利用先進(jìn)的熱電偶和高分辨率Δ-ΣADC實(shí)現(xiàn)高精度溫度測(cè)量

ADC規(guī)格參數(shù)/分析

表3所示為MAX11200的基本性能指標(biāo)，具有圖4中所示的電路特性。

表3 MAX11200的主要技術(shù)指標(biāo)

本文中使用的MAX11200是一款低功耗、24位、Δ-Σ ADC，適合于需要寬動(dòng)態(tài)范圍、高分辨率的低功耗應(yīng)用。利用該ADC，基于式3和4可計(jì)算圖3電路的溫度分辨率。

(式3)

(式4)

式中：Rtlsb為熱電偶在1 LSB時(shí)的分辨率；Rtnfr為熱電偶無(wú)噪聲分辨率(NFR)；VREF為基準(zhǔn)電壓；Tcmax為測(cè)量范圍內(nèi)的熱電偶最大溫度；Tcmin為測(cè)量范圍內(nèi)的熱電偶最小溫度；Vtmax為測(cè)量范圍的熱電偶最大電壓；Tcmax為測(cè)量范圍內(nèi)的熱電偶最小電壓；FS為ADC滿幅編碼，對(duì)于雙極性配置的MAX11200為(223-1)；NFR為ADC無(wú)噪聲分辨率，對(duì)于雙極性配置的MAX11200為(220-1)，10Sa/s時(shí)。

表4所列為利用式3和4計(jì)算表1中K型熱電偶的測(cè)量分辨率。

表4中提供了每個(gè)溫度范圍內(nèi)的℃/LSB誤差和℃/NFR誤差計(jì)算值。無(wú)噪聲分辨率(NFR)表示ADC能夠可靠區(qū)分的最小溫度值。對(duì)于整個(gè)溫度范圍，NFR值低于0.1℃，對(duì)于工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用中的大多數(shù)熱電偶遠(yuǎn)遠(yuǎn)足夠。

表4 K型熱電偶在不同溫度范圍內(nèi)的測(cè)量分辨率

熱電偶與MAX11200評(píng)估板的連接

MAX11200EVKIT提供了全功能、高分辨率DAS。評(píng)估板可幫助設(shè)計(jì)工程師快速完成項(xiàng)目開(kāi)發(fā)，例如驗(yàn)證圖4所示解決方案。

在圖4所示原理圖中，常見(jiàn)的K型OMEGA熱電偶(KTSS-116 )連接至差分評(píng)估板輸入A1。利用Maxim應(yīng)用筆記4875中介紹的高性價(jià)比比例方案，測(cè)量冷端溫度的絕對(duì)值。R1(PT1000)輸出連接至評(píng)估板輸入A0。MAX11200的GPIO控制精密多路復(fù)用器MAX4782，復(fù)用器動(dòng)態(tài)選擇將熱電偶或PRTD R1輸出連接至MAX11200的輸入。

K型熱電偶(圖3、圖4)在-50℃至+350℃范圍內(nèi)的線性度適當(dāng)。對(duì)于有些不太嚴(yán)格的應(yīng)用，線性逼近公式(式5)能大大降低計(jì)算量和復(fù)雜度。

近似絕對(duì)溫度可計(jì)算為：

(式5)

式中：E為實(shí)測(cè)熱電偶輸出，mV；Tabs為K型熱電偶的絕對(duì)溫度，℃；Tcj為PT1000實(shí)測(cè)的熱電偶冷端溫度，℃；Ecj為利用Tcj計(jì)算得到的冷端熱電偶等效輸出，mV。

所以：

k = 0.041mV/℃——從-50℃至+350℃范圍內(nèi)的平均靈敏度

然而，為了在更寬的溫度范圍(-270℃至+1372℃)內(nèi)精密測(cè)量，強(qiáng)烈建議采用多項(xiàng)式(式2)和系數(shù)(根據(jù)NIST ITS-90)：

(式6)

式中：Tabs為K型熱電偶的絕對(duì)溫度，℃；E為實(shí)測(cè)熱電偶輸出，mV；Ecj為利用Tcj計(jì)算得到的冷端熱電偶等效輸出，mV；f為式2中的多項(xiàng)式函數(shù)；TCOLD為PT1000實(shí)測(cè)的熱電偶的冷端溫度，℃。

圖7所示為圖4的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括經(jīng)認(rèn)證的精密校準(zhǔn)器，F(xiàn)luke?-724，作為溫度模擬器代替K型OMEGA熱電偶。

Fluke-724校準(zhǔn)器提供與K型熱電偶在-200℃至+1300℃范圍內(nèi)輸出相對(duì)應(yīng)的精密電壓，送至基于PT1000的冷端補(bǔ)償模塊?；贛AX11200的DAS動(dòng)態(tài)選擇熱電偶或PRTD測(cè)量值，并通過(guò)USB端口將數(shù)據(jù)送至筆記本計(jì)算機(jī)。專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的DAS軟件采集并處理熱電偶和PT1000輸出產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

圖7 圖4開(kāi)發(fā)系統(tǒng)

表5列出了-200℃至+1300℃溫度范圍內(nèi)的測(cè)量和計(jì)算值，采用式5和6。

表5 -200℃至+1300℃范圍的測(cè)量計(jì)算

如表5所示，利用式6，基于MAX11200的DAS系統(tǒng)在非常寬的溫度范圍內(nèi)可達(dá)到±0.3℃數(shù)量級(jí)的精度。式5中的線性逼近法在很窄的-50℃至+350℃范圍內(nèi)僅能實(shí)現(xiàn)1℃至4℃的精度。

注意，式6需要相對(duì)復(fù)雜的線性化計(jì)算算法。

大約十年之前，在DAS系統(tǒng)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)此類(lèi)算法會(huì)受到技術(shù)和成本的限制。當(dāng)今的現(xiàn)代化處理器速度快、性價(jià)比高，解決了這些難題。

總結(jié)

最近幾年，適用于-270℃至+1750℃溫度范圍的高性價(jià)比、熱電偶溫度檢測(cè)技術(shù)取得較大進(jìn)展。在改進(jìn)溫度測(cè)量和范圍的同時(shí)，成本也更加合理，功耗更低。

如果ADC和熱電偶直接連接，這些基于熱電偶的溫度測(cè)量系統(tǒng)需要低噪聲ADC(如MAX11200)。熱電偶、PRTD和ADC集成至電路時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)非常適用于便攜式檢測(cè)應(yīng)用的高性能溫度測(cè)量系統(tǒng)。

MAX11200具有較高的無(wú)噪聲分辨率、集成緩沖器和GPIO驅(qū)動(dòng)器，可直接連接任何傳統(tǒng)的熱電偶及高分辨率PRTD (如PT1000)，無(wú)需額外的儀表放大器或?qū)Ｓ秒娏髟?。更少的接線和更低的熱誤差進(jìn)一步降低系統(tǒng)復(fù)雜性和成本，使設(shè)計(jì)者能夠?qū)崿F(xiàn)DAS與熱電偶及冷端補(bǔ)償模塊的簡(jiǎn)單接口。