉑銠鎧裝熱電偶信號采集優(yōu)化方案從以下3個方面考慮：
        信號調(diào)理電路信號前端設(shè)計差分低通濾波器和共模濾波器，濾波器可以采用電阻和電容等無源器件構(gòu)成，濾波器的截止頻率決定了阻容值的大小，也可以考慮采用有源濾波器，采用低失調(diào)、低溫漂的運算放大器構(gòu)成有源濾波器，并且運算放大器輸入阻抗高，輸出阻抗低，可以提供良好的隔離性能，并可提供所需增益。
        AD轉(zhuǎn)換器選型AD轉(zhuǎn)換器宜選用高分辨率、低噪聲、高共模抑制比、帶差分輸入通道、內(nèi)置可編程增益的AD 轉(zhuǎn)換器。分辨率越高，采集精度越高，但是器件成本會增加，采集系統(tǒng)應(yīng)該根據(jù)信號波動的最小值來選擇合適的分辨率。例如珠光體鋼鉑銠鎧裝熱電偶，其變化1 ℃最小值是5 μV，則最低有效位LSB必須低于5 μV。
        AD 轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓源AD 轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓源可以選擇內(nèi)置或者外部單獨接1 個基準(zhǔn)電壓源，基準(zhǔn)電壓源要求低溫漂、高精度、低噪聲。內(nèi)置基準(zhǔn)電壓源精度一般，若想更高精度的基準(zhǔn)電壓源，則要求選擇外置的電壓源。
        以AD7793精確測量珠光體鋼鉑銠鎧裝熱電偶信號來舉例說明。AD7793適合高精度測量應(yīng)用的低功耗、低噪聲、完整模擬前端，內(nèi)置1 個低噪聲、帶有3 個差分模擬輸入的16 位Σ-Δ 型ADC， 它集成了片內(nèi)低噪聲儀用放大器，并且增益可設(shè)置。
        AD7793測量珠光體鋼鉑銠鎧裝熱電偶信號電路如圖2 所示。AD7793 的差分輸入用于消除珠光體鋼鉑銠鎧裝熱電偶線路上的大部分共模噪聲，組成差分低通濾波器的R1，R2，C2放置在AD7793 的前端， 可以消除珠光體鋼鉑銠鎧裝熱電偶引腳上可能存在的拾取噪聲。R1，R2，C1和C3電容組成共模濾波器，可以提供額外的共模濾波?；鶞?zhǔn)電壓源選用ADI公司的AD3425，AD3425 是低成本、低功耗、高精度基準(zhǔn)電壓源，具有±0.1%的初始精度。

         當(dāng)AD7793 配置為單極性工作模式時， 模擬輸入電壓信號計算公示為

         式中：AIN為模擬輸入電壓；GAIN 為儀表放大器增益；N 為ADC 的轉(zhuǎn)換位數(shù)；VREF為基準(zhǔn)電壓源。
         顯然，基準(zhǔn)電壓有漂移會影響到珠光體鋼鉑銠鎧裝熱電偶信號的采集電壓值。轉(zhuǎn)換位數(shù)越大，最低有效位LSB越小，采集精度就越高，以基準(zhǔn)電壓2500mV為準(zhǔn)，AD7793最低有效位LSB為38.147μV，若AD轉(zhuǎn)換器更換為22位的AD7792，最低有效位LSB為0.149μV，精度提高了256倍。