Dokładne pomiary termiczne w ekstremalnych warunkach dzięki układowi scalonemu do kondycjonowania termopar MCP9604

Choć termopara została wynaleziona w 1821 roku, umożliwiając pomiar ekstremalnie wysokich temperatur, intrygujące jest, że nawet po 200 latach przemysł wciąż napotyka wyzwania w szybkim projektowaniu systemów zdolnych do określania temperatur z dokładnością do 1°C. Wiele gałęzi przemysłu mogłoby skorzystać na bardziej inteligentnej integracji kontroli wysokich temperatur, włączając w to piece i piece do wypalania, elektrownie, przemysł chemiczny i petrochemiczny, przetwórstwo spożywcze oraz produkcję półprzewodników. To sprawia, że równie interesujące jest to, iż większość rozwiązań obsługuje tylko jedną termoparę.

Wprowadzenie czterokanałowego układu scalonego (IC) do kondycjonowania termopar MCP9604 ma na celu szybką integrację łańcucha sygnałowego, pomiaru temperatury i silnika matematycznego, aby bezpośrednio uzyskać cyfrową temperaturę z maksymalną dokładnością ±1,5°C. Zarówno liczba kanałów, jak i dokładność czynią go wyjątkowym. Zdolny do obsługi ośmiu najpopularniejszych typów termopar (w tym J i K), upraszcza kosztowną produkcję systemów z kalibracją w linii i integruje powszechnie stosowane dyskretne komponenty, natychmiastowo oszczędzając czas walidacji i kalibracji.

Ten post podkreśli niektóre z zalet i cech wyróżniających czterokanałowy układ scalony do kondycjonowania termopar MCP9604, takie jak:

• Bycie pierwszym ±1,5°C maks. czterokanałowym układem scalonym do kondycjonowania termopar,
• Upraszczanie integracji i dokładności bez konieczności stosowania zewnętrznych komponentów,
• Redukowanie lub eliminowanie potrzeby kalibracji systemu w linii,
• Utrzymywanie dokładnej temperatury według NIST ITS-90 (Międzynarodowa Skala Temperatur z 1990 roku).

Ewolucja pomiarów termopar

Przez ostatnie 15 lat przemysł IC pracował nad zintegrowaniem obwodu pomiarowego termopary poza samą termoparą. Dyskretnie, łańcuch sygnałowy dla tego obwodu składa się z 15 komponentów, w tym precyzyjnego przetwornika ADC, precyzyjnego czujnika temperatury oraz metody linearyzacji, aby ściśle dopasować zależność napięcia od temperatury zdefiniowaną przez ITS-90.

Wprowadzając czterokanałowy układ kondycjonujący MCP9604, Microchip opiera się na swoich kluczowych kompetencjach z 2015 roku, kiedy to wydaliśmy pierwszy jednokanałowy obwód kondycjonowania termopary typu wszystko-w-jednym. Ten nowy, czterokanałowy układ nadal rozwiązuje ciągłe wyzwania, jakie stwarza dyskretne lub wieloukładowe rozwiązanie podczas pomiaru termopary.

Wyzwania w dokładności temperatury

Pierwszym wyzwaniem w dyskusji o pomiarze temperatury jest dokładność temperatury. Biorąc pod uwagę, że niektóre termopary odczytują setki stopni, potrzeba dokładności może być różna dla każdego zastosowania końcowego. Czy piec w temperaturze 1100°C musi być ściśle zarządzany w zakresie 1°C? Chociaż to może być dyskusyjne, kontrola przygotowywania żywności w wyższej temperaturze nie jest, szczególnie ze względu na bezpieczeństwo żywności i spójność gotowania.

Kolejnym wyzwaniem związanym z dokładnością jest przestrzeganie pomiaru małych napięć termopary w celu obliczenia temperatury związanej z ITS-90. Fascynujące jest to, że zależność ta nie jest całkowicie liniowa i wymaga subtelnych wariacji, jeśli odczyt ma być bardziej dokładny. Podczas gdy wiele analogowych projektów wzmacniaczy określa dokładność tylko do liniowej aproksymacji pierwszego rzędu temperatury ITS-90 (zdefiniowanej przez NIST), MCP9604 przestrzega równań wielomianowych wyższego rzędu ITS-90, aby utrzymać maksymalną dokładność ±1,5°C.

To właśnie to delikatne przestrzeganie równania napięcia opartego na wielu wielomianach, w połączeniu z projektem wielokomponentowym, wymaga od wielu projektantów systemów wstawiania technik kalibracji w linii, aby uzyskać najlepszą możliwą dokładność. Alternatywnie, w pełni zintegrowany projekt, jeśli jest wykonany prawidłowo, może wyeliminować potrzebę korekty część po części z linii produkcyjnej. W rezultacie, dobrze zintegrowany komponent pomaga przyspieszyć czas wprowadzenia na rynek i ograniczyć zmienność produkcji, jednocześnie minimalizując wady.

Główne zalety układu MCP9604

Podsumujmy więc, w czym wprowadzenie MCP9604 daje projektantom przewagę?

Wyjątkowy czterokanałowy obwód kondycjonowania termopar

Ponieważ istnieje wiele zastosowań przemysłowych z więcej niż jedną termoparą, MCP9604 znacznie upraszcza obwody pomiarowe, które stwarzają nietrywialne wyzwania. Bycie pierwszym czterokanałowym urządzeniem dla przemysłu byłoby imponujące samo w sobie, ale MCP9604 idzie dalej, utrzymując maksymalną dokładność 1,5°C podczas mierzenia setek stopni w trudnych warunkach. W branży pełnej rozwiązań jednokanałowych, MCP9604 zapewnia cyfrowe wyjście ±1,5°C maks., które łatwo łączy się z mikrokontrolerami i procesorami.

Utrzymywanie dokładnej temperatury ITS-90

W ramach pomiaru systemów termopar istnieje potrzeba odniesienia pomiarów napięcia z powrotem do tabel zdefiniowanych przez ITS-90. MCP9604 robi o wiele więcej niż tylko przedstawienie liniowej zależności pierwszego rzędu. Mierzy i przestrzega (w niektórych przypadkach) aproksymacji wielomianowych do dziewiątego rzędu, aby raportować dokładniejszy pomiar.

Integracja precyzyjnych komponentów bez potrzeby stosowania dodatkowych

MCP9604 integruje i zastępuje potrzebę stosowania precyzyjnego ADC, precyzyjnego czujnika temperatury, wzmacniacza i silnika matematycznego. Wcześniej każdy z tych dyskretnych komponentów odgrywał ważną rolę w mierzeniu napięcia, wzmacnianiu napięcia i odnoszeniu go z powrotem do temperatury pokojowej. Teraz, potrzebny jest tylko jeden MCP9604, aby uzyskać tę wartość czterokrotnie, co stanowi ogromne uproszczenie zestawienia materiałów BOM.

Brak konieczności dostrajania

Dodatkową korzyścią MCP9604 jest to, że nie jest wymagana kalibracja w linii. Mówiąc prościej, ponieważ MCP9604 jest tak dokładny i stabilny, linia produkcyjna nie wymaga dostosowań punktów temperaturowych z powodu wariacji obwodu kondycjonowania termopary. Ta spójność przyspiesza czas wprowadzenia na rynek dla zakładu produkcyjnego.

Przemyślenia końcowe

Podsumowując, MCP9604 dostarcza wartość niedostępną obecnie na rynku dla układów scalonych kondycjonujących termopary. Jeśli masz zastosowania termopar, takie jak piece i piece do wypalania przemysłowe, elektrownie, przemysł chemiczny i petrochemiczny, przetwórstwo spożywcze i produkcja półprzewodników, MCP9604 oferuje redukcję zestawienia materiałów, większą dokładność bez kalibracji w linii oraz przestrzega tabel pomiaru napięcia NIST IST-90 dla 8 typów termopar.

Źródło: Microchip Technology Inc. Tłumaczenie: Gamma Sp. z o.o.

Gamma Sp. z o.o. jest autoryzowanym dystrybutorem rozwiązań firmy Microchip Technology Inc. w Polsce. Zachęcamy do kontaktu z naszym działem handlowym.