Однокристальный усилитель сигнала термопары с компенсатором холодного спая

Свойства

Предназначен для подключения к термопарам типа J(AD594) или типа K(AD595). Может использоваться с термопарами типа Т. Выходное напряжение при низком выходном сопротивлении: 10 мВ/°С. Встроенный компенсатор точки плавления льда. Широкий интервал напряжений питания: +5В и до ±15В. Низкая мощность: <1 мВт в обычных условиях. Сигнализация разрыва термопары. Лазерная калибровка до точности 1°С. Режим установки операции. Встроенная операция с термометром по Цельсию. Дифференциальный вход высокого сопротивления.

Описание продукта

AD594/AD595 – это совершенный измерительный усилитель и компенсатор холодного спая термопары на монолитной микросхеме. Он сравнивает эталон точки плавления льда с предварительно калиброванным усилителем, чтобы получить выходной сигнал высокого уровня (10 мВ/°С) непосредственно из сигнала термопары. Расположение ножек микросхемы позволяет использовать ее как линейный усилитель-компенсатор или как контроллер с переключаемым выходным сигналом, используя встроенный или удаленный контроль установки. Может использоваться непосредственно для усиления собственного компенсированного напряжения, таким образом превращая его в автономный преобразователь в градусы Цельсия с выходом низкого сопротивления.
AD594/AD595 включает в себя сигнализацию разрыва термопары, которая срабатывает, если на одном или обоих концах термопары разрывается цепь. Выход сигнализации выполнен в универсальной форме, которая включает в себя управление TTL.
AD594/AD595 может питаться напряжением одной полярности (+5В) и напряжением обоих полярностей при необходимости измерения температуры ниже 0°С. Чтобы минимизировать саморазогрев, разгруженный AD594/AD595 обычно потребляет питание 160 мкА, но он также может потреблять ±5 мА в нагруженном состоянии.
AD594 настроен лазером, чтобы соответствовать характеристикам термопары типа J (железо-константан), а AD595 настроен лазером для выходов типа К (хромель-алюмель). Температурные преобразователи напряжения и резисторы переменного сопротивления находятся в комплекте так, чтобы настройка цепи на тип термопары проводилась путем добавления двух или трех резисторов. Эти устройства также позволяют провести более точную настройку при использовании термопар и термометров. AD594/AD595 бывают двух видов С и А; версии имеют точность калибровки ±1°С и ±3°С соответственно. Оба разработаны для использования в температурном интервале от 0°С до +50°С и имеют по 14 ножек, герметически упакованных и легко паяемых припоем DIP.

Интерпретация выходного напряжения устройства AD594/AD595

Для получения пропорционального выходного напряжения в 10 мВ/°С и компенсации эталона спая, соответствующего уровню управляющей схемы, усилитель AD594/AD595 настроен на соответствие выходным характеристикам термопар типа J и K при 25°С. Для типа J выходное напряжение термопары в этом температурном интервале соответствует 51.70 мкВ/°С, в то время, как для типа K – 40.44 мкВ/°С. AD594 усиливает в 193.4 (10 мВ/°С делить на 51.7 мкВ/°С), а AD595 – в 247.3 (10 мВ/°С делить на 40.44 мкВ/°С). Кроме того для абсолютного нуля с выхода компенсатора подается на вход усилителя 16 мкВ для AD594 и 11 мкВ для AD595. компенсационный сигнал возрастает, так как AD594/AD595 настроены на 250 мВ (выходной сигнал, который требуется при температуре подключенной термопары 25°С).
Из-за того, что выходное напряжение термопары не линейно зависит от температуры и AD594/AD595 линейно усиливают компенсированный сигнал, то для определения фактического выходного напряжения следует использовать следующие уравнения:
V(AD594)вых.=(V(тип J)+16мкВ)*193.4
V(AD595)вых.=(V(тип K)+11мкВ)*247.3
После преобразования получим:
V(тип J)=(V(AD594)вых./193.4)-16мкВ
V(тип K)=(V(AD594)вых./247.3)-11мкВ

Подключение одиночного и двойного питания

AD594/AD595 содержит кондиционер термопары. При использовании одного питания +5 В изображенного на схеме (рис.1) можно получить точное напряжение на выходе в зависимости от типа термопары (термопара типа J и типа K в интервале от 0°С до 300°С).
Рис. 1 – Простое подключение одиночного питания Можно использовать любое удобное напряжение от +5 В до +30 В, при этом возникают ошибки, связанные с самонагревом, более низкое значение которой соответствует более низкому уровню напряжения. В случае одиночного питания +5 В подключается на ножку 11, а «земля» - на ножку 7 (для обеспечения питания) и на ножку 4 (общий сигнал). Термопара подключается к ножкам 1 и 14, либо непосредственно в месте измерения, либо через проводники, соответствующие типу термопары. В случае, когда сигнализация не используется, ножку 13 необходимо подключить на «землю». Калиброванный выходной сигнал с ножки 8 вместе с выходом ножки 9 позволяет получить номинальную температурную характеристику в 10 В/°С для передачи.

Рис. 2 – Простое подключение двойного питания При использовании двойного питания в широком интервале напряжений, как показано на рис. 2, AD594/AD595 может измерять температуру и меньше и больше нуля в более широком интервале, чем при использовании одинарного питания. С отрицательным питанием на выходе можно измерять отрицательные температуры и управлять нагрузкой на заземление или нагрузкой обратного положительного напряжения. Увеличение положительного напряжения от 5 до 15 В расширяет уровень выходного напряжения, что позволяет измерять температуру до 750°С для термопары типа J и до 1250°С для термопары типа K.
Напряжение в обычном режиме на входе термопары должно соответствовать пределу обычного режима AD594/AD595 с обратной связью для смешения потоков. В случае, если термопара не заземлена отдельно, тогда рекомендуется связи, показанные на рис. 1 и 2 пунктирной линией. Для подключения этой связи возможно потребуется резистор, чтобы наверняка стабилизировать индуцируемое напряжение в обычном режиме.

Подключение термопары

Изотермическое подключение к терминалу пары выводов термопары происходит путем спайки. Этот спай должен находиться при такой же температуре, как и AD594/AD595, что обеспечивает эффективную внутреннюю компенсацию холодного спая.
Рис. 3 – Плата соединения выходов Схема соединения, обеспечивающая равенство температур – печатная плата соединения выходов показана на рисунке 3. здесь температурная часть чипа AD594/AD595 и печатная плата припаяны к медным дорожкам 1 и 14. в этом случае холодный спай представляет собой медь-константан (или медь-алюмель) и медь-железо (или медь-хромель), оба из них имеют такую же температуру, как и AD594/AD595.
Представленная печатная плата также имеет выводы для расположения резисторов на выходе нагрузки сигнализации, калибровочных резисторов и компенсационного конденсатора для ограничения пропускной способности. Для улучшения контакта перед пайкой необходимо зачистить конци термопары, чтобы убрать слой оксида. Чтобы избежать коррозии спаев для железа, константана, хромели и алюмели необходимо применять флюсы следующего состава: 95% олова – 5% сурьмы, 95% олова - 5% серебра или 90% олова – 10% свинца.

Функциональное описание работы

AD594 действует как два дифференциальных усилителя. Выходные сигналы суммируются и используются для управления повышающим усилителем, как показано на рисунке 4.
Рис. 4 – Блок-схема микрочипов При нормальном режиме работы выходы главного усилителя, на ножке 9, подключены к цепи обратной связи на ножке 8. Сигналы термопары, подключенные к буферу выходного уровня на ножках 1 и 14, усиливаются в блоке G дифференциального усилителя и дальше усиливаются в блоке А главного усилителя. Выход главного усилителя подключен ко второму уровню дифференцирования путем обратной связи. На этом уровне сигнал обратной связи усиливается и тоже подается на вход главного усилителя через суммирующую цепь. Из-за инверсии усилитель в обратной цепи приводит к снижению дифференциального сигнала до маленького значения. Два дифференциальных усилителя G сделаны таким образом, чтобы соответствовать друг другу и иметь одинаковый коэффициент усиления. В результате сигнал обратной связи, который подается на правый дифференциальный усилитель будет в точности соответствовать входному сигналу термопары, когда дифференциальный сигнал был снижен до нуля. Цепь обратной связи настроена таким образом, что эффективное усиление на выходе, на ножках 8 и 9 соответствует напряжению в 10 мВ на °С возбуждения термопары. В добавление к сигналу обратной связи на правый дифференциальный усилитель подается напряжение компенсации холодного спая. Компенсацией является дифференциальное напряжение, пропорциональное температуре чипа по Цельсию. Этот сигнал влияет на дифференциальный вход таким образом, что выходной сигнал усилителя должен регулировать возвратным сигналом входа, который равен напряжению термопары. Компенсационный сигнал подается через встроенные резисторы таким образом, что влияние на главный выход тоже равно 10 мВ/°С. В результате компенсационное напряжение добавляется к эффективному напряжению термопары как сигнал, прямопропорциональный разнице между 0°С и температурой чипа. Если температура холодного спая термопары соответствует температуре AD594/AD595, выходной сигнал чипа будет соответствовать читаемому сигналу, который получен путем усиления сигнала термопары погруженной в ледяную ванну. AD594/AD595 также содержит в себе детектор разрыва цепи входа, который открывает транзистор сигнализации. Этот транзистор фактически является токоограниченным выходным буфером, но в пределе может быть использован как переключающий транзистор для операций включения и выключения внешней сигнализации. Цепь компенсации «ледяной» точки обладает напряжением, позволяющим получить как положительные, так и отрицательные температурные коэффициенты. Эти напряжения могут использоваться вместе с внешними резисторами для изменения точки плавления льда и калибровки AD594/AD595.
Резистор обратной связи подключен таким образом, что значение его сопротивления может быть увеличено последовательным подключением резистора, или уменьшено подключением внешнего резистора на ножках 5 и 9.