現(xiàn)代熱電偶和高分辨率Δ-Σ型ADC可實(shí)現(xiàn)高精度溫度測量

熱電偶用于廣泛的溫度檢測應(yīng)用。熱電偶設(shè)計(jì)的最新發(fā)展，以及新的標(biāo)準(zhǔn)和算法，極大地?cái)U(kuò)展了其溫度范圍和精度?，F(xiàn)在，在 -0°C 至 +1°C 的極寬范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)高達(dá) ±270.1750°C 的精度。為了利用所有新的熱電偶功能，需要高分辨率熱電偶溫度測量系統(tǒng)。低噪聲、24位、三角積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）能夠分辨非常小的電壓，非常適合這項(xiàng)任務(wù)。當(dāng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）將評(píng)估（EV）套件用于24位ADC時(shí)，可以在該寬溫度范圍內(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(shí)，它們可實(shí)現(xiàn)高性能溫度測量系統(tǒng)。基于 ADC 的 DAS 還可以設(shè)計(jì)為以非常合理的成本和低功耗運(yùn)行，使其成為便攜式檢測應(yīng)用的理想選擇。

熱電偶入門

托馬斯·塞貝克在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裝置，由兩種不同金屬（金屬 1 和金屬 2）的結(jié)組成（圖 1）。塞貝克發(fā)現(xiàn)，不同的金屬會(huì)根據(jù)施加在它們身上的溫度梯度產(chǎn)生不同的電勢。如果這些金屬在溫度傳感結(jié)上焊接在一起（T六月，又稱熱結(jié)），其他差分未連接結(jié)（T冷，保持在恒定的參考溫度）將顯示電壓 V外，即與焊接結(jié)處的施加溫度成正比。這使得熱電偶成為不需要任何電壓或電流激勵(lì)的電壓/電荷產(chǎn)生裝置。

圖1.簡化的熱電偶電路

在外是溫差（T六月- 噸冷） 以及金屬 1 和金屬 2 中的金屬類型。此功能在美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院 （NIST） ITS-90 熱電偶數(shù)據(jù)庫 1 中精確定義，適用于最實(shí)用的金屬 1 和金屬 2 組合。數(shù)據(jù)庫允許計(jì)算相對(duì)溫度，T六月，基于 V外測量值。但是，由于熱電偶測量T六月差分上，必須知道絕對(duì)冷端溫度（以°C、°F或K為單位）才能確定在熱端測量的實(shí)際溫度。所有基于熱電偶的現(xiàn)代系統(tǒng)都使用額外的絕對(duì)溫度傳感器（PRTD、硅傳感器等）來精確測量冷端的溫度，并在數(shù)學(xué)上補(bǔ)償差異。

圖1所示簡化熱電偶電路的溫度方程為：

Tabs = TJUNC + TCOLD （等式1）

其中：

Tabs是熱端的絕對(duì)溫度;

TJUNC是熱端與冷參考結(jié)的相對(duì)溫度;

TCOLD是參考冷端的絕對(duì)溫度。

熱電偶有十幾種，但某些特定材料對(duì)的不同金屬在某些工業(yè)或醫(yī)療條件下效果更好。這些金屬和/或合金的組合由NIST和國際電工委員會(huì)（IEC）標(biāo)準(zhǔn)化，縮寫為E，J，T，K，N，B，S，R等。NIST和IEC為每種流行的熱電偶類型提供熱電偶參考表。1

NIST和IEC還為每種類型的熱電偶開發(fā)了標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型。這些功率級(jí)數(shù)模型使用獨(dú)特的系數(shù)集，這些系數(shù)對(duì)于給定熱電偶類型中的不同溫度段而有所不同。1

表1列出了一些常見的常用熱電偶類型（J、K、E和S）的示例。

J型熱電偶因其相對(duì)較高的塞貝克系數(shù)、高精度和低成本而被廣泛使用。這些熱電偶允許使用相對(duì)簡單的線性化計(jì)算算法進(jìn)行高達(dá)±0.1°C的精度測量。

K型熱電偶在寬溫度范圍內(nèi)的工業(yè)測量中非常受歡迎。這些熱電偶具有適度高的塞貝克系數(shù)、低成本和良好的抗氧化性。K 型可實(shí)現(xiàn)高達(dá) ±0.1°C 的測量精度。

E型熱電偶不如其他熱電偶廣泛。然而，塞貝克系數(shù)在這個(gè)組中最高。E型熱電偶的測量需要的測量分辨率低于其他類型的熱電偶。E型允許測量精度高達(dá)±0.5°C，并且需要相對(duì)復(fù)雜的線性化計(jì)算算法。

S型熱電偶由鉑和銠組成，這種組合可以在氧化氣氛中的極高溫度下進(jìn)行更穩(wěn)定和可重復(fù)的測量。S型熱電偶的塞貝克系數(shù)低，成本相對(duì)較高。S型允許測量精度高達(dá)±1°C，并且需要相對(duì)復(fù)雜的線性化計(jì)算算法。

應(yīng)用示例

熱電偶的電子接口由具有差分輸入的高分辨率ADC組成，并具有分辨小電壓的能力;穩(wěn)定且低漂移的基準(zhǔn)電壓源;以及一些準(zhǔn)確測量冷端溫度的方法。

圖 2 詳細(xì)介紹了一個(gè)簡化的原理圖示例。MX7705 是一款 16 位三角積分 ADC，集成了一個(gè)內(nèi)部可編程增益放大器 （PGA），無需外部精密放大器，并可解析來自熱電偶的微伏級(jí)電壓。冷端溫度由MAX6627遠(yuǎn)端二極管傳感器和位于熱電偶連接器的外部二極管連接晶體管測量。MX7705 可以適應(yīng)有限的負(fù)溫度范圍，其輸入共模范圍擴(kuò)展至地電位以下 30mV。2

圖2.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MX2提供5.7705V精密電壓基準(zhǔn)

特定應(yīng)用的IC也可用于熱電偶信號(hào)調(diào)理。這些IC集成了本地溫度傳感器、精密放大器、ADC和基準(zhǔn)電壓源。例如，MAX31855為冷端補(bǔ)償熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器，用于對(duì)來自K、J、N、T或E型熱電偶的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理。MAX31855以14位（0.25°C）分辨率測量熱電偶溫度（圖3）。

圖3.具有集成冷端補(bǔ)償功能的ADC無需外部補(bǔ)償即可轉(zhuǎn)換熱電偶電壓

錯(cuò)誤分析

冷端補(bǔ)償

熱電偶是差分傳感器，其中輸出電壓由熱結(jié)和冷結(jié)之間的溫差產(chǎn)生。根據(jù)上面的公式1，只有當(dāng)參考冷端的絕對(duì)溫度（T裁判） 可以精確測量。

現(xiàn)代鉑RTD（PRTD）可用于參考冷端的絕對(duì)溫度測量。它在寬溫度范圍內(nèi)以小尺寸、低功耗和非常合理的成本提供了良好的性能。

圖4為簡化原理圖，顯示精密DAS，使用MAX11200 24位Δ-Σ型ADC的評(píng)估（EV）板，允許熱電偶溫度測量。這里，R1 - PT1000（PTS 1206，1000Ω）用于冷端的絕對(duì)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。3

圖4.簡化的熱電偶 DAS

如圖4所示，MAX11200的GPIO設(shè)置為控制精密多路復(fù)用器MAX4782，可選擇熱電偶或PRTD R1 - PT1000。這種方法允許使用單個(gè)ADC進(jìn)行動(dòng)態(tài)熱電偶或PRTD測量。該設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)精度并降低了校準(zhǔn)要求。

非線性誤差

熱電偶是電壓發(fā)生裝置。但輸出電壓是最常見熱電偶溫度的函數(shù)2,4是高度非線性的。

圖4和圖5表明，如果沒有適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，常用工業(yè)K型熱電偶的非線性誤差可能超過數(shù)十°C。

圖5.K型熱電偶的輸出電壓與溫度的關(guān)系。曲線在-50°C至+350°C范圍內(nèi)具有合理的線性;它與絕對(duì)線性度明顯偏差 - 低于-50°C和高于+350°C。1

圖6.假設(shè)線性輸出為-50°C至+350°C，平均靈敏度為k = 41μV/°C，則與直線近似值的偏差。1

現(xiàn)代熱電偶標(biāo)準(zhǔn)，表格和公式，如NIST ITS-90熱電偶數(shù)據(jù)庫1被IEC采用，目前代表了系統(tǒng)之間熱電偶類型大量交換的基礎(chǔ)。這些標(biāo)準(zhǔn)使得用來自相同或不同制造商的熱電偶替換熱電偶變得容易，同時(shí)確保額定性能，只需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行最少的重新設(shè)計(jì)或重新校準(zhǔn)。

NIST ITS-90熱電偶數(shù)據(jù)庫提供了詳細(xì)的查找表。通過使用標(biāo)準(zhǔn)化多項(xiàng)式系數(shù)1，它還允許使用多項(xiàng)式方程在很寬的溫度范圍內(nèi)將熱電偶電壓轉(zhuǎn)換為溫度（°C）。

根據(jù)NIST ITS-90熱電偶數(shù)據(jù)庫，多項(xiàng)式系數(shù)為：

T = d0+ d1E + d2和+...d2N和N（公式2）

其中：

T – 是以°C為單位的溫度;
E 是 VOUT - 熱電偶輸出，單位為 mV;
dN是每個(gè)熱電偶獨(dú)有的多項(xiàng)式系數(shù);
N = 多項(xiàng)式的最大階數(shù)。
K型熱電偶的NIST（NBS）多項(xiàng)式系數(shù)如表2所示。

表2顯示，多項(xiàng)式系數(shù)允許在-0°C至+1°C的溫度范圍內(nèi)以優(yōu)于±200.1372°C的溫度T計(jì)算精度。具有不同獨(dú)特系數(shù)的類似表格可用于大多數(shù)流行的熱電偶。1

當(dāng)代 NIST ITS-90 系數(shù)適用于 -200°C 至 0、0 至 +500°C 和 +500°C 至 +1372°C 的溫度區(qū)間，允許以更高的精度計(jì)算溫度（低于 ±0.1°C 與 ±0.7°C）。這可以從與較舊的“單個(gè)”間隔表的比較中看出。2

模數(shù)轉(zhuǎn)換器特性/分析

表3給出了MAX11200的基本性能指標(biāo)，如圖4所示。

本文使用的MAX11200為低功耗、24位Δ-Σ型ADC，適用于要求寬動(dòng)態(tài)范圍和高無噪聲位的低功耗應(yīng)用。使用該ADC，可以使用公式3和3計(jì)算圖4電路的溫度分辨率：

等式3

等式4

其中：

Rtlsb是1 LSB的熱電偶分辨率;
RTNFR是熱電偶無噪聲分辨率（NFR）;
VREF是基準(zhǔn)電壓;
Tzcmax是測量范圍內(nèi)的最高熱電偶溫度;
Tcmin是測量范圍內(nèi)的最低熱電偶溫度;
Vtmax是測量范圍內(nèi)的最大熱電偶電壓;
Vtmin是測量范圍內(nèi)的最小熱電偶電壓;
FS是雙極性配置（223-1）MAX11200的ADC滿量程代碼;
NFR是雙極性配置（220-1）MAX11200的ADC無噪聲分辨率，每秒10個(gè)采樣。

表4提供了每個(gè)溫度范圍的°C/LSB誤差和°C/NFR誤差的計(jì)算值。無噪聲分辨率（NFR）表示ADC可以可靠地區(qū)分的最低溫度值。對(duì)于所有溫度范圍，NFR值均低于0.1°C，這對(duì)于工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用中的大多數(shù)熱電偶來說綽綽有余。

熱電偶與MAX11200評(píng)估板接口

MAX11200評(píng)估板5連接至差分評(píng)估板輸入A1。冷端溫度的絕對(duì)測量采用Maxim應(yīng)用筆記4875中描述的高性價(jià)比比率法。3R1 （PT1000）的輸出連接到評(píng)估板輸入A0。MAX11200的GPIO設(shè)置為控制精密多路復(fù)用器MAX4782，動(dòng)態(tài)選擇連接到MAX1輸入端的熱電偶或PRTD R11200輸出。

K型熱電偶（圖3、4）在-50°C至+350°C范圍內(nèi)具有合理的線性。對(duì)于一些非關(guān)鍵應(yīng)用，線性近似公式（公式5）可以大大減少計(jì)算量和復(fù)雜性。

近似絕對(duì)溫度可以計(jì)算為：

等式5

其中：

E是測得的熱電偶輸出，單位為mV;
標(biāo)簽是K型熱電偶的絕對(duì)溫度，單位為°C;
Tcj是由PT1000測量的熱電偶冷端溫度（°C）;3
Ecj 是使用 Tcj 計(jì)算的冷端熱電偶等效輸出，單位為 mV。
因此：

k = 0.041mV/°C - -50°C 至 +350°C 的平均靈敏度

但是，為了在更寬的溫度范圍內(nèi)（-270°C至+ 1372°C）進(jìn)行精確測量，強(qiáng)烈建議使用多項(xiàng)式公式（公式2）和系數(shù)（根據(jù)NIST ITS-90）：

因此：

k = 0.041mV/°C - -50°C 至 +350°C 的平均靈敏度

但是，為了在更寬的溫度范圍內(nèi)（-270°C至+ 1372°C）進(jìn)行精確測量，強(qiáng)烈建議使用多項(xiàng)式公式（公式2）和系數(shù)（根據(jù)NIST ITS-90）：

Tabs = ?(E + Ecj)（等式 6）

其中：

標(biāo)簽是K型熱電偶的絕對(duì)溫度，單位為°C;
E是測得的熱電偶輸出，單位為mV;
Ecj 是使用 Tcj 計(jì)算的冷端熱電偶等效輸出，單位為 mV;
f 是公式 2 中的多項(xiàng)式函數(shù);
TCOLD是由PT1000測量的熱電偶冷端溫度（°C）。

圖 7 顯示了圖 4 的開發(fā)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有經(jīng)過認(rèn)證的精密校準(zhǔn)器Fluke-724，可像溫度模擬器一樣用于替代K型OMEGA熱電偶。?

圖7.圖 4 的開發(fā)系統(tǒng)

Fluke-724 校準(zhǔn)器為基于 PT200 的冷端補(bǔ)償模塊提供與 -1300°C 至 +1000°C 范圍內(nèi)的 K 型熱電偶輸出相對(duì)應(yīng)的精密電壓?；贛AX11200的DAS動(dòng)態(tài)選擇熱電偶或PRTD測量，并通過USB端口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦P記本電腦。專門開發(fā)的 DAS 軟件收集和處理熱電偶和 PT1000 輸出產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

表5列出了在-5°C至+6°C溫度范圍內(nèi)使用公式200和1300進(jìn)行的測量和計(jì)算。

如表5所示，通過使用公式6，基于MAX11200的DAS在很寬的溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了±0.3°C的精度。公式5的線性近似在較窄的-1°C至+4°C溫度范圍內(nèi)僅允許50°C至350°C的精度。

請注意，使用公式6需要相對(duì)復(fù)雜的線性化計(jì)算算法。

大約十年前，這種算法的實(shí)施可能會(huì)在 DAS 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中同時(shí)受到技術(shù)和成本限制。當(dāng)今的現(xiàn)代處理器可以快速、經(jīng)濟(jì)高效地解決這些挑戰(zhàn)。

結(jié)論

近年來，基于熱電偶的高性價(jià)比溫度檢測測量已經(jīng)發(fā)展起來，適用于-270°C至+1750°C的非常寬的溫度范圍。 溫度測量和范圍的改進(jìn)伴隨著合理的成本和通常非常低的功耗。

如果ADC和熱電偶直接連接，這些基于熱電偶的溫度測量系統(tǒng)需要低噪聲ADC（如MAX11200）。當(dāng)集成在電路中時(shí)，熱電偶、PRTD和ADC可提供高性能溫度測量系統(tǒng)，非常適合便攜式檢測應(yīng)用。

高無噪聲分辨率、集成緩沖器和GPIO驅(qū)動(dòng)器允許MAX11200直接與PT1000等任何傳統(tǒng)熱電偶和高分辨率PRTD接口，無需額外的儀表放大器或?qū)Ｓ?a target="_blank">電流源。更少的布線和更低的熱誤差進(jìn)一步降低了系統(tǒng)復(fù)雜性和成本，從而使設(shè)計(jì)人員能夠使用熱電偶和冷端補(bǔ)償模塊實(shí)現(xiàn)簡單的DAS接口。

審核編輯：郭婷