熱電対シグナルコンディショナと冷接点付近のシグナルコンディショニング

このシリーズの前に、モノリシック熱電対信号調整器の動作原理について説明しました。 この記事では、さらに議論を進め、熱電対アプリケーションの他のオプション、つまり AD594/AD595、MAX6675、および ADS1220 を検討します。 前の記事の基本概念の一部は、ここで説明する熱電対コンディショナーにも当てはまります。 たとえば、これらの信号調整器はすべて、熱電対の冷接点の近くに配置する必要があります。 ただし、一部の機能はデバイス固有である場合があります。

簡潔にするために、これらの各デバイスの主な機能に主に焦点を当てて説明します。

AD594/AD595 は、アンプと冷接点補償器を 1 つのパッケージに統合した完全な熱電対信号調整器です。 図 1 に、デバイスの機能ブロック図と基本的な単電源接続を示します。

回路の基本部分は、右側の差動アンプ (ゲイン G)、メイン アンプ (+A)、およびピン 8 と 5 の間の内部抵抗によって作成されるフィードバック ループです。左側の差動ペアは、熱電対電圧を検出し、それをフィードバック ループの加算ノードに適用します。 「Ice Point Comp」ブロックは冷接点補償 (CJC) 電圧を生成し、それを右側の差動ペアを介して熱電対ループに追加します。

この回路の動作の詳細については、AD594/AD595 データシートを参照してください。 これらの詳細についてはこれ以上説明しませんが、最終的には、デバイスは熱電対に直接接続し、冷接点補償と増幅を実行し、10 mV/°C の出力を生成するように設計されています。 たとえば、タイプ J 熱電対を AD594 に接続すると、熱接点が 50 °C の場合、出力は約 500 mV になります。

AD594 と AD595 は、それぞれタイプ J とタイプ K の熱電対の特性曲線に一致するように、レーザー ウェーハ トリミングによって事前に校正されていることに注意してください。

前回の記事では、熱電対シグナルコンディショナーでもある AD849x が、シングルレール電源で電力供給されている場合でも負の温度を測定できることについて説明しました。 AD849x とは異なり、AD594/AD595 は 0 °C 未満の温度を測定するためにデュアル レール電源を必要とします。

AD594/AD595 の興味深い特徴の 1 つは、内部回路の特定の重要なノードがパッケージ ピンで利用できることです。 たとえば、ピン 8 はデバイスの内部フィードバック パスに接続されます。 また、右側の差動アンプに印加される CJC 電圧は、ピン 3 と 5 で利用できます。これらのノードをパッケージのピンで利用できるようにすることで、アプリケーションに応じて調整できる、より柔軟な信号コンディショナを使用できるようになります。要件。

それを念頭に置いて、帰還抵抗へのアクセスが実際にどのように使用できるかを見てみましょう。 図 1 に示すように、通常の動作条件では、ピン 9 と 8 は接続されています。 これにより、アンプの出力がデバイスのゲインを設定する内部帰還抵抗に接続されます。 内部フィードバック ネットワークは、10 mV/°C の出力を生成するように工場出荷時に校正されています。 ただし、ゲインを調整するために、ピン 9 と 5 の間に追加の抵抗を配置できます。この外部抵抗は内部帰還抵抗と並列になり、アンプのゲインを調整できます。 ピン 9 と 8 の間の接続を外すことで、内部抵抗を外部抵抗に置き換えることもできます。

図 2 は、フィードバック抵抗を調整することによるゲイン校正を示しています。

上の図は、AD594/AD595 を使用して、華氏スケール (10 mV/°F) の温度に比例する出力を生成する方法を示しています。 次に、温度スケール変換のための次の式を考えてみましょう。

\[度\,華氏=\frac{9}{5}(度\,摂氏)+32\]

この式から、出力が 10 mV/°F で変化するようにするには、ゲインを \(\frac{9}{5}\) だけ増やす必要がある (また、適切なオフセット値を追加する) 必要があることが確認できます。工場出荷時の校正値 10 mV/°C よりも高くなります。

つまり、\(10\times\frac{9}{5}=18 mV/°C\) の出力になるように帰還抵抗を調整する必要があります。

上の図では、ピン 9 と 8 の間にトリミング ポテンショメータを配置することでこれを実現しています。タイプ J 熱電対の場合、室温感度は 51.7 μV/°C です。 したがって、AD594 のゲインは次のように求められます。

\[Gain_{New}=\frac{18 mV/°C}{51.7 μV/°C}=348.16\]

このアプリケーション ノートで説明したように、AC 信号 VTest をピン 1 と 14 に適用し、出力で VTest ⨉ GainNew が得られるまで RGain を調整できます。

AD594/AD595 の出力にオフセットを追加することも可能です。 オフセット キャリブレーションを実行する 1 つの方法を図 3 に示します。

これは、デバイスの残留キャリブレーション誤差をトリミングする場合に特に役立ちます。 AD594/AD595 は、デバイスの性能グレードに応じて、最大キャリブレーション誤差が 1°C または 3°C になるようにトリミングされたレーザー ウェーハです。 要求の厳しいアプリケーションでは、上の図を使用してこの残留誤差を取り除くことができます。 15 MΩ の抵抗は、右側の差動アンプの反転入力の電位をわずかに増加させます。 これにより、回路には約 -3 °C の負のオフセットが強制されます。 次に、「強制」負のオフセットは、差動アンプの非反転入力に接続された抵抗ネットワークを通じて校正されます。 この校正スキームにより、単一の一方向トリムを使用して誤差をゼロにすることができます。 図 2 に、オフセット キャリブレーションの別の例を示します。

ゲインとオフセットの微調整に加えて、内部冷接点補償器の温度係数を調整することができます。 これにより、AD594/AD595 を他のタイプの熱電対と一緒に使用できるようになります。 たとえば、データシートでは、工場出荷時にタイプ J 熱電対用に校正されている AD594 を、E タイプ熱電対を調整するために再校正する方法について説明しています。

熱電対信号調整用のもう 1 つのオプションは MAX6675 です。その機能ブロック図を以下に示します。

MAX6675は、12ビットADC(アナログ-デジタルコンバータ)と冷接点補償器を単一のパッケージに統合しています。 図 5 に示すように、タイプ K 熱電対に直接接続できます。

このデバイスは、0 °C ～ 1024 °C の広範囲の熱接点温度を測定できます (負の温度は測定できないことに注意してください)。 MAX6675の冷接点温度または動作温度は、-20℃～+85℃の範囲内である必要があります。

図 4 に示すように、CJC 信号と熱電対出力の両方が ADC によってデジタル化されます。 デバイスはこの情報を使用して CJC を実行し、結果を読み出します (つまり、温度は 12 ビット値として SO ピンに測定されます)。 すべて 0 のシーケンスは 0 °C に対応し、すべて 1 のシーケンスは熱電対が +1023.75 °C であることを意味します。

3 番目の熱電対コンディショナーのオプションとして、統合型冷接点補償器を備えたデバイスを使用するのではなく、内部高精度温度センサーを含む ADC を使用することもできることについて言及したいと思います。 ADS1220 を使用した図の例を図 6 に示します。

ADS1220 は、CJC 目的でデバイスの温度を測定するために使用できる高精度温度センサーを備えた 24 ビット ADC です。 ADS1220 は冷接点補償を自動的に実行できません。 ただし、ADC に続くプロセッサで実行することもできます。 たとえば、精度が限られているため、または冷接点の近くに ADC を配置できないため、内部温度センサーを使用できない場合は、RTD またはサーミスターを使用して冷接点温度を測定できます。 ただし、これにより、ADC からの追加の入力チャネルが消費されます。

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