Как построить усилитель термопары

Термопара — отличный способ измерения температуры. Воздействие изменения температуры на разнородные металлы создает измеримое напряжение. Но для проведения этого измерения вам понадобится схема усилителя, предназначенная для используемой термопары.

Исследуя «Усилители с нулевым дрейфом» в продолжение моего видео об инструментальных усилителях, я заметил небольшую схему на первой странице таблицы данных LTC1049, которая показана здесь. Я подумал, что это идеальный пример аналогового приложения, где требуется некоторый коэффициент усиления и некоторый «помощник по усилению» для выполнения нашего небольшого полезного приложения по усилению зонда термопары.

В видео я особо не говорю о самих термопарах, кроме того типа, который я вижу большую часть времени, а именно типа K. Если вы еще не знакомы с конструкцией этих датчиков, вы можете найти информативную статью. о термопарах и их различных типах на странице Википедии, а также вы можете ознакомиться с примечанием к приложению Analog Devices, если хотите узнать больше. Я расскажу о надежном и точном способе считывания данных с этих зондов, который можно увидеть на видео ниже и в остальной части статьи после перерыва.

Различные датчики термопар имеют разные температурные коэффициенты, что означает, что они будут генерировать разное напряжение при одном и том же изменении температуры, обычно указываемом в вольтах на градус Цельсия (В/◦C). Знание температурного коэффициента датчика — это только половина уравнения, нам также необходимо определить нулевую точку, то есть мы устанавливаем калиброванную опорную точку. Применение известной температуры, например погружение датчика в ледяную воду, было бы простым, хотя и неудобным способом установить известную эталонную температуру. По сути, мы могли бы обнулить и оттуда измерить изменение в вольтах на градус Цельсия. Ниже приведен график, показывающий

В качестве альтернативы мы могли бы использовать компенсатор холодного спая (CJC), такой как LT1025, чип, созданный не только для воспроизведения различных температурных коэффициентов различных термопар, но и для обеспечения довольно разумной калибровки.

За кулисами CJC действует как еще одна термопара или термометр и изменяет напряжение, видимое термопарой, которое в нашем случае имеет комнатную температуру, а также корректирует некоторые другие нелинейности. Когда термопара приводится в действие CJC, выходной сигнал термопары становится достаточно линейным и достаточно откалиброванным.

Для этой быстрой демонстрации я пошел еще дальше и использовал набор микросхем от Linear Technology под названием LTK001 (PDF), который состоит из LT1025 CTC и согласованного усилителя, известного отдельно как LTKA0x. Беглый взгляд на характеристики LTKA0x позволяет понять, почему он работает в этом приложении: он имеет высокий коэффициент усиления в разомкнутом контуре, очень низкие входные токи и ошибки входного тока. У компании Analog Devices есть хороший отчет об усилении разомкнутого контура (PDF), в будущем мы сможем больше поговорить о токе смещения и ошибках.

Схема, которую я использовал, находится здесь и представляет собой комбинацию нескольких различных образцов схем. Если бы мне пришлось создавать эту схему в качестве производственного цикла, я думаю, что я бы также включил подстроечный потенциометр (и процедуру калибровки).

Слои печатной платы показаны ниже, и я могу предоставить Gerber-файлы, если кому-то интересно. Нижняя часть представляет собой заливку плоскости земли, поэтому следы земли нелегко обнаружить.

Используя эту схему, вы можете реализовать простой усилитель на термопаре, который должен дать вам достаточно усиления для взаимодействия с вашим любимым контроллером, если он имеет аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Поскольку это значение измеряется в милливольтах на градус Цельсия, вам придется выполнить преобразование в градусы Фаренгейта с помощью программного обеспечения, что должно быть несложно.