高性能的溫度測量系統(tǒng)實現(xiàn)的解決方案

高精度測量始終是設(shè)計人員針對行業(yè)中各種應(yīng)用的目標(biāo)。為此，明智地選擇使用熱電偶和高分辨率delta-sigma ADC將是一個完美的選擇。通過采用這兩種技術(shù)的設(shè)計，系統(tǒng)可以實現(xiàn)準(zhǔn)確的測量，并保持較高的可靠性。

熱電偶被廣泛用于溫度傳感應(yīng)用中。熱電偶設(shè)計的最新發(fā)展以及新的標(biāo)準(zhǔn)和算法大大擴(kuò)展了它們的溫度范圍和精度?，F(xiàn)在，可在-270°C至+ 1750°C的寬范圍內(nèi)實現(xiàn)高達(dá)±0.1°C的精度。為了利用所有新的熱電偶功能，需要高分辨率的熱電偶溫度測量系統(tǒng)。具有低分辨能力的低噪聲，24位，Δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）完全適合此任務(wù)。當(dāng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）將評估（EV）套件用于24位ADC時，可以在較寬的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行熱電偶溫度測量。當(dāng)熱電偶，鉑電阻溫度檢測器（PRTD）和ADC集成在電路中時，它們實現(xiàn)了高性能的溫度測量系統(tǒng)?；贏DC的DAS還可以設(shè)計成以非常合理的成本和低功耗運(yùn)行，使其非常適合便攜式傳感應(yīng)用。

熱電偶入門

托馬斯·塞貝克（Thomas Seebeck）于1822年發(fā)現(xiàn)了熱電偶的原理。熱電偶是一種簡單的溫度測量設(shè)備，由兩種不同金屬（金屬1和金屬2）的結(jié)點(diǎn)組成（圖1）。Seebeck發(fā)現(xiàn)，不同的金屬會根據(jù)應(yīng)用于它們的溫度梯度而產(chǎn)生不同的電勢。如果將這些金屬在溫度感應(yīng)結(jié)（TJUNC，也稱為熱結(jié)）上焊接在一起，則另一個差分未連接結(jié)（TCOLD，保持在恒定參考溫度）將顯示電壓VOUT，即與焊接接頭的施加溫度成正比。這使得熱電偶成為不需要任何電壓或電流激勵的電壓/電荷產(chǎn)生裝置。

簡化的熱電偶電路。

VOUT是溫差（TJUNC – TCOLD）和金屬1和金屬2中金屬類型的函數(shù)。此函數(shù)在美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST）ITS-90熱電偶數(shù)據(jù)庫[1]中精確定義。最實用的金屬1和金屬2組合。該數(shù)據(jù)庫允許根據(jù)VOUT測量值計算相對溫度TJUNC。但是，由于熱電偶采用差分方式測量TJUNC，因此必須知道絕對的冷結(jié)溫度（以°C，°F或K為單位），才能確定在熱結(jié)點(diǎn)處測得的實際溫度。所有基于現(xiàn)代熱電偶的系統(tǒng)都使用附加的絕對溫度傳感器（PRTD，硅傳感器等）來精確測量冷結(jié)端的溫度并用數(shù)學(xué)方法補(bǔ)償差異。

應(yīng)用實例

熱電偶的電子接口包括一個高分辨率ADC，該ADC具有差分輸入并具有分辨小電壓的能力。穩(wěn)定且低漂移的參考；以及準(zhǔn)確測量冷端溫度的一些方法。

圖2詳細(xì)說明了簡化的原理圖示例。MX7705是一個16位delta-sigma ADC，集成了一個內(nèi)部可編程增益放大器（PGA），不需要外部精密放大器，并且可以解析熱電偶的微伏級電壓。使用MAX6627遠(yuǎn)程二極管傳感器和位于熱電偶連接器上的外部二極管連接的晶體管來測量冷端溫度。MX7705可以容納有限范圍的負(fù)溫度，其輸入共模范圍在地平面以下延伸了30mV。

熱電偶測量電路。MX7705測量熱電偶輸出；MAX6627和外部晶體管測量冷端溫度。MAX6002為MX7705提供2.5V精密基準(zhǔn)電壓。

專用IC也可用于熱電偶信號調(diào)理。這些IC集成了本地溫度傳感器，精密放大器，ADC和參考電壓。例如，MAX31855是冷端補(bǔ)償?shù)臒犭娕紨?shù)字轉(zhuǎn)換器，可數(shù)字化K，J，N，T或E型熱電偶的信號。MAX31855以14位（0.25°C）的分辨率測量熱電偶溫度。

誤差分析

熱電偶是差分傳感器，其中的熱端和冷端之間的溫差會產(chǎn)生輸出電壓。根據(jù)上面的公式1，僅當(dāng)可以精確測量參考冷端（TREF）的絕對溫度時，才能找到熱端（Tabs）的絕對溫度。

現(xiàn)代鉑RTD（PRTD）可以用于基準(zhǔn)冷端的絕對溫度測量。它在較小的外形尺寸，低功耗和非常合理的成本下，可在寬溫度范圍內(nèi)提供良好的性能。

圖3為簡化的示意圖，顯示了精密DAS，該DAS使用評估板（EV）用于MAX11200 24位Δ-ΣADC，并允許進(jìn)行熱電偶溫度測量。在此，R1-PT1000（PTS 1206，1000Ω）用于冷端的絕對溫度測量。該解決方案允許以±0.30°C或更高的精度測量冷端溫度。

簡化的熱電偶DAS。

如圖3所示，MAX11200的GPIO設(shè)置為控制精密多路復(fù)用器MAX4782，該多路復(fù)用器選擇熱電偶或PRTD R1-PT1000。這種方法允許使用單個ADC進(jìn)行動態(tài)熱電偶或PRTD測量。該設(shè)計提高了系統(tǒng)精度，并降低了校準(zhǔn)要求。

結(jié)論

根據(jù)該參考設(shè)計提出的建議，溫度測量變得更加容易。現(xiàn)代化的熱電偶和高分辨率的delta-sigma ADC一起工作時，可以實現(xiàn)高精度的溫度評估和分析。

編輯：hfy