利用热电偶和ADC实现高精度温度测量
热电偶为差分传感器,利用温度结和冷端之间的温差产生输出电压。根据式1,只有精密测得冷端绝对温度(TREF)时,才能得到温度结的绝对温度(Tabs)。
可利用新型铂RTD (PRTD)测量冷端绝对温度。它在很宽的温度范围内提供良好的性能,尺寸小、功耗低,成本非常合理。
图4所示为精密DAS的简化原理图,采用了MAX11200(24位、Σ-Δ ADC)评估(EV)板,可实现热电偶温度测量。本例中,利用R1 - PT1000 (PTS 1206,1000Ω)测量冷端绝对温度。该解决方案能够以±0.30°C或更高精度测量冷端温度[3]。
图4. 热电偶DAS简化图
如图4所示,MAX11200的GPIO设置为控制精密多路复用器MAX4782,它选择热电偶或PRTD R1 - PT1000。该方法可利用单个ADC实现热电偶或PRTD的动态测量。提高了系统精度,降低校准要求。
非线性误差
热电偶为电压发生装置。但是,大多数常见热电偶[2,4]的输出电压作为温度的函数呈现非常高的非线性。
图4和图5中说明,如果没有经过适当补偿,常见的工业K型热电偶的非线性误差会超过数十摄氏度。
图5. K型热电偶的输出电压和温度关系图。曲线在-50°C至+350°C范围内线性度较好;在低于-50°C和高于+350°C时,相对于绝对线性度存在明显偏差。[1]
图6. 相对于直线逼近的偏差,假设线性输出为从-50°C至+350°C,平均灵敏度为k = 41μV/°C。[1]
IEC采用的NIST ITS-90等现代热电偶标准化处理、查找表和公式数据库[1],是当前系统间互换热电偶类型的基础。通过这些标准,热电偶很容易由相同或不同制造商的其它热电偶所替代,而且经过最少的系统设计更新或校准即可确保性能指标。
NIST ITS-90热电偶数据库提供了详细的查找表。通过使用标准化多项式系数[1],还可利用多项式在非常宽的温度范围内将热电偶电压换算成温度(°C)。
根据NIST ITS-90热电偶数据库,多项式系数为:
T = d0+ d1E + d2E2 + ... dNEN (式2)
式中:
T为温度,单位为°C;
E为VOUT,热电偶输出,单位为mV;
dN为多项式系数,每一热电偶的系数是唯一的;
N = 多项式的最大阶数。
表2所示为一个K型热电偶的NIST (NBS)多项式系数。
表2. K型热电偶系数
Type-K Thermocouple Coefficients | |||
Temperature Range (°C) | -200 to 0 | 0 to 500 | 500 to 1372 |
Voltage Range (mV) | -5.891 to 0 | 0 to 20.644 | 20.644 to 54.886 |
Coefficients | |||
d0 | 0.0000000E+00 | 0.0000000E+00 | -1.3180580E+02 |
d1 | 2.5173462E+01 | 2.5083550E+01 | 4.8302220E+01 |
d2 | -1.1662878E+00 | 7.8601060E+02 | -1.6460310E+00 |
d3 | -1.0833638E+00 | -2.5031310E-01 | 5.4647310E-02 |
d4 | -8.9773540E-01 | 8.3152700E-02 | -9.6507150E-04 |
d5 | -3.7342377E-01 | -1.2280340E-02 | 8.8021930E-06 |
d6 | -8.6632643E-02 | 9.8040360E-04 | -3.1108100E-08 |
d7 | -1.0450598E-02 | 4.4130300E-05 | — |
d8 | -5.1920577E-04 | 1.0577340E-06 | — |
d9 | — | -1.0527550E-08 | — |
Error Range (°C) | -0.02 to 0.04 | -0.05 to 0.04 | -0.05 to 0.06 |
利用表2中的多项式系数,能够在-200°C至+1372°C温度范围内以优于±0.1°C的精度计算温度T。大多数常见热电偶都有不同系数表可用[1]。
同样,在-200°C至0、0至+500°C和+500°C至+1372°C温度范围也可以找到类似的NIST ITS-90系统,能够以更高精度(低于±0.1°C,相对于±0.7°C)计算温度。与原来的“单”间隔表进行比较即可看出这点[2]。
ADC规格参数/分析
表3所示为MAX11200的基本性能指标,具有图4中所示的电路特性。
表3. MAX11200的主要技术指标
MAX11200 | Comments | |
Sample Rate (sps) | 10 to 120 | The MAX11200's variable oversampling rate can be optimized for low noise and for -150dB line-noise rejection at 50Hz or 60Hz. |
Channels | 1 | GPIOs allow externalmultiplexercontrol for multichannel measurements. |
INL (ppm, max) | ±10 | Provides very good measurement linearity. |
Offset Error (μV) | ±1 | Provides almost zero offset measurements. |
Noise-Free Resolution (Bits) | 19.0 at 120sps; 19.5 at 60sps; 21.0 at 10sps | Very highdynamic rangewith low power. |
VDD(V) | AVDD (2.7 to 3.6) DVDD (1.7 to 3.6) | AVDD and DVDD ranges cover the industry's popular power-supply ranges. |
ICC(μA, max) | 300 | Highest resolution per unit power in the industry; ideal for portable applications. |
GPIOs | Yes | Allows external device control, including local multiplexer control. |
Input Range | 0 to VREF, ±VREF | Wide input ranges |
Package | 16-QSOP, 10-μMAX? (15mm2) | Some models like theMAX11202are offered in a 10-μMAX package—a very small size for space-constrained designs. |
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