高精度溫度測量

每個電子設備都必須經過不同的測試才能確定其預期性能。這是該設備獲準投放市場之前的必要步驟。需要進行的一項重要測試是溫度測量，以確定產品有效工作的溫度范圍。更重要的是，和工作溫度是已知的。

每個電子設備都必須經過不同的測試才能確定其預期性能。這是該設備獲準投放市場之前的必要步驟。需要進行的一項重要測試是溫度測量，以確定產品有效工作的溫度范圍。更重要的是，和工作溫度是已知的。
本文介紹了如何使用由 delta-sigma 模數轉換器 (ADC) 和現代處理器。該 DAS 提供高性能且經濟高效。
這里介紹的開發(fā) DAS 可以快速解決設計和數學挑戰(zhàn)，并在 PRTD 的范圍（-200°C 至 +850°C）內實現的溫度測量。
鉑電阻溫度探測器 (PRTD) 是溫度傳感設備，可確保在 -200°C 至 +850°C 的溫度范圍內進行可重復測量。此外，鉑非常穩(wěn)定，不會受到腐蝕或氧化的影響。因此，PRTD 為需要溫度測量的精密工業(yè)和醫(yī)療應用提供了性能。
PRTD 幾乎是線性設備。根據溫度范圍和其他標準，您可以通過計算 -20°C 至 +100°C 溫度范圍內的 PRTD 電阻變化來進行線性近似。1 對于更寬的溫度范圍（-200°C 至 +850 °C），但為了獲得更高的精度，溫度測量 PRTD 標準 (EN 60751:2008) 通過稱為 Callendar-Van Dusen 方程的非線性數學模型定義了鉑電阻與溫度的關系。
多年前，此類算法的實施可能會給 DAS 設計帶來技術和成本限制。當今的現代處理器（如MAXQ2000）和價格實惠的PC可以快速且經濟高效地解決這些挑戰(zhàn)，同時為用戶提供友好的圖形顯示。
Callendar-Van Dusen 方程可用于此類現代 DAS，以在 -200°C 至 +850°C 的寬動態(tài)范圍內將誤差降低至可忽略的水平。精度將達到±0.3°C 或更高。
設計示例 DAS
本文討論的 DAS 在 -20°C 至 +100°C 的 PRTD 線性溫度范圍內提供高分辨率、低噪聲測量。在不使用 Callendar-Van Dusen 方程的情況下，其精度為 ±0.15%。通過使用 PRTD1000 (PTS1206-1000Ω)（一種非常常見的鉑 RTD），尺寸和成本效益兼?zhèn)?，在給定范圍內可以實現優(yōu)于 ±0.05°C 的溫度分辨率。
這個簡單的DAS使用MAX11200 24位delta-sigma ADC進行數據轉換，并使用低功耗、經濟高效的MAXQ2000處理器2進行數據采集。DAS 在 PC 中實現線性化算法。也可以使用任何其他有能力的處理器、控制器或DSP。
PTS1206-1000Ω 等 PRTD 器件對于 -55°C 至 +155°C 的溫度范圍來說是一個有吸引力的選擇，因為它們采用標準表面貼裝器件 (SMD) 尺寸，與表面貼裝電阻器封裝非常相似，并且價格在低單美元范圍內。對于 -50°C 至 +500°C 的溫度范圍，薄膜 PRTD 是一種經濟高效的實用選擇。3 薄膜 PRTD 由沉積在陶瓷基板上的薄膜鉑和玻璃涂層鉑元件組成。電阻和溫度偏差可控制在 ±0.06% 和 ±0.15°C 以內，該公差對應于 EN 60751 的 A 級。對于液體或腐蝕性環(huán)境中的高溫測量，薄膜 PRTD 通常放置在保護罩內探測。

圖 1 是顯示為本文開發(fā)的精密 DAS 的簡化示意圖。

它使用 MAX11200 ADC 評估 (EV) 套件。MAX11200的GPIO1引腳設置為輸出來控制繼電器校準開關，該開關選擇固定RCAL電阻或PRTD。這種多功能性提高了系統(tǒng)精度，將所需的計算減少到 RA 和 RT 初始值的計算量，同時提供出色的系統(tǒng)診斷。
處理數據
MAXQ2000-RAX微控制器上的固件管理以下主要功能，如圖2所示：
1. 初始化MAX11200 ADC
2. 收集并處理ADC的輸出數據
3. 維護與PC的USB接口

在初始化期間，MAX11200 ADC會執(zhí)行自校準過程，設置采樣率(10sps或15sps)，并啟用輸入信號緩沖器。采樣率的選擇對于工業(yè)和醫(yī)療應用中的溫度測量非常重要。該 DAS 可實現相當快速的數據采集，并具有出色的（100dB 或更好）電源線 50Hz/60Hz 抑制能力。60Hz 線路頻率抑制的推薦外部時鐘為 2.4576MHz，這對于 1、2.5、5、10 和 15sps 的數據速率有效。對于 50Hz 線路頻率抑制，建議的外部時鐘為 2.048MHz，這對于 0.83、2.08、4.17、8.33 和 12.5sps 的數據速率有效。

使用輸入信號緩沖器將輸入阻抗增加至高兆歐范圍。這提高了測量精度，因為它實際上消除了輸入動態(tài)電流的分流效應。
該固件還使用MAX3420E USB接口，因此不需要PC端的驅動軟件。一旦 DAS 通過 USB 連接到 PC，MAX3420E USB 模塊就會初始化，并且 ADC 溫度轉換數據就可以傳輸了。
結論
近年來，PRTD 成為各種精密溫度傳感應用的理想器件，這些應用在 -200°C 至 +850°C 的溫度范圍內精度和可重復性至關重要。如果 ADC 和 PRTD 直接連接，這些應用需要低噪聲 ADC。PRTD 和 ADC 共同提供了一個非常適合便攜式傳感應用的溫度測量系統(tǒng)。這種組合提供了高性能，而且具有成本效益。
為了準確測量 PRTD 范圍（-200°C 至 +850°C）內的溫度，必須實施稱為 Callendar-Van Dusen 方程 (EN 60751:2008) 的非線性數學算法。但就在幾年前，實施這些算法對 DAS 系統(tǒng)設計提出了技術和成本限制。當今的現代處理器（例如 MAXQ2000）與價格實惠的 PC 相結合，可以快速且經濟高效地解決這些挑戰(zhàn)。