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利用热电偶和ADC实现高精度温度测量

时间:03-22 来源:互联网 点击:

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 00 to 500500 to 1372
Voltage Range (mV)-5.891 to 00 to 20.64420.644 to 54.886
Coefficients
d00.0000000E+000.0000000E+00-1.3180580E+02
d12.5173462E+012.5083550E+014.8302220E+01
d2-1.1662878E+007.8601060E+02-1.6460310E+00
d3-1.0833638E+00-2.5031310E-015.4647310E-02
d4-8.9773540E-018.3152700E-02-9.6507150E-04
d5-3.7342377E-01-1.2280340E-028.8021930E-06
d6-8.6632643E-029.8040360E-04-3.1108100E-08
d7-1.0450598E-024.4130300E-05
d8-5.1920577E-041.0577340E-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

MAX11200Comments
Sample Rate (sps)10 to 120The MAX11200's variable oversampling rate can be optimized for low noise and for -150dB line-noise rejection at 50Hz or 60Hz.
Channels1GPIOs allow externalmultiplexercontrol for multichannel measurements.
INL (ppm, max)±10Provides very good measurement linearity.
Offset Error (μV)±1Provides almost zero offset measurements.
Noise-Free Resolution (Bits)19.0 at 120sps; 19.5 at 60sps; 21.0 at 10spsVery 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)300Highest resolution per unit power in the industry; ideal for portable applications.
GPIOsYesAllows external device control, including local multiplexer control.
Input Range0 to VREF, ±VREFWide input ranges
Package16-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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