通過下一代Δ-Σ轉(zhuǎn)換器超越溫度檢測預期

發(fā)動機、工業(yè)和過程控制應用要求電氣環(huán)境在寬溫度范圍內(nèi)具有高精度的溫度傳感活動。該設計方案評估了熱電偶和RTD溫度傳感器的精度，發(fā)現(xiàn)具有輔助電流源和基準電壓矩陣的24位ΔΣ ADC成功獲得了高精度熱電偶結(jié)果。

介紹

溫度是傳感器世界中最常見的檢測特性。例如，復雜的燃氣渦輪發(fā)動機需要全面的儀器才能安全正確地運行，溫度是最關鍵的最終評估參數(shù)之一。

在燃氣渦輪發(fā)動機中，數(shù)百個熱電偶提供進氣、內(nèi)部和出口溫度，以便在不同運行條件下進行發(fā)動機控制，以監(jiān)測高溫部件的健康狀況，并計算壓縮機和渦輪機的效率。

該設計解決方案評估用于高溫測量的熱電偶以及用于局部冷端補償（CJC）點的電阻溫度檢測器（RTD）的精度。此外，我們還將重點介紹多通道三角積分（ΔΣ）模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）如何通過包括片內(nèi)集成可編程增益放大器、電流源和出色的低噪聲特性來提高溫度精度標準。

熱電偶與RTD

熱電偶和RTD看似截然相反，但它們各自的特性非常適合溫度檢測應用。熱電偶測量渦輪發(fā)動機的極端溫度，而RTD提供精確的PCB CJC測量。表1總結(jié)了RTD和熱電偶溫度傳感器的主要特性。

表 1.RTD和熱電偶溫度傳感器基本特性的比較

特征	熱電偶 （TC）	電阻溫度檢測器
溫度范圍	-270°C 至 +1820°C	-200°C 至 +850°C
線性	非線性	高（有限）
功耗	自供電	外部電流或電壓源
輸出范圍	低電壓 （mv）	0°C 時為 1000 或 10000
敏感性	-50μV/°C 非常低	高： -0.39%/°C
操作	需要 CJC + 信號放大器	2、3 或 4 線信號調(diào)節(jié)

熱電偶因其廣泛的高溫傳感范圍而成為渦輪發(fā)動機內(nèi)部傳感活動的前沿和中心。RTD 精度恰如其分地滿足了 CJC 的需求。

熱電偶特性

熱電偶是高溫檢測的正確傳感器，因為它們具有堅固的工作和-270°C至+1820°C的溫度范圍。熱電偶的堅固性使這種小型、廉價的傳感器能夠在惡劣的環(huán)境中承受飽和，如液體或氣體，具有不同程度的大氣壓。

熱電偶有兩根不同金屬或合金的導線（≥ 20 AWG和≤100英尺）。例如，K型熱電偶的兩個引線是鉻和鋁。所有熱電偶在形成熱電偶結(jié)的兩根導線的一端都有一個焊縫。焊縫與熱電偶的兩個開路或尾端之間的溫差會產(chǎn)生一個小的電動勢（EMF）電壓，該電壓對溫差有響應。熱電偶不需要電壓或電流激勵。

傳感器從焊縫到尾端的輸出電壓在毫伏范圍內(nèi)，具有塞貝克或溫度系數(shù)（通常為50μV/°C）。塞貝克系數(shù)是熱電偶電動勢電壓隨溫度變化的一階導數(shù)。

熱電偶的溫度范圍和塞貝克系數(shù)取決于特定的熱電偶類型或金屬引線材料（表2）。表2顯示了熱電偶導體的種類、其指定的溫度范圍以及取決于雙金屬導體的塞貝克系數(shù)。

表 2.熱電偶的類型

熱電偶在很寬的溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生0V至數(shù)十毫伏的電壓。熱電偶輸出電壓可重復，但在整個溫度范圍內(nèi)呈非線性。由于所有熱電偶都是非線性的，因此塞貝克系數(shù)的值也隨溫度而變化。

美國測試與材料協(xié)會（ASTM）根據(jù)NIST專論175對IST-90單元進行了全面表征，在表2中的熱電偶中指定。此外，EMF電壓與溫度的關系表通?？蓮臒犭娕贾圃焐烫帿@得。

小、絕對和三角形熱電偶電壓與24位ΔΣ三角積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ΔΣ ADC）完美一致，典型的最低有效位（LSB）等于電源電壓除以轉(zhuǎn)換器代碼數(shù)。

（公式1）

哪里：

IN = ADC 分辨率

G = PGA 增益

如果ADC的最大輸入范圍為5V，PGA增益為8，則24位轉(zhuǎn)換器的LSB為37.25nV。

熱電阻特性

熱電偶系統(tǒng)需要第二個精確的溫度系統(tǒng)作為CJC參考點運行。RTD溫度傳感器在-200°C至+850°C溫度范圍內(nèi)具有高精度和可重復性，因此是工業(yè)和醫(yī)療應用的標準配置。RTD傳感器的精度和可重復性特性滿足熱電偶系統(tǒng)CJC的需求。

通常，RTD由包裹在陶瓷或玻璃非導電芯上的細細溫度敏感線組成，例如純鉑，鎳或銅。RTD的電阻隨著溫度的升高而線性增加。

RTD的電阻與溫度曲線是相當線性的，但有一些曲率，如Callendar-Van Dusen方程所述：

R（T） = R0（1 + aT + bT2+ c （T - 100） T3）

哪里：

T = 溫度（°C）

R（T） = T 處的電阻

R0 = T = 0°C 時的電阻

鉑金PT100的0°C規(guī)格為100O。RTD傳感器的PCB位置必須靠近熱電偶到PCB的導線連接。RTD電阻需要電流或電壓激勵，以將元件的電阻更改為伏特。實際熱電偶焊縫溫度是測量的熱電偶焊縫溫度加上測量的RTD溫度。

第一次就做對

所有熱電偶和RTD系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)是第一次獲得最準確的溫度讀數(shù)。這種高水平的溫度監(jiān)測可確保被測環(huán)境隨著時間的推移提供準確且可重復的結(jié)果。

傳統(tǒng)的熱電偶加RTD傳感器信號鏈包括兩個分立式前端放大器，然后是模擬濾波器，然后是一個SAR ADC。這種繁瑣、多封裝、需要大量 PCB 的解決方案非常準確。然而，緊湊型ΔΣ ADC在單個緊湊封裝中集成了所有這些片內(nèi)功能。

Δ-Σ型ADC和熱電偶

具有內(nèi)置PGA、50Hz/60Hz數(shù)字濾波器和外部低通濾波器的低噪聲ΔΣ ADC是數(shù)字化K型熱電偶輸出的合適替代方案（圖2）。

圖2.ΔΣ ADC，具有內(nèi)部 PGA 級，后接強大的三階調(diào)制器和 SINC/FIR 數(shù)字濾波器。

在圖2中，K型熱電偶連接到？S ADC 的模擬 AIN4 和 AIN5 引腳?？缭紸IN8和AIN9的RTD檢測熱電偶尾端連接到PCB銅跡線的溫度。所有四個連接均通過輸入多路復用器和內(nèi)部PGA，然后是三階ΔΣ調(diào)制器/SINC/FIR數(shù)字濾波器組合。

MAX11410為24位ΔΣ ADC為低功耗多通道轉(zhuǎn)換器。十個模擬輸入的配置可以是任意組合的單端或全差分連接。這十個輸入允許連接多達四個熱電偶和一個CJC RTD。兩個集成和匹配的電流源，具有 16 個可編程電流電平，為 RTD 傳感器提供激勵。電流源可以連接到任何模擬輸入引腳，而額外的吸電流和電流源有助于檢測損壞的熱電偶傳感器導線。集成偏置電壓源可以連接到一個或多個模擬輸入。該偏置電壓源用于為熱電偶測量提供偏置電壓。

模擬輸入和Δ-Σ調(diào)制器輸入之間的配置可以包括增益步長為1至128的PGA模式。24 位 ΔΣ ADC 可實現(xiàn) 90dB 同步 60Hz 和 50Hz 電源線抑制以及 3ppm INL，無失碼?；鶞孰妷涸吹倪x擇在多個基準輸入引腳和模擬電源之間。

熱電偶產(chǎn)生毫伏輸出信號，渦輪發(fā)動機需要在+400°C至+1000°C的溫度范圍內(nèi)進行溫度測量。 在此溫度范圍內(nèi)，K型熱電偶的輸出范圍約為16.397mV至33.275mV，塞貝克系數(shù)為41±2μV/°C。 連接到3.3V供電ΔΣ ADC的K型熱電偶的正確設置是PGA增益為8，采樣速率為8.4sps（每秒采樣數(shù)）。此配置提供 19.8 位 RMS 分辨率，RMS 噪聲電平等于 0.684μV有效值.

Δ-Σ型ADC和RTD

RTD測量銅纜連接處的熱電偶尾端，以提供CJC基準。RTD盡可能靠近結(jié)連接器至關重要。RTD采用鉑PT100的激勵電流（IRTD采用內(nèi)部MAX11410電流源），為300μA，PGA設置為8。RTD元件的溫度系數(shù)為0.00385Ω/Ω/°C，-40°C時電阻為84.27Ω，+105°C時電阻為140.39Ω。

Δ-Σ型ADC、熱電偶和RTD誤差

熱電偶（現(xiàn)場測量）和RTD（CJC測量）溫度精度誤差同樣會影響最終溫度測量。表 3 總結(jié)了這些貢獻，并提供了最壞情況總和和平方和 （RSS） 計算。

表 3.MAX11410數(shù)字化儀誤差

注意：+1000°C 時的 TC 誤差，TC = 熱電偶（假設塞貝克系數(shù)或 SC 為 50μV/°C），CJ = 冷結(jié)，IR = ADC 輸入偏置電流乘以 1kΩ + 1kΩ 外部電阻。

表 3 中的 TC 溫度值等于：

增益誤差 增益誤差 x 1000°C

紅外誤差輸入電流 x （R海努( 1HNT）/SC

模數(shù)轉(zhuǎn)換器/PGA失調(diào) ADC/PGA失調(diào)/SC

表 3 中的 RTD （CJ） 值等于：

增益誤差 增益誤差/（RTD溫度系數(shù)）

參考輸入電流 SC/（參考輸入電流 x R裁判)

由表3所示，在熱電偶的+400°C至+1000°C溫度范圍和RTD的-40°C至+105°C溫度范圍內(nèi)計算得出的總和或最差情況的熱電偶和RTD精度誤差等于0.50°C。

RSS精度誤差有效，因為表3中的四個誤差和兩個傳感器之間沒有相關性。在該系統(tǒng)中，RSS精度誤差在相同溫度范圍內(nèi)等于0.29°C。

圖3所示為基于MAX11410的MAXREFDES1154雙通道RTD/TC測量系統(tǒng)。該參考設計為熱電偶/RTD/MAX11410組合提供了完整的概念驗證。

圖3.MAXREFDES1154 硬件。

結(jié)論

發(fā)動機、工業(yè)和過程控制應用要求電氣環(huán)境在寬溫度范圍內(nèi)具有高精度的溫度傳感活動。本應用筆記評估了熱電偶和RTD溫度傳感器的精度，發(fā)現(xiàn)具有輔助電流源和基準電壓矩陣的24位ΔΣ ADC成功獲得了高精度熱電偶結(jié)果。

審核編輯：郭婷