Усилитель сигнала термопары



Данная статья посвящена разработке устройства усиления сигнала термопары.

Ключевые слова: термопара, терморегулировка, нихромовая спираль.

Помимо задачи контроля температуры бывает необходимо обеспечить ее регулирование или поддержание на каком-либо заданном уровне. Поэтому становится важным обеспечить согласование блока измерения температуры и нагревателя, в качестве которого может использоваться нихромовая спираль. Для работы нагревателя нужно усилить сигнал с блока измерения по мощности, поэтому в состав устройства терморегулирования входит также усилитель мощности.

В данной статье рассматриваются различного рода термопары, которые часто являются основным видом датчиков температуры. Разрабатывается усилитель сигнала термопары и усилитель мощности для управления нагревательным элементом.

Электрическая схема блока измерения температуры и блока нагрева показаны на рисунках 1 и 2. Рассмотрим их по отдельности.

Термопары типа S — наиболее широкодиапазонные и стабильные, поэтому они получили широкое распространение [1]. Однако им присущ серьезный недостаток: крайне малый коэффициент преобразования, всего 5,88 мкВ/°С при 20°С (у термопары типа J — 51,45 мкВ/°С, типа К — 40,28 мкВ/°С). Поэтому при не очень больших температурах (менее 500°С) вырабатываемый ими сигнал крайне мал. Усилитель должен хорошо подавлять 50-герцовый сигнал и иметь стабильное дифференциальное усиление. Его входное сопротивление должно быть достаточно высоким (более 10 кОм).

Рис. 1. Блок измерения температуры

Мы разработали схему (Рис 1), которая позволяет решить указанные проблемы. Она представлена в виде дифференциального усилителя с Т-образной цепью обратной связи, который имеет достаточно высокий коэффициент усиления по напряжению (200) и достаточно большое входное сопротивление. В качестве операционного усилителя лучше всего применить прецизионный усилитель с крайне малым смещением (менее 10 мкВ) и столь же малым температурным дрейфом (меньше 100 нВ/°С). К таким усилителям относятся LTC1050, LTC1052 фирмы Linear Technology, ICL7650, ICL7652 фирм Intersil и Maxim, а также AD8551 от Analog Devices. Питающее напряжение (от +U_ПИТ до -U_ПИТ) данного усилителя 12 В.

Шунтирующие конденсаторы на входе усилителя ослабляют ВЧ-радиопомехи (поскольку у соединительных проводов термопар достаточно большая длина).

Микросхема AD590 которая находится в тепловом контакте с опорным спаем, используется в качестве датчика температуры, вырабатывая ток, пропорциональный ее абсолютной температуре (1 мкА/°С). Температуре 0°С соответствует абсолютная температура 273 К, и следовательно, AD590 выработает ток 273 мкА; температуре 25°С — соответственно 298 К и 298 мкА, и т. д.

Так как основной усилитель DA2 имеет коэффициент усиления 200, то компенсирующее напряжение, вырабатываемое усилителем DA1, должно составлять 200 • 5,88 = 1,176 мВ/°С. Это обеспечивается включением в обратную связь DA1 резистора сопротивлением 1,176 кОм.

Если опорный спай находится при температуре 0°С, на выходе DA1 должно присутствовать нулевое напряжение, так как при нулевой температуре опорного спая коррекция не нужна. Однако AD590 в этом случае вырабатывает ток 273 мкА, который, проходя через резистор сопротивлением 1,176 кОм, создает на нем падение напряжения 0,321 В. Для того чтобы скомпенсировать этот сигнал, на неинвертирующий вход DA1 подается напряжение с делителя напряжения R2-R4, формирующего совместно с прецизионным стабилитроном VD1 (LM336Z-2.5) требуемое напряжение. Точная регулировка осуществляется подстроечным резистором R4.

При использовании термопар других типов необходимо пересчитать значение сопротивления R5 и корректирующего напряжения на неинвертирующем входе DA1, что может потребовать применения более высоковольтного источника опорного напряжения.

Основой блока нагревателя служит нагревательный элемент в качестве которого используется нихромовая спираль, а сам блок представляет собой усилитель мощности постоянного тока. Управляющее напряжение поступает с выхода блока измерения температуры и поступает на вход усилителя, где усиливается по мощности и затем подается на нагревательный элемент. Таким образом, напряжение на нагревательном элементе и мощность, рассеиваемая им (температура нагрева спирали) зависит от управляющего напряжения. Усилитель мощности собран по типовой схеме. Входная часть собрана по схеме дифференциального усилителя (DA1), у которого один вход подключен к общему проводу. Выходная часть собрана по схеме бустера напряжения на транзисторах VT1-VT6.

Выходное напряжение усилителя может изменяться в пределах от +16 В до –16 В.

Рис. 2. Схема блока нагрева

Данный электронный блок является законченным и может работать как самостоятельно в качестве регулятора температуры, так и в составе электронной системы, где требуется термостатирование или терморегулировка.

Литература:

1. ГОСТ Р 8.585–2001. ГСИ. Термопары Номинальные статические характеристики.