為熱電偶應(yīng)用選擇合適的儀表放大器

熱電偶的多功能性、寬泛的工作溫度范圍和低成本使其成為富有吸引力的溫度測(cè)量解決方案，但是它們的低輸出電壓和遠(yuǎn)端使用方式常常使溫度測(cè)量復(fù)雜化。通過(guò)了解典型的測(cè)量缺陷，工程師們?cè)跒闊犭娕荚O(shè)計(jì)挑選儀表放大器時(shí)可以做出更好的選擇。

熱電偶的溫度是通過(guò)測(cè)量?jī)煞N異金屬接合點(diǎn)所產(chǎn)生的電壓來(lái)得出的。這個(gè)電壓被稱(chēng)為Seebeck電壓，對(duì)于K型熱電偶來(lái)說(shuō)，溫度每變化1℃，該電壓就改變40微伏。這個(gè)小輸入信號(hào)如果與儀表放大器的偏移及增益誤差處于同一個(gè)數(shù)量級(jí)，那么就可能丟失。在整個(gè)溫度范圍內(nèi)對(duì)偏移及增益進(jìn)行校準(zhǔn)是困難的，所以?xún)x表放大器必須具有低偏移漂移和低增益漂移。

為了說(shuō)明低偏移漂移的重要性，我們來(lái)看看用K型熱電偶測(cè)量一個(gè)油庫(kù)溫度梯度的情況。對(duì)于一個(gè)具有8微伏/℃的偏移漂移特性的放大器來(lái)說(shuō)，周?chē)h(huán)境溫度改變20℃就可能引起一個(gè)4℃的測(cè)量誤差。不幸的是，該偏移漂移無(wú)法與正常的測(cè)量信號(hào)分開(kāi)。

“零漂移”儀表放大器采用自動(dòng)歸零或斬波技術(shù)以使偏移漂移小化，因而很適合用于熱電偶測(cè)量。先進(jìn)的器件目前提供10微伏的超低偏移和50納伏/℃的偏移漂移特性。這個(gè)漂移比J型熱電偶產(chǎn)生的51微伏/℃的Seebeck電壓低三個(gè)數(shù)量級(jí)。

不幸的是，增益漂移無(wú)法與測(cè)量信號(hào)區(qū)分開(kāi)來(lái)。它很隱蔽，因?yàn)?00或200以上的增益常常用于熱電偶測(cè)量。增益設(shè)定方法決定了增益漂移受控的嚴(yán)格程度。

放大器增益一般由以下三種方式之一來(lái)設(shè)定：采用匹配的內(nèi)部電阻;匹配的外部電阻;一個(gè)外部電阻與一個(gè)或多個(gè)內(nèi)部電阻共同設(shè)定一個(gè)比率。后一種方法的增益漂移將是高的，因?yàn)橥獠侩娮璧臏囟认禂?shù)無(wú)法和內(nèi)部電阻的相匹配。

靠選擇內(nèi)部電阻來(lái)改變?cè)鲆娴姆糯笃骰蚴悄切┰试S用戶提供外部匹配電阻的放大器具有低得多的增益漂移。因而，可以通過(guò)選擇由匹配電阻設(shè)定增益的儀表放大器來(lái)使增益漂移小化。

共模電壓是一個(gè)經(jīng)常被忽略的因素。被測(cè)對(duì)象可能被放置在與儀器相隔幾米的地方。不幸的是，長(zhǎng)長(zhǎng)的熱電偶導(dǎo)線拾取了不需要的信號(hào)。例如，來(lái)自電機(jī)線圈的互感可能在一個(gè)熱電偶上產(chǎn)生高達(dá)5V的共模電壓。儀表放大器必須能夠適應(yīng)這種大的共模輸入電壓擺幅。

盡管在某一個(gè)溫度下校準(zhǔn)系統(tǒng)誤差是簡(jiǎn)單的，但在產(chǎn)品的整個(gè)溫度范圍內(nèi)校準(zhǔn)很困難的。偏移漂移和增益漂移尤其麻煩，而且共模電壓不應(yīng)被忽略。因此在為熱電偶應(yīng)用選擇儀表放大器時(shí)，要選擇能夠克服這些典型缺陷的放大器。