擴(kuò)孔鉆機(jī)床熱電偶芯信號(hào)采集電路分析以及處理的技巧

  　   在鋼鐵冶金領(lǐng)域， 溫度是非常重要的參數(shù)，擴(kuò)孔鉆機(jī)床熱電偶芯具有準(zhǔn)確度高、響應(yīng)時(shí)間快、測(cè)溫范圍廣、成本低廉和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因而成為鋼鐵冶金領(lǐng)域溫度檢測(cè)元件的。擴(kuò)孔鉆機(jī)床熱電偶芯型的測(cè)溫精度對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制有著至關(guān)重要的意義，影響擴(kuò)孔鉆機(jī)床熱電偶芯測(cè)溫精度有多方面的因素， 除了擴(kuò)孔鉆機(jī)床熱電偶芯材質(zhì)的影響、安裝位置是否合適、安裝方法是否合理、?擴(kuò)孔鉆機(jī)床熱電偶芯補(bǔ)償導(dǎo)線的材質(zhì)等之外， 還主要包括二次采集元件端（例如泥型鑄造錐形高壓熱電偶二次儀表、PLC 泥型鑄造錐形高壓熱電偶?模塊等）的因素，擴(kuò)孔鉆機(jī)床熱電偶芯信號(hào)采集電路、信號(hào)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(gè)因素分析擴(kuò)孔鉆機(jī)床熱電偶芯信號(hào)采集精度，并提出合理的優(yōu)化方法。

1、擴(kuò)孔鉆機(jī)床熱電偶芯 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(lái)組成一個(gè)閉合回路， 該閉合回路叫熱電回路。當(dāng)兩接合點(diǎn)處于不同溫度T1和T0時(shí)， 回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，而這種電動(dòng)勢(shì)稱為熱電勢(shì)。熱電偶就是利用這種原理進(jìn)行溫度測(cè)量的，其中直接用作測(cè)量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端（也稱測(cè)量端），另一端叫做冷端（也稱為補(bǔ)償端）， 冷端與測(cè)量?jī)x表連接。當(dāng)熱端與冷端有溫差時(shí)，測(cè)量?jī)x表便能測(cè)出被測(cè)介質(zhì)的溫度。泥型鑄造錐形高壓熱電偶的熱電勢(shì)隨溫度的升高而增大，其熱電勢(shì)的大小與熱電偶的材質(zhì)擴(kuò)孔鉆機(jī)床熱電偶芯、兩端的溫度有關(guān)，而與熱電極的長(zhǎng)度、直徑無(wú)關(guān)。熱電偶工作原理如圖1 所示。

2   擴(kuò)孔鉆機(jī)床熱電偶芯信號(hào)采集精度分析
2.1   擴(kuò)孔鉆機(jī)床熱電偶芯信號(hào)采集電路分析
  擴(kuò)孔鉆機(jī)床熱電偶芯信號(hào)是變化緩慢的微弱微伏級(jí)信號(hào)，信號(hào)在傳輸過(guò)程中，容易受到外界的電磁干擾，因此擴(kuò)孔鉆機(jī)床熱電偶芯測(cè)溫儀表采集熱電偶信號(hào)時(shí)，其信號(hào)前端需要增加信號(hào)調(diào)理電路，提高電磁抗干擾能力，并且信號(hào)采集需選用高精度、高可靠的AD 轉(zhuǎn)換器，同時(shí)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(hào)更需要采用差分信號(hào)輸入來(lái)消除熱電偶線路上的大部分共模噪聲，通過(guò)以上合適的電路優(yōu)化設(shè)計(jì)才能保證擴(kuò)孔鉆機(jī)床熱電偶芯?信號(hào)采集精度的要求。

2.2   擴(kuò)孔鉆機(jī)床熱電偶芯 信號(hào)采集電路的優(yōu)化方法
        ? 信擴(kuò)孔鉆機(jī)床熱電偶芯號(hào)采集優(yōu)化方案從以下3個(gè)方面考慮：
        信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)前端設(shè)計(jì)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(wú)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(yùn)算放大器構(gòu)成有源濾波器，并且運(yùn)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(huì)增加，采集系統(tǒng)應(yīng)該根據(jù)信號(hào)波動(dòng)的*小值來(lái)選擇合適的分辨率。例如熱電偶S 分度，其變化1 ℃*小值是5 μV，則*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(dú)接1 個(gè)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(cè)量泥型鑄造錐形高壓熱電偶信號(hào)來(lái)舉例說(shuō)明。AD7793 適合高精度測(cè)量應(yīng)用的低功耗、低噪聲、完整模擬前端，內(nèi)置1 個(gè)低噪聲、帶有3 個(gè)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(cè)量泥型鑄造錐形高壓熱電偶信號(hào)電路如圖2 所示。AD7793 的差分輸入用于消除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 擴(kuò)孔鉆機(jī)床熱電偶芯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。基準(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   擴(kuò)孔鉆機(jī)床熱電偶芯配置為單極性工作模式時(shí)，   擴(kuò)孔鉆機(jī)床熱電偶芯模擬輸入電壓信號(hào)計(jì)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。 擴(kuò)孔鉆機(jī)床熱電偶芯顯然，基準(zhǔn)電壓有漂移會(huì)影響到 信號(hào)的采集電壓值。擴(kuò)孔鉆機(jī)床熱電偶芯轉(zhuǎn)換位數(shù)越大，*低有效位LSB 越小，采集精度就越高， 以擴(kuò)孔鉆機(jī)床熱電偶芯基準(zhǔn)電壓2500 mV 為準(zhǔn)，AD7793 *低有效位LSB 為38.147 μV，若AD 轉(zhuǎn)換器更換為24 位的AD7792， 擴(kuò)孔鉆機(jī)床熱電偶芯*低有效位LSB 為0.149 μV，精度提高了256 倍。