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

也有針對(duì)具體應(yīng)用設(shè)計(jì)的IC，用于熱電偶信號(hào)調(diào)理。這些IC集成本地溫度傳感器、精密放大器、ADC和電壓基準(zhǔn)。例如，MAX31855為冷端補(bǔ)償熱電偶至數(shù)字轉(zhuǎn)換器，可數(shù)字化K、J、N、T或E型熱電偶信號(hào)。MAX31855以14位(0.25℃)分辨率測(cè)量熱電偶溫度(圖3)。

圖3 集成冷端溫度補(bǔ)償?shù)腁DC，轉(zhuǎn)換熱電偶電壓時(shí)無需外部補(bǔ)償

誤差分析

冷端補(bǔ)償

熱電偶為差分傳感器，利用溫度結(jié)和冷端之間的溫差產(chǎn)生輸出電壓。根據(jù)式1，只有精密測(cè)得冷端絕對(duì)溫度(TREF)時(shí)，才能得到溫度結(jié)的絕對(duì)溫度(Tabs)。

可利用新型鉑RTD (PRTD)測(cè)量冷端絕對(duì)溫度。它在很寬的溫度范圍內(nèi)提供良好的性能，尺寸小、功耗低，成本非常合理。

圖4所示為精密DAS的簡(jiǎn)化原理圖，采用了MAX11200 (24位、 Δ-Σ ADC)評(píng)估(EV)板，可實(shí)現(xiàn)熱電偶溫度測(cè)量。本例中，利用R1 - PT1000 (PTS 1206，1000Ω)測(cè)量冷端絕對(duì)溫度。該解決方案能夠以±0.30℃或更高精度測(cè)量冷端溫度。

圖4 熱電偶DAS簡(jiǎn)化圖

如圖4所示，MAX11200的GPIO設(shè)置為控制精密多路復(fù)用器MAX4782，它選擇熱電偶或PRTD R1 - PT1000。該方法可利用單個(gè)ADC實(shí)現(xiàn)熱電偶或PRTD的動(dòng)態(tài)測(cè)量。提高了系統(tǒng)精度，降低校準(zhǔn)要求。

非線性誤差

熱電偶為電壓發(fā)生裝置。但是，大多數(shù)常見熱電偶[2，4]的輸出電壓作為溫度的函數(shù)呈現(xiàn)非常高的非線性。

圖4和圖5中說明，如果沒有經(jīng)過適當(dāng)補(bǔ)償，常見的工業(yè)K型熱電偶的非線性誤差會(huì)超過數(shù)十?dāng)z氏度。

圖5 K型熱電偶的輸出電壓和溫度關(guān)系圖。曲線在-50℃至+350℃范圍內(nèi)線性 度較好；在低于-50℃和高于+350℃時(shí)，相對(duì)于絕對(duì)線性度存在明顯偏差。

IEC采用的NIST ITS-90等現(xiàn)代熱電偶標(biāo)準(zhǔn)化處理、查找表和公式數(shù)據(jù)庫(kù)，是當(dāng)前系統(tǒng)間互換熱電偶類型的基礎(chǔ)。通過這些標(biāo)準(zhǔn)，熱電偶很容易由相同或不同制造商的其它熱電偶所替代，而且經(jīng)過最少的系統(tǒng)設(shè)計(jì)更新或校準(zhǔn)即可確保性能指標(biāo)。

NIST ITS-90熱電偶數(shù)據(jù)庫(kù)提供了詳細(xì)的查找表。通過使用標(biāo)準(zhǔn)化多項(xiàng)式系數(shù)，還可利用多項(xiàng)式在非常寬的溫度范圍內(nèi)將熱電偶電壓換算成溫度(℃)。

根據(jù)NIST ITS-90熱電偶數(shù)據(jù)庫(kù)，多項(xiàng)式系數(shù)為：

T = d0 + d1E + d2E2 + ... dNEN

(式2)

式中：T為溫度，℃；E為VOUT——熱電偶輸出，mV；dN為多項(xiàng)式系數(shù)，每一熱電偶的系數(shù)是唯一的；N =多項(xiàng)式的最大階數(shù)。

表2所示為一個(gè)K型熱電偶的NIST (NBS)多項(xiàng)式系數(shù)。

利用表2中的多項(xiàng)式系數(shù)，能夠在-200℃至+1372℃溫度范圍內(nèi)以優(yōu)于±0.1℃的精度計(jì)算溫度T。大多數(shù)常見熱電偶都有不同系數(shù)表可用。

表2 K型熱電偶系數(shù)

同樣，在-200℃至0、0至+500℃和+500℃至+1372℃溫度范圍也可以找到類似的NIST ITS-90系統(tǒng)，能夠以更高精度(低于±0.1℃，相對(duì)于±0.7℃)計(jì)算溫度。與原來的“單”間隔表進(jìn)行比較即可看出這點(diǎn)。