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

ADC規格參數/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(dòng)態(tài)范圍、高分辨率的低功耗應用。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(shí)的分辨率；Rtnfr為熱電偶無(wú)噪聲分辨率(NFR)；VREF為基準電壓；Tcmax為測量范圍內的熱電偶最大溫度；Tcmin為測量范圍內的熱電偶最小溫度；Vtmax為測量范圍的熱電偶最大電壓；Tcmax為測量范圍內的熱電偶最小電壓；FS為ADC滿(mǎn)幅編碼，對于雙極性配置的MAX11200為(223-1)；NFR為ADC無(wú)噪聲分辨率，對于雙極性配置的MAX11200為(220-1)，10Sa/s時(shí)。

表4所列為利用式3和4計算表1中K型熱電偶的測量分辨率。

表4中提供了每個(gè)溫度范圍內的℃/LSB誤差和℃/NFR誤差計算值。無(wú)噪聲分辨率(NFR)表示ADC能夠可靠區分的最小溫度值。對于整個(gè)溫度范圍，NFR值低于0.1℃，對于工業(yè)和醫療應用中的大多數熱電偶遠遠足夠。

表4 K型熱電偶在不同溫度范圍內的測量分辨率

熱電偶與MAX11200評估板的連接

MAX11200EVKIT提供了全功能、高分辨率DAS。評估板可幫助設計工程師快速完成項目開(kāi)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(jiàn)的K型OMEGA熱電偶(KTSS-116 )連接至差分評估板輸入A1。利用Maxim應用筆記4875中介紹的高性?xún)r(jià)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(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℃范圍內的線(xiàn)性度適當。對于有些不太嚴格的應用，線(xiàn)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(shí)測熱電偶輸出，mV；Tabs為K型熱電偶的絕對溫度，℃；Tcj為PT1000實(shí)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℃范圍內的平均靈敏度

然而，為了在更寬的溫度范圍(-270℃至+1372℃)內精密測量，強烈建議采用多項式(式2)和系數(根據NIST ITS-90)：

(式6)

式中：Tabs為K型熱電偶的絕對溫度，℃；E為實(shí)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；TCOLD為PT1000實(shí)測的熱電偶的冷端溫度，℃。

圖7所示為圖4的開(kāi)發(fā)系統。該系統包括經(jīng)認證的精密校準器，Fluke?-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℃范圍內輸出相對應的精密電壓，送至基于PT1000的冷端補償模塊?；贛AX11200的DAS動(dòng)態(tài)選擇熱電偶或PRTD測量值，并通過(guò)USB端口將數據送至筆記本計算機。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)生的數據。

圖7 圖4開(kāi)發(fā)系統

表5列出了-200℃至+1300℃溫度范圍內的測量和計算值，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系統在非常寬的溫度范圍內可達到±0.3℃數量級的精度。式5中的線(xiàn)性逼近法在很窄的-50℃至+350℃范圍內僅能實(shí)現1℃至4℃的精度。

注意，式6需要相對復雜的線(xiàn)性化計算算法。

大約十年之前，在DAS系統設計中實(shí)現此類(lèi)算法會(huì )受到技術(shù)和成本的限制。當今的現代化處理器速度快、性?xún)r(jià)比高，解決了這些難題。

總結

最近幾年，適用于-270℃至+1750℃溫度范圍的高性?xún)r(jià)比、熱電偶溫度檢測技術(shù)取得較大進(jìn)展。在改進(jìn)溫度測量和范圍的同時(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量系統需要低噪聲ADC(如MAX11200)。熱電偶、PRTD和ADC集成至電路時(shí)，能夠實(shí)現非常適用于便攜式檢測應用的高性能溫度測量系統。

MAX11200具有較高的無(wú)噪聲分辨率、集成緩沖器和GPIO驅動(dòng)器，可直接連接任何傳統的熱電偶及高分辨率PRTD (如PT1000)，無(wú)需額外的儀表放大器或專(zhuān)用電流源。更少的接線(xiàn)和更低的熱誤差進(jìn)一步降低系統復雜性和成本，使設計者能夠實(shí)現DAS與熱電偶及冷端補償模塊的簡(jiǎn)單接口。