利用先进的热电偶和高分辨率Δ-ΣADC实现高精度温

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、 Δ-Σ 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℃或更高精度测量冷端温度。

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℃至+350℃范围内线性 度较好；在低于-50℃和高于+350℃时，相对于绝对线性度存在明显偏差。

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，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，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(℃)。

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，℃；E为VOUT——热电偶输出，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。

利用表2中的多项式系数，能够在-200℃至+1372℃温度范围内以优于±0.1℃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。

表2 K型热电偶系数

同样，在-200℃至0、0至+500℃和+500℃至+1372℃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℃，相对于±0.7℃)计算温度。与原来的“单”间隔表进行比较即可看出这点。

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

本文中使用的MAX11200是一款低功耗、24位、Δ-Σ ADC，适合于需要宽动态范围、高分辨率的低功耗应用。利用该ADC，基于式3和4可计算图3电路的温度分辨率。

(式3)

(式4)

式中：Rtlsb为热电偶在1 LSB时的分辨率；Rtnfr为热电偶无噪声分辨率(NFR)；VREF为基准电压；Tcmax为测量范围内的热电偶最大温度；Tcmin为测量范围内的热电偶最小温度；Vtmax为测量范围的热电偶最大电压；Tcmax为测量范围内的热电偶最小电压；FS为ADC满幅编码，对于双极性配置的MAX11200为(223-1)；NFR为ADC无噪声分辨率，对于双极性配置的MAX11200为(220-1)，10Sa/s时。

表4所列为利用式3和4计算表1中K型热电偶的测量分辨率。

表4中提供了每个温度范围内的℃/LSB误差和℃/NFR误差计算值。无噪声分辨率(NFR)表示ADC能够可靠区分的最小温度值。对于整个温度范围，NFR值低于0.1℃，对于工业和医疗应用中的大多数热电偶远远足够。

表4 K型热电偶在不同温度范围内的测量分辨率

热电偶与MAX11200评估板的连接

MAX11200EVKIT提供了全功能、高分辨率DAS。评估板可帮助设计工程师快速完成项目开发，例如验证图4所示解决方案。

在图4所示原理图中，常见的K型OMEGA热电偶(KTSS-116 )连接至差分评估板输入A1。利用Maxim应用笔记4875中介绍的高性价比比例方案，测量冷端温度的绝对值。R1(PT1000)输出连接至评估板输入A0。MAX11200的GPIO控制精密多路复用器MAX4782，复用器动态选择将热电偶或PRTD R1输出连接至MAX11200的输入。

K型热电偶(图3、图4)在-50℃至+350℃范围内的线性度适当。对于有些不太严格的应用，线性逼近公式(式5)能大大降低计算量和复杂度。

近似绝对温度可计算为：

(式5)

式中：E为实测热电偶输出，mV；Tabs为K型热电偶的绝对温度，℃；Tcj为PT1000实测的热电偶冷端温度，℃；Ecj为利用Tcj计算得到的冷端热电偶等效输出，mV。

所以：

k = 0.041mV/℃——从-50℃至+350℃范围内的平均灵敏度

然而，为了在更宽的温度范围(-270℃至+1372℃)内精密测量，强烈建议采用多项式(式2)和系数(根据NIST ITS-90)：

(式6)

式中：Tabs为K型热电偶的绝对温度，℃；E为实测热电偶输出，mV；Ecj为利用Tcj计算得到的冷端热电偶等效输出，mV；f为式2中的多项式函数；TCOLD为PT1000实测的热电偶的冷端温度，℃