利用先進的熱電偶和高分辨率Δ-ΣADC實現(xiàn)高精度溫度測量

ADC規(guī)格參數(shù)/分析

表3所示為MAX11200的基本性能指標，具有圖4中所示的電路特性。

表3 MAX11200的主要技術(shù)指標

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時的分辨率；Rtnfr為熱電偶無噪聲分辨率(NFR)；VREF為基準電壓；Tcmax為測量范圍內(nèi)的熱電偶最大溫度；Tcmin為測量范圍內(nèi)的熱電偶最小溫度；Vtmax為測量范圍的熱電偶最大電壓；Tcmax為測量范圍內(nèi)的熱電偶最小電壓；FS為ADC滿幅編碼，對于雙極性配置的MAX11200為(223-1)；NFR為ADC無噪聲分辨率，對于雙極性配置的MAX11200為(220-1)，10Sa/s時。

表4所列為利用式3和4計算表1中K型熱電偶的測量分辨率。

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

表4 K型熱電偶在不同溫度范圍內(nèi)的測量分辨率

熱電偶與MAX11200評估板的連接

MAX11200EVKIT提供了全功能、高分辨率DAS。評估板可幫助設(shè)計工程師快速完成項目開發(fā)，例如驗證圖4所示解決方案。

在圖4所示原理圖中，常見的K型OMEGA熱電偶(KTSS-116 )連接至差分評估板輸入A1。利用Maxim應(yīng)用筆記4875中介紹的高性價比比例方案，測量冷端溫度的絕對值。R1(PT1000)輸出連接至評估板輸入A0。MAX11200的GPIO控制精密多路復用器MAX4782，復用器動態(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。對于有些不太嚴格的應(yīng)用，線性逼近公式(式5)能大大降低計算量和復雜度。

近似絕對溫度可計算為：

(式5)

式中：E為實測熱電偶輸出，mV；Tabs為K型熱電偶的絕對溫度，℃；Tcj為PT1000實測的熱電偶冷端溫度，℃；Ecj為利用Tcj計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)精密測量，強烈建議采用多項式(式2)和系數(shù)(根據(jù)NIST ITS-90)：

(式6)

式中：Tabs為K型熱電偶的絕對溫度，℃；E為實測熱電偶輸出，mV；Ecj為利用Tcj計算得到的冷端熱電偶等效輸出，mV；f為式2中的多項式函數(shù)；TCOLD為PT1000實測的熱電偶的冷端溫度，℃。

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

Fluke-724校準器提供與K型熱電偶在-200℃至+1300℃范圍內(nèi)輸出相對應(yīng)的精密電壓，送至基于PT1000的冷端補償模塊?；贛AX11200的DAS動態(tài)選擇熱電偶或PRTD測量值，并通過USB端口將數(shù)據(jù)送至筆記本計算機。專門開發(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開發(fā)系統(tǒng)

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

表5 -200℃至+1300℃范圍的測量計算

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)可達到±0.3℃數(shù)量級的精度。式5中的線性逼近法在很窄的-50℃至+350℃范圍內(nèi)僅能實現(xiàn)1℃至4℃的精度。

注意，式6需要相對復雜的線性化計算算法。

大約十年之前，在DAS系統(tǒng)設(shè)計中實現(xiàn)此類算法會受到技術(shù)和成本的限制。當今的現(xiàn)代化處理器速度快、性價比高，解決了這些難題。

總結(jié)

最近幾年，適用于-270℃至+1750℃溫度范圍的高性價比、熱電偶溫度檢測技術(shù)取得較大進展。在改進溫度測量和范圍的同時，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量系統(tǒng)需要低噪聲ADC(如MAX11200)。熱電偶、PRTD和ADC集成至電路時，能夠?qū)崿F(xiàn)非常適用于便攜式檢測應(yīng)用的高性能溫度測量系統(tǒng)。

MAX11200具有較高的無噪聲分辨率、集成緩沖器和GPIO驅(qū)動器，可直接連接任何傳統(tǒng)的熱電偶及高分辨率PRTD (如PT1000)，無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一步降低系統(tǒng)復雜性和成本，使設(shè)計者能夠?qū)崿F(xiàn)DAS與熱電偶及冷端補償模塊的簡單接口。