3-चैनल थर्मोकपल तापमान माप प्रणाली, 0.25 डिग्री सेल्सियस सर्किट की सटीकता
सर्किट कार्य और फायदे
चित्रा 1 में सर्किट एक बेहद सटीक, मल्टीचैनल थर्मोकपल माप समाधान प्रदान करता है। सटीक थर्मोकपल मापन के लिए सटीक घटकों के उपयोग की आवश्यकता होती है ताकि एक सिग्नल श्रृंखला बन सके जो कमजोर थर्मोकपल वोल्टेज को बढ़ाता है, शोर को कम करता है, गैर-रैखिकताओं को सही करता है, और सटीक संदर्भ जंक्शन मुआवजा प्रदान करता है (आमतौर पर कोल्ड जंक्शन क्षतिपूर्ति के रूप में संदर्भित)। यह सर्किट थर्मोकपल तापमान माप में इन सभी समस्याओं को हल करता है और इसमें 0.25 डिग्री सेल्सियस ± की सटीकता है।
चित्रा 1 में सर्किट थर्मोकपल वोल्टेज को मापने के लिए AD7793 सटीक 24-बिट सिग्मा-डेल्टा एनालॉग-टू-डिजिटल कनवर्टर (एडीसी) के लिए तीन कश्मीर-प्रकार थर्मोकपल का कनेक्शन दिखाता है। चूंकि एक थर्मोकपल एक पूर्ण तापमान माप उपकरण के बजाय एक अंतर उपकरण है, इसलिए आपको सटीक पूर्ण तापमान रीडिंग प्राप्त करने के लिए संदर्भ जंक्शन तापमान को जानना होगा। इस प्रक्रिया को संदर्भ जंक्शन क्षतिपूर्ति के रूप में जाना जाता है और आमतौर पर कोल्ड जंक्शन मुआवजे के रूप में जाना जाता है। इस सर्किट में, ADT7320 सटीक 16-बिट डिजिटल तापमान सेंसर का उपयोग कोल्ड जंक्शन संदर्भ माप के लिए किया जाता है और आवश्यक सटीकता प्रदान करता है।
इस प्रकार का आवेदन सटीक तापमान मापन के लिए बहुत लोकप्रिय है जिसे थर्मोकपल द्वारा प्रदान की जाने वाली विस्तृत तापमान सीमा पर लागत प्रभावी होने की आवश्यकता होती है।
चित्रा 1 में सर्किट थर्मोकपल वोल्टेज को मापने के लिए AD7793 सटीक 24-बिट सिग्मा-डेल्टा एनालॉग-टू-डिजिटल कनवर्टर (एडीसी) के लिए तीन कश्मीर-प्रकार थर्मोकपल का कनेक्शन दिखाता है। चूंकि एक थर्मोकपल एक पूर्ण तापमान माप उपकरण के बजाय एक अंतर उपकरण है, इसलिए आपको सटीक पूर्ण तापमान रीडिंग प्राप्त करने के लिए संदर्भ जंक्शन तापमान को जानना होगा। इस प्रक्रिया को संदर्भ जंक्शन क्षतिपूर्ति के रूप में जाना जाता है और आमतौर पर कोल्ड जंक्शन मुआवजे के रूप में जाना जाता है। इस सर्किट में, ADT7320 सटीक 16-बिट डिजिटल तापमान सेंसर का उपयोग कोल्ड जंक्शन संदर्भ माप के लिए किया जाता है और आवश्यक सटीकता प्रदान करता है।
इस प्रकार का आवेदन सटीक तापमान मापन के लिए बहुत लोकप्रिय है जिसे थर्मोकपल द्वारा प्रदान की जाने वाली विस्तृत तापमान सीमा पर लागत प्रभावी होने की आवश्यकता होती है।
चित्रा 1. मल्टीचैनल थर्मोकपल माप प्रणाली (योजनाबद्ध आरेख: सभी कनेक्शनों और वियुग्मन के लिए नहीं दिखाया गया है)
सर्किट विवरण
चित्रा 1 में सर्किट एडीटी 7320, एक ± 0.25 डिग्री सेल्सियस सटीक, 16-बिट एसपीआई तापमान सेंसर का उपयोग करके तीन K-प्रकार थर्मोकपल के एक साथ माप के लिए डिज़ाइन किया गया है।
थर्मोकपल वोल्टेज माप
थर्मोकपल कनेक्टर और फिल्टर थर्मोकपल और AD7793 एडीसी के बीच इंटरफेस के रूप में उपयोग किया जाता है। प्रत्येक कनेक्टर (J1, J2, और J3) सीधे अंतर एडीसी आदानों के एक सेट से जुड़ा हुआ है। AD7793 इनपुट पर फिल्टर किसी भी थर्मोकपल पिन पर आरोपित शोर को कम कर देता है इससे पहले कि सिग्नल एडीसी के AIN (+) और AIN (-) इनपुट तक पहुंचता है । AD7793 थर्मोकपल जंक्शनों से छोटे वोल्टेज संकेतों को बढ़ाने के लिए एक ऑन-चिप मल्टीप्लेक्सर, एक बफर और एक इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर को एकीकृत करता है।
कोल्ड जंक्शन माप
एडीटी 7320 सटीक 16-बिट डिजिटल तापमान सेंसर संदर्भ जंक्शन तापमान (कोल्ड जंक्शन) ± को -20 डिग्री सेल्सियस से + 105 डिग्री सेल्सियस तापमान सीमा पर 0.25 डिग्री सेल्सियस की सटीकता के साथ मापता है। ADT7320 पूरी तरह से कारखाने अंशांकित है और कोई उपयोगकर्ता अंशांकन की आवश्यकता है । इसमें 0.0078 डिग्री सेल्सियस के संकल्प के साथ तापमान माप और डिजिटल रूपांतरण के लिए एक बैंडगैप तापमान संदर्भ, एक तापमान सेंसर और 16-बिट सिग्मा-डेल्टा एडीसी शामिल है।
AD7793 और ADT7320 दोनों सिस्टम प्रदर्शन मंच (EVAL-SDP-CB1Z) का उपयोग कर एसपीआई इंटरफेस द्वारा नियंत्रित कर रहे हैं । इसके अलावा इन दोनों डिवाइस को माइक्रोकंट्रोलर से भी कंट्रोल किया जा सकता है।
चित्रा 2। EVAL-CN0172-SDPZ सर्किट मूल्यांकन बोर्ड
चित्रा 2 तीन कश्मीर प्रकार थर्मोकपल कनेक्टर्स के साथ एक EVAL-CN0172-SDPZ सर्किट मूल्यांकन बोर्ड से पता चलता है । AD7793 एडीसी, और ADT7320 तापमान सेंसर संदर्भ तापमान पर एक व्यक्ति लचीला मुद्रित सर्किट बोर्ड (पीसीबी) के दो तांबे के संपर्कों के बीच मुहिम शुरू कर रहे हैं ।
चित्रा 3 एक अलग लचीला पीसीबी पर घुड़सवार ADT7320 का एक पक्ष दृश्य है, थर्मोकपल कनेक्टर के दो तांबे के संपर्कों के बीच डाला । चित्रा 3 में लचीला पीसीबी पतले और छोटे FR4 पीसीबी की तुलना में अधिक लचीला है । यह संदर्भ जंक्शन और एडीटी 7320 के बीच तापमान ढाल को कम करने के लिए थर्मोकपल कनेक्टर के तांबे के संपर्कों के बीच चतुराई से घुड़सवार होने की अनुमति देता है।
चित्र 3। ADT7320 के पक्ष दृश्य एक लचीला पीसीबी पर घुड़सवार
छोटे, पतले लचीले पीसीबी भी ADT7320 को संदर्भ जंक्शन में तापमान परिवर्तन का जवाब देने में सक्षम बनाता है। चित्रा 4 ADT7320 के ठेठ थर्मल रिस्पांस टाइम को दिखाता है।
चित्र 4. ADT7320 ठेठ थर्मल रिस्पांस टाइम
समाधान अधिक लचीला है, जिससे अन्य प्रकार के थर्मोकपल्स जैसे जे-टाइप या टी-प्रकार का उपयोग होता है। इस सर्किट नोट में, कश्मीर-प्रकार की पसंद को ध्यान में रखा जाता है। चयनित वास्तविक थर्मोकपल में एक नंगे टिप है। माप जंक्शन जांच दीवार के बाहर स्थित है और लक्ष्य माध्यम के संपर्क में है।
नंगे टिप का उपयोग करने का लाभ यह है कि यह सबसे तेज प्रतिक्रिया समय, कम लागत और हल्के वजन के साथ सबसे अच्छा थर्मल चालकता प्रदान करता है। नकारात्मक पक्ष यांत्रिक क्षति और जंग के लिए संवेदनशीलता है। इसलिए, कठोर वातावरण के लिए उपयुक्त नहीं है। हालांकि, जब इस मौके के फास्ट रिस्पॉन्स टाइम की जरूरत होती है, तो एक्सपोज टिप सबसे अच्छा विकल्प होता है । यदि औद्योगिक वातावरण में एक उजागर टिप का उपयोग किया जाता है, तो सिग्नल श्रृंखला को विद्युत रूप से अलग करने की आवश्यकता हो सकती है। इस उद्देश्य के लिए डिजिटल आइसोलेटर का उपयोग किया जा सकता है (www.analog.com/icoupler देखें)।
पारंपरिक थर्मिस्टर या प्रतिरोधी तापमान डिटेक्टरों (RTDs) के विपरीत, ADT7320 एक पूरी तरह से प्लग-एंड-प्ले समाधान है जो बोर्ड असेंबली के बाद बहु-बिंदु अंशांकन की आवश्यकता को समाप्त करता है और प्रोसेसर या मेमोरी संसाधनों की खपत करने वाले कोई अंशांकन या रैखिकीकरण कार्यक्रम नहीं है। 3.3 वी आपूर्ति पर संचालित होने पर केवल 700μW की इसकी विशिष्ट बिजली खपत आत्म-हीटिंग समस्या से बचती है जो पारंपरिक प्रतिरोधी सेंसर समाधानों की सटीकता को कम करती है।
सटीक तापमान माप गाइड
निम्नलिखित दिशानिर्देश यह सुनिश्चित करते हैं कि एडीटी 7320 संदर्भ जंक्शन तापमान को सही ढंग से मापता है।
बिजली आपूर्ति: यदि एडीटी 7320 को स्विच-मोड बिजली आपूर्ति से संचालित किया जाता है, तो 50 किलोहर्ट्ज से अधिक शोर का उत्पादन किया जा सकता है, जिससे तापमान सटीकता प्रभावित होती है। इस खराबी को रोकने के लिए बिजली सप्लाई और वीडीडी के बीच आरसी फिल्टर का इस्तेमाल करें। उपयोग किए गए घटक मूल्यों को ध्यान से यह सुनिश्चित करने के लिए विचार किया जाना चाहिए कि आपूर्ति शोर चोटियों 1 एमवी से कम हैं
Decoupling: ADT7320 एक decoupling कैपेसिटर के रूप में संभव के रूप में वीडीडी के करीब रखा जाना चाहिए सटीक तापमान माप सुनिश्चित करने के लिए । 0.1μF उच्च आवृत्ति सिरेमिक प्रकार जैसे एक डियूपलिंग कैपेसिटर की सिफारिश की जाती है। इसके अलावा, एक कम आवृत्ति डियूपलिंग कैपेसिटर का उपयोग उच्च आवृत्ति सिरेमिक कैपेसिटर के समानांतर किया जाना चाहिए, जैसे कि 10μF से 50μF टैंटलम कैपेसिटर।
अधिकतम गर्मी चालन: प्लास्टिक पैकेज और बैकसाइड (जीएनडी) पर उजागर पैड संदर्भ जंक्शन से एडीटी 7320 तक प्राथमिक थर्मल चालन पथ हैं। चूंकि कॉपर कॉन्टैक्ट्स एडीसी इनपुट्स से जुड़े होते हैं, इसलिए बैक साइड पर लगे पैड्स को इस एप्लीकेशन में कनेक्ट नहीं किया जा सकता क्योंकि ऐसा करने से एडीसी इनपुट पूर्वाग्रह को प्रभावित कर सकते हैं।
सटीक वोल्टेज माप गाइड
निम्नलिखित दिशानिर्देश यह सुनिश्चित करते हैं कि AD7793 थर्मोकपल द्वारा मापा गया जंक्शन वोल्टेज को सही तरीके से मापता है।
Decoupling: AD7793 सटीक वोल्टेज माप सुनिश्चित करने के लिए संभव के रूप में AVDD और डीवीडीडी के करीब के रूप में रखा एक decoupling कैपेसिटर होना चाहिए । एवीडीडी को 10 माइक्रोन टैंटलम कैपेसिटर के साथ समानांतर में 0.1 माइक्रोन सिरेमिक कैपेसिटर को जोड़कर जीएनडी में अलग किया जाना चाहिए। इसके अलावा, डीवीडीडी को जीएनडी को डीकपल करने के लिए 10 माइक्रोन टैंटलम कैपेसिटर के साथ समानांतर में 0.1 माइक्रोन सिरेमिक कैपेसिटर को जोड़ा जाना चाहिए। ग्राउंडिंग, लेआउट और डियुपलिंग तकनीकों की अधिक चर्चा के लिए, ट्यूटोरियल एमटी-031 और ट्यूटोरियल एमटी-101 को देखें
फ़िल्टरिंग: AD7793 के अंतर इनपुट का उपयोग थर्मोकपल लाइनों पर सबसे आम-मोड शोर को खत्म करने के लिए किया जाता है। उदाहरण के लिए, AD7793 के सामने के छोर पर R1, R2, और C3, जो अंतर कम-पास फ़िल्टर बनाते हैं, थर्मोकपल पिन पर संभावित आरोपित शोर को समाप्त करता है। C1 और C2 कैपेसिटर अतिरिक्त सामान्य मोड फ़िल्टरिंग प्रदान करते हैं। चूंकि इनपुट एडीसी के एआईआईएन (+) और एईएन (-) एना अंतर इनपुट हैं, इसलिए एनालॉग मॉड्यूलर में अधिकांश वोल्टेज सामान्य-मोड वोल्टेज हैं। AD7793 के उत्कृष्ट आम मोड अस्वीकृति (100 डीबी मिनट) आगे इन इनपुट संकेतों में आम मोड शोर समाप्त।
अन्य समस्याओं को हल करने के लिए कार्यक्रम
निम्नलिखित संक्षेप में संक्षेप में बताता है कि यह समाधान पहले उल्लिखित अन्य थर्मोकपल से संबंधित चुनौतियों को कैसे संबोधित करता है।
थर्मोकपल वोल्टेज प्रवर्धन: थर्मोकपल आउटपुट वोल्टेज जिसमें तापमान में परिवर्तन केवल कुछ माइक्रोन प्रति डिग्री की सीमा में होता है। इस उदाहरण में उपयोग किए जाने वाले सामान्य प्रकार के थर्मोकपल में 41 माइक्रोन/डिग्री सेल्सियस का अलग-अलग आयाम है। इस कमजोर सिग्नल के लिए एडीसी कन्वर्जन से पहले ज्यादा गेन स्टेज की जरूरत होती है। AD7793 आंतरिक प्रोग्राम योग्य लाभ एम्पलीफायर (पीजीए) अधिकतम 128 का लाभ प्रदान करता है। इस समाधान में लाभ 16 है, जिससे AD7793 को आंतरिक संदर्भ के साथ आंतरिक पूर्ण पैमाने पर अंशांकन कार्य चलाने की अनुमति मिली।
थर्मोकपल नॉनलाइनेरिटी सुधार: AD7793 उपयोगकर्ता अंशांकन या अंशांकन के बिना एक विस्तृत तापमान सीमा (-40 डिग्री सेल्सियस से + 105 डिग्री सेल्सियस) पर उत्कृष्ट रैखिकता प्रदान करता है। वास्तविक थर्मोकपल तापमान निर्धारित करने के लिए, आपको संदर्भ तापमान माप को समकक्ष थर्मोइलेक्ट्रिक वोल्टेज में बदलने के लिए राष्ट्रीय मानक और प्रौद्योगिकी संस्थान (एनआईएसटी) द्वारा प्रदान किए गए सूत्र का उपयोग करना होगा। इस वोल्टेज को AD7793 द्वारा मापा गया थर्मोकपल वोल्टेज में जोड़ा जाता है और फिर एनआईएस्ट फॉर्मूले का उपयोग करके थर्मोकपल तापमान में वापस परिवर्तित कर दिया जाता है। एक अन्य दृष्टिकोण में लुकअप टेबल का उपयोग शामिल है। हालांकि, एक ही सटीक प्राप्त करने के लिए, लुकअप टेबल का आकार काफी भिन्न हो सकता है, मेजबान नियंत्रक को इसके लिए अतिरिक्त भंडारण संसाधन आवंटित करने की आवश्यकता होती है। सभी प्रसंस्करण EVAL-SDP-CB1Z के माध्यम से सॉफ्टवेयर में किया जाता है। EVAL-SDP-CB1Z सॉफ्टवेयर में किया जाता है।
सामान्य परिवर्तन
कम सटीकता की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों के लिए, AD7792 16-बिट Σ-एडीसी का उपयोग AD7793 24-बिट Σ-एडीसी के बजाय किया जा सकता है। संदर्भ तापमान मापन के लिए, ± 0.5 डिग्री सेल्सियस सटीकता के साथ एक एडीटी 7310 डिजिटल तापमान सेंसर का उपयोग ± 0.25 डिग्री सेल्सियस सटीकता ADT7320 दोनों एडी 7792 और एडीटी 7310 एसपीआई इंटरफेस को एकीकृत करने के बजाय किया जा सकता है
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