0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

适用于PLC/DCS系统的热电偶或RTD输入的电路功能与优势

牵手一起梦 来源:EEWORLD 作者:EEWORLD 2020-01-23 17:52 次阅读

电路功能与优势

图1所示电路提供一个双通道、通道间隔离的热电偶或RTD输入,适用于可编程逻辑控制器PLC)和分布式控制系统DCS)。 该高集成度设计采用低功耗、24位、Σ-Δ型模数转换器ADC),带有丰富的模拟和数字特性,无需额外的信号调理IC

适用于PLC/DCS系统的热电偶或RTD输入的电路功能与优势

图1. PLC/DCS通道间隔离温度输入(原理示意图:未显示去耦和所有连接)

电路描述

24位Σ-Δ型ADC集成可编程增益阵列(PGA)和基准电压源,为灵活地连接热电偶或RTD传感器提供完整的特性组合。

其特性包括片内基准电压源、可编程增益阵列、激励电流、偏置电压发生器以及提供增强50 Hz和60 Hz抑制选项的灵活滤波。 AD7124-4采用5 mm × 5 mm小型LFCSP封装,因而非常适合空间为重要考虑因素的通道间隔离设计。 它还包括多个可供用户使用的诊断功能。

ADuM5010隔离式DC/DC转换器通过集成的isoPower®技术提供3.3 V隔离电源。ADuM1441用于隔离AD7124-4的串行外设接口(SPI)。AD7124-4微功耗隔离器空闲时每通道的功耗仅4.8 μA,能效非常高。ADP2441是36 V降压DC-DC稳压器,采用工业标准24 V电源,具有宽输入电压容差。ADP2441用于将输入电压降至3.3 V,从而为所有控制器侧电路供电。

系统概述

通道间隔离在自动化系统中极具优势,因为特定输入通道的故障不会影响系统中的其它通道。 然而,通道间隔离输入模块给设计提出了重大挑战,具体表现在复杂度、空间限制和系统成本这些方面。

热电偶或RTD输入是工业自动化系统的常用输入,因此,设计一个能够处理两者的温度输入模块很有用。 这种灵活性最大程度地减少了两种输入模块的设计工作,而且为模块用户提供了灵活性。

AD7124-4显著降低了设计复杂度,提供一个片上系统,能够执行热电偶和RTD传感器所需的全部测量功能。

图1所示电路的每个通道大小仅有27 mm x 50 mm,若在印刷电路板(PCB)两面贴放器件,则上述面积可进一步缩小。 之所以能实现如此小的尺寸,是因为AD7124-4采用5 mm × 5 mm小型LFCSP封装,并且集成了几乎所有必需的功能,除了隔离以及附加前端滤波和保护之外。 用于数据和电源隔离的隔离电路仅占用87 mm2,最小合并宽度为12.5 mm。

端子连接

图2显示了两个输入通道各自的端子连接。 这些引脚对应于硬件中的P1和P2(见图1)。 热电偶以及2/3/4线RTD连接如图所示。

适用于PLC/DCS系统的热电偶或RTD输入的电路功能与优势

图2. 前端滤波和电路(简化图)

输入滤波

如图3所示,输入共模噪声滤波由R1、C1和R2、C2实现,截止频率约为50 kHz。 差分噪声滤波由R1、R2和C3实现,截止频率约为2.5 kHz。 务必以Σ-Δ调制器频率(全功率模式下为307 kHz)滤除任何干扰,这点特别重要。 建议调整这些滤波器的截止频率以满足系统带宽要求,共模滤波器的截止频率约为差分滤波器截止频率的10倍。

适用于PLC/DCS系统的热电偶或RTD输入的电路功能与优势

图3. 前端滤波和电路(简化图)

输入保护

为保护输入不受过压状况影响,AD7124-4的每个输入路径上都放置了3 kΩ电阻。 此电阻值将30 V DC过压产生的电流限制在10 mA以下。

考虑30 V电压连接在AIN+和AIN−之间的情况。 从AIN+朝里看,30 V电压看到R1 (3 kΩ),之后是内部ESD保护二极管,再后面是从AIN3朝外看到的3 kΩ电阻与从AIN4朝外看到的3 kΩ电阻并联。 忽略内部ESD保护二极管,AIN+与AIN−之间的总电阻为3 kΩ + 3 kΩ||3 kΩ = 4.5 kΩ。 因此,流经AD7124-4的电流限值为30 V ÷ 4.5 kΩ = 6.7 mA。

RTD输入

图1所示电路可连接到2线、3线或4线RTD。 最大可测量3.92 kΩ电阻,因此它适用于Pt100和Pt1000 RTD。 使用电流激励,电阻测量为RTD与3.92 kΩ精密基准电阻(RREF)之间的比率式测量结果。 如图3所示,RTD测量在AIN1和AIN3之间进行,REFIN1+和REFIN1−用作测量的基准输入。 激励电流设置如下:

2线模式: 仅AIN0上的激励有效,设置为250 μA。

3线模式: AIN0和AIN4上的激励电流均有效,各设置为100 μA。

4线模式: 仅AIN0上的激励有效,设置为250 μA。

使用高端电流检测技术。 对于较低的RTD引线电阻值,此技术可降低3线模式下电流失配的影响。 有关3线RTD配置的更多信息,参见电路笔记CN-0383。

基准电阻(RREF)选择为3.92 kΩ,最高支持850°C的Pt1000 RTD测量(850°C时RTD电阻为3.9048 kΩ)。 RREF的值必须根据RTD的最大预期电阻来选择。 RREF电阻的精度直接影响测量精度,因此,必须使用精密、低漂移电阻。

4线模式下,激励电流必须设置为250 µA,3线模式下设置为100 µA。 对于4线模式,假设RTD值为3.92 kΩ。 来自AIN0的激励电流流经RREF + RRTD + RRETURN = 3.92 kΩ + 3.92 kΩ + 3 kΩ = 10.84 kΩ。 因此,AIN0处的电压等于250 µA × 10.84 kΩ = 2.71 V。AD7124-4指定激励电流输出端的输出顺从电压为AVDD − 0.35 V,即3.3 V – 0.35 V = 2.95 V。 因为2.95 V 》 2.71 V,所以即使对于最大RTD电阻,250 µA激励电流也能正常工作。

有关4线RTD配置的更多信息,参见电路笔记CN-0381。

在3线模式下,来自AIN4的引脚补偿激励电流也会流经3 kΩ返回电阻,在AIN0处产生一个附加电压:250 μA × 3 kΩ = 0.75 V。因此,AIN0处的总电压等于2.71 V + 0.75 V = 3.46 V,这违反了裕量要求。 所以,在3线模式下,各激励电流必须降至100 μA以提供足够的裕量。

PGA增益可用来提高测量分辨率。 对于Pt100 RTD,建议使用8倍增益(因为Pt100值比Pt1000值小10倍)。

为实现所需精度,RTD本身必须由主机控制器通过软件进行线性化,参见电路笔记CN-0383。

热电偶测量

如图3所示,热电偶连接在AIN+和AIN−端子之间。 AIN4引脚为热电偶提供3.3 V ÷ 2 = 1.65 V的偏置电压。 热电偶电压在AIN1和AIN3之间测量,因为热电偶信号非常小,通常推荐使用32倍或64倍的PGA增益。

适用于PLC/DCS系统的热电偶或RTD输入的电路功能与优势

冷结补偿使用10 kΩ NTC热敏电阻。 基准电压激励VREF从REFOUT获得,并且串联一个精密低漂移5.62 kΩ电阻接地。 NTC电阻值可以通过下式计算:

其中:

VNTC为AIN1和AIN3之间测得的电压。

VREF为AD7124-4 REFOUT提供的基准电压。

端子板与NTC温度传感器之间的温度差会直接影响热电偶输入的温度读数。 因此,NTC热敏电阻必须尽可能靠近端子板放置,使热耦合最大。

为实现所需精度,热电偶和NTC必须由主机控制器通过软件进行线性化,参见电路笔记CN-0384。

诊断

提供多种系统级诊断功能,包括:

基准电压检测

输入过压/欠压检测

SPI通信的CRC

存储器映射的CRC

SPI读/写检查

这些诊断功能对输入通道中可能发生的故障实现了高水平覆盖。

隔离

ADuM1441采用5 mm × 6.2 mm、16引脚小型QSOP封装(30 mm2)。数据通道利用四通道微功耗隔离器ADuM1441隔离,能效很高。

ADuM5010是一款完整的隔离开发转换器,利用isoPower技术为电路提供电源隔离。 The ADuM5010 is in a small 7.4 mm × 7.5 mm, 20-lead SSOP package (56.25 mm2).ADuM5010采用7.4 mm × 7.5 mm、20引脚小型SSOP封装(56.25 mm2)。

图4所示为ADuM5010电路详情。 电源副边使用铁氧体磁珠来抑制潜在的电磁干扰(EMI)辐射。 铁氧体磁珠(Murata BLM18HK102SN1)专门针对100 MHz至1 GHz的高阻抗而选择。 还使用了10 μF和0.1 μF去耦电容。 铁氧体磁珠和电容均通过短走线连接到ADuM5010引脚,以使寄生电感和电阻最小。

适用于PLC/DCS系统的热电偶或RTD输入的电路功能与优势

图4. 带铁氧体磁珠和去耦电容的isoPower电路

拼接电容已维持最小面积,因为铁氧体磁珠已大幅降低辐射。ADuM5010电源、GND引脚和铁氧体磁珠之间的PCB区域应消除任何接地层或走线,以尽量减少高频噪声容性耦合到接地层。有关控制isoPower器件辐射的更多信息,参见AN-0971应用笔记。

根据ADuM5010数据手册选择R1和R2反馈电阻以选用3.3 V输出。

每通道功耗

ADuM5010由控制器侧电源供电,典型功耗为3.3 mA。ADuM5010满载时的效率仅为27%,因此,尽量减少现场侧的电流消耗会对通道的能效产生重大影响。

AD7124-4功耗约为994 μA(全功率模式、增益 = 32、TC偏置、诊断和内部基准电压源使能)。利用中功率或低功耗模式可以显著降低AD7124-4的功耗。

对于ADuM1441,空闲时现场侧总功耗约为7.2 μA,以2 Mbps工作时为552 μA。 如果接口在1/8的时间里有效,则ADuM1441的总功耗为(552 μA × 0.125) + (7.2 μA ×0.875) = 75.3 μA。

当以全功率模式工作、增益为32、内部基准电压源和TC偏置使能时,一个输入通道的实测功耗为7.9 mA(来自控制器侧3.3 V电源)。

电源电路

评估板由4.5 V至36 V直流电源供电,利用板上开关稳压器向系统提供3.3 V电源,如图5所示。EVAL- SDP-CB1Z系统演示平台(SDP)板为数字接口提供经调节的3.3 V电压。

ADP2441包括可编程软启动、调节输出电压、开关频率和电源良好指示等特性。这些特性通过外部小型电阻和电容编程。

ADP2441还包括多种保护特性,如带迟滞的欠压闭锁(UVLO)、输出短路保护和热关断等。

300 kHz开关频率可使ADP2441的效率最高。 由于ADP2441的开关频率非常高,建议使用低磁芯损耗、低EMI的屏蔽铁氧体磁芯电感。

在图5所示电路中,开关频率通过294 kΩ外部电阻设置为约300 kHz。 22 μH电感值(Coilcraft LPS6235-223MLC)是利用可下载的ADP2441降压调节器设计工具选择的。 此工具可根据所需的工作条件(4.5 V至36 V输入、3.3 V输出、1 A输出电流)选择最佳的元件值。 选择1 A电流是为了给主机控制器侧的其它电路供电(若需要)。

适用于PLC/DCS系统的热电偶或RTD输入的电路功能与优势

图5. 电源电路(原理示意图,未显示所有连接)

测试结果

关于热电偶、3线和4线RTD电路的详细性能分析,参见电路笔记CN-0381、电路笔记CN-0383和电路笔记CN-0384,其中给出了深入分析和测量结果。

图6给出了EVAL-CN0376-SDPZ的直方图,采用25 SPS后置滤波器,AIN+短接AIN−,增益为32,TC偏置使能。 数据对应于17.85位无噪声分辨率。

适用于PLC/DCS系统的热电偶或RTD输入的电路功能与优势

图6. AIN+和AIN-输入短接时的代码直方图(选择25 SPS后置滤波器、增益 = 32、TC偏置使能)

常见变化

如果需要更多通道,可以使用AD7124-8。AD7124-8有8个差分输入或16个单端输入。AD7792也可作为低成本选项加以考虑,不过其特性较少,性能较低。

ADuM3151等SPIsolatorTM可作为数据隔离选项,其最高支持17 MHz SPI传输,并且内置三个通用低速隔离通道。

图1所示电路使用NTC热敏电阻进行冷结补偿。 另一个选项是使用ADT7320数字温度传感器,其精度为0.25°C。 (参见电路笔记CN-0172)。

电路评估与测试

图1所示电路采用EVAL-CN0376-SDPZ评估板和EVAL-SDP-CB1Z SDP控制板。

EVAL-CN0376-SDPZ评估板具有PMOD兼容接头,支持与外部控制板集成。

CN-0376评估软件与SDP板通信,以便配置EVAL-CN0376-SDPZ评估板并从其中捕捉数据。

设备要求

需要以下设备:

USB端口的Windows® Vista(32位)或Windows 7(32位)PC

EVAL-CN0376-SDPZ电路评估板

EVAL-SDP-CB1Z SDP控制板

CN-0376评估软件

精密电压和电阻源,或热电偶、RTD仿真器

电源: 4.5 V至36 V dc(100 mA)

开始使用

从ftp://ftp.analog.com/pub/cftl/CN0376/下载CN-0376评估软件,然后安装。 按照屏幕提示安装并使用该软件。 更多信息参见CN-0376软件用户指南。

测试设置功能框图

图7所示为测试设置的功能框图。

适用于PLC/DCS系统的热电偶或RTD输入的电路功能与优势

图7. 测试设置功能框图

设置

EVAL-CN0376-SDPZ评估板通过120引脚对接连接器连接EVAL-SDP-CB1Z SDP板,两个板上均有这种连接器。

CN-0376评估软件和SDP板支持用PC分析数据。

对P3连接器施加一个4.5 V到36 V(标称值24 V)范围内的电压。 务必将P8跳线设为EXT(默认),以便通过P3电源为电路板供电。

外部控制器也可用来与评估板通信(通过PMOD接头进行SPI通信),以及为评估板供电。 若需要,可将P8跳线设为VCC_PMOD,以便通过PMOD连接器为评估板提供3.3 V电源。

精密电压和电阻源可用作模拟前端的输入,从而评估系统性能。 也可使用热电偶或RTD仿真器。

图8显示了EVAL-CN0376-SDPZ电路评估板的实物照片。

责任编辑:gt

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 热电偶
    +关注

    关注

    5

    文章

    817

    浏览量

    74483
  • 控制器
    +关注

    关注

    112

    文章

    15020

    浏览量

    170332
  • plc
    plc
    +关注

    关注

    4964

    文章

    12135

    浏览量

    454088
收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    BL153T22热电偶型二入二出隔离器说明书

    BL153T22热电偶型信号隔离器:二路热电偶信号输入,经过变换,输出隔离的二路电流4~20mA信号,实现了输入、输出、电源之间的三端隔离。本产品响应快、功耗低、温度特性好可与各类仪表
    发表于 03-15 09:06 0次下载

    BL153T12热电偶型一入二出隔离器说明书

    BL153T12热电偶型信号隔离器:一路热电偶信号输入,经过变换,输出隔离的二路电流4~20mA信号,实现了输入、输出、电源之间的三端隔离。本产品响应快、功耗低、温度特性好可与各类仪表
    发表于 03-08 15:30 0次下载

    N型热电偶与K型热电偶相比有哪些优缺点?

    N型热电偶与K型热电偶相比有哪些优缺点? N型热电偶和K型热电偶都是常见的热电偶类型,用于测量和
    的头像 发表于 02-05 11:14 797次阅读

    358接k型热电偶电路怎么接

    ,由两种不同材料的导线组成。K型热电偶由铠装二氧化硅电缆和镍铬(+镍铝)合金导线组成。在不同温度下,由于两种导线的热电势差而产生了微弱的电压信号。 接下来,我们来介绍358操作放大器。358是一种广泛应用于工业自动化控制
    的头像 发表于 01-02 16:57 422次阅读

    k型热电偶和e型热电偶的区别

    K型热电偶和E型热电偶是常用的两种热电偶类型,它们在工业中被广泛应用于温度测量和控制领域。虽然它们的工作原理相似,但在一些关键方面有着明显的区别。本文将详细介绍K型
    的头像 发表于 12-22 13:54 2060次阅读

    怎么判断热电偶还是热电阻?热电阻与热电偶的基本区别

    怎么判断热电偶还是热电阻?热电阻与热电偶的基本区别 热电偶热电阻是常用的温度测量装置,
    的头像 发表于 12-15 09:31 642次阅读

    LTC2984将RTD配置为热电偶的冷端时,无法得到正确的结果是什么原因呢?

    您好!我最近在做一个热电偶的测量系统,采用LTC2984。用RTD(PT1000)作为冷端补偿,在测量过程中遇到了麻烦:直接对RTD测量时可以得到正确的结果。将
    发表于 12-06 07:48

    AD8495能对E型和J型热电偶进行检测吗?

    大家好! 本人正在使用AD8495对热电偶温度进行检测。 由于项目要求能够检测电路能够在K、J、E的热电偶中通用,并且考虑到目前一级代理E络盟不再继续采购AD8496(针对J型)使得AD8496价格
    发表于 11-21 07:21

    热电偶如何接线?热电偶接线为何使用补偿导线?

    热电偶如何接线?热电偶接线为何使用补偿导线? 热电偶是一种用于测量温度的设备,其原理是利用不同金属材料接触时产生的温差电动势来测量温度。热电偶
    的头像 发表于 10-17 16:33 2500次阅读

    热电偶连接线用什么线?热电偶线接反了会怎样?热电偶线断了能接吗

    热电偶连接线用什么线?热电偶线接反了会怎样?热电偶线断了能接吗? 热电偶连接线用什么线? 热电偶连接线使用的是同质的金属导线,和
    的头像 发表于 10-17 16:33 3711次阅读

    热电偶信号放大电路

    热电偶信号放大电路通常由三个部分组成:前置放大器、滤波电路和后置放大器。前置放大器用于输入信号进行低噪声、高增益的放大;滤波
    的头像 发表于 09-05 09:19 2901次阅读
    <b class='flag-5'>热电偶</b>信号放大<b class='flag-5'>电路</b>

    热电偶冷端补偿电路

    热电偶冷端补偿电路 热电偶是一种常用的温度测量仪器,其原理是利用不同物质温差产生的电动势来测量物体的温度。具体来说,热电偶由两种不同金属线构成,在其两端形成热接头和冷接头,在测量物体温
    的头像 发表于 09-05 09:19 1007次阅读
    <b class='flag-5'>热电偶</b>冷端补偿<b class='flag-5'>电路</b>

    S7-1500/ET200MP热电偶补偿方式及组态配置

    S7-1500/ET200MP 目前有三种测量热电偶温度的模块,AI 4×U/I/RTD/TC ST(6ES7531-7QD00-0AB0),可以连接 4 个通道的热电偶(TC)测量温度;AI
    的头像 发表于 08-18 14:34 1639次阅读
    S7-1500/ET200MP<b class='flag-5'>热电偶</b>补偿方式及组态配置

    TC Wafer热电偶,晶圆测温系统

    TCWafer热电偶,晶圆测温系统:一种先进的热电偶技术随着半导体行业的不断发展,对高性能、低成本和适用性广的热电偶技术的需求也在不断增加。
    的头像 发表于 07-24 10:57 2099次阅读
    TC Wafer<b class='flag-5'>热电偶</b>,晶圆测温<b class='flag-5'>系统</b>

    提供四接口S型热电偶输入IO

    S型热电偶输入IO属于一种采集温度模拟量数据的IO,可以采集800摄氏度到1300摄氏度范围的温度信息。S型热电偶输入IO的正负极均为贵重金属,其正极为铂铑合金,含铑一成,含铂九成,负
    的头像 发表于 05-31 13:45 296次阅读