redianouguangfanyongyugezhongwendujiance。redianoushejidezuixinjinzhan

，yijixinbiaozhunhesuanfadechuxian，dadakuozhanlegongzuowendufanweihejingdu。muqian
，wendujiancekeyizai-270°C至+1750°C寬範圍內達到±0.1°C的精度。為充分發揮新型熱電偶能力，需要高分辨率熱電偶溫度測量係統。能夠分辨極小電壓的低噪聲、24位
、Σ-Δ模/數轉換器(ADC)非常適合這項任務。數據采集係統(DAS)采用24位ADC評估(EV)板
，熱電偶能夠在很寬的溫度範圍內實現溫度測量。熱電偶、鉑電阻溫度檢測器(PRTD)和ADC相結合，可構成高性能溫度測量係統。采用低成本、低功耗ADC的DAS係統

，可理想滿足便攜式檢測的應用需求。

 

 

托馬斯•塞貝克在1822年發現了熱電偶原理。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)組成(圖1)。塞貝克發現不同的金屬將產生不同的
、與溫度梯度有關的電勢。如果這些金屬焊接在一起構成溫度傳感器結(TJUNC

，也稱為溫度結)
，另一端未連接的差分結(TCOLD，作為恒溫參考端)上將呈現出電壓
，VOUT，該電壓與焊接結的溫度成正比。從而使熱電偶輸出隨溫度變化的電壓/電荷
，無需任何電壓或電流激勵。

 

圖1. 熱電偶簡化電路

 

VOUT溫差(TJUNC - TCOLD)是金屬1及金屬2的金屬類型的函數。該函數在美國國家標準與技術研究院(NIST) ITS-90熱電偶數據庫[1]中嚴格定義，覆蓋了絕大多數實用金屬1和金屬2組合。利用該數據庫
，可根據VOUT測量值計算相對溫度TJUNC。然而，由於熱電偶以差分方式測量TJUNC，為了確定溫度結的實測溫度，就必須知道冷端絕對溫度(單位為°C
、°F或K)。所有現代熱電偶係統都利用另一絕對溫度傳感器(PRTD
、矽傳感器等)精密測量冷端溫度，並進行數學補償。

 

圖1所示熱電偶簡化電路的溫度公式為：

 

Tabs = TJUNC + TCOLD (式1)

 

式中：

 

 

熱電偶的類型各種各樣，但是針對具體的工業或醫療環境可以選擇最適合的異金屬對兒。這些金屬和/或合金組合被NIST及國際電工委員會標準化
，簡寫為E、J
、T
、K、N、B
、S、R等。NIST和IEC為常見的熱電偶類型提供了熱電偶參考表。

 

NIST和IEC還為每種熱電偶類型開發了標準數學模型。這些冪級數模型采用獨特的係數組合，每種熱電偶類型及不同溫度範圍的係數都不同[1]。

 

表1所示為部分常見熱電偶類型(J
、K、E和S)的例子。

 

表1. 常見的熱電偶類型

 

J型熱電偶具有相對較高的塞貝克係數、高精度和低成本，應用廣泛。這些熱電偶使用相對簡單的線性化算法
，即可達到±0.1°C的測量精度。

 

K型熱電偶覆蓋的溫度範圍寬，在工業測量領域的應用非常廣泛。這些熱電偶具有適中的高塞貝克係數、低成本及良好的抗氧化性。K型熱電偶的精度高達±0.1°C。

 

E型熱電偶的應用沒有其它類型熱電偶普及。然而，這組熱電偶的塞貝克係數最高。E型熱電偶所需的測量分辨率低於其它類型。E型熱電偶的測量精度可達到±0.5°C，需要的線性化計算方法相對複雜。

 

S型熱電偶由鉑和銠組成
，這對組合能夠在非常高的氧化環境下實現穩定
、可複現的測量。S型熱電偶的塞貝克係數較低，成本相對較高。S型熱電偶的測量精度可達到±1°C
，需要的線性化算法相對複雜。

 

 

熱電偶電路設計包括具有差分輸入及能夠分辨微小電壓的高分辨率ADC、穩定的低漂移基準，以及準確測量冷端溫度的方法。

 

圖2所示為簡化原理圖。MX7705是一款16位、Σ-Δ ADC，內置可編程增益放大器(PGA)

，無需外部精密放大器
，能夠分辨來自熱電偶的微伏級電壓。冷端溫度利用MAX6627遠端二極管傳感器以及位於熱電偶連接器處、連接成二極管的晶體管測量。MX7705的輸入共模範圍擴展至低於地電勢30mV，可實現有限的負溫度範圍。

 

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MX7705提供2.5V精密電壓基準。

 

也有針對具體應用設計的IC，用於熱電偶信號調理。這些IC集成本地溫度傳感器、精密放大器
、ADC和電壓基準。例如，MAX31855為冷端補償熱電偶至數字轉換器
，可數字化K、J、N
、T或E型熱電偶信號。MAX31855以14位(0.25°C)分辨率測量熱電偶溫度(圖3)。

 

圖3. 集成冷端溫度補償的ADC，轉換熱電偶電壓時無需外部補償。

 

 

熱電偶為差分傳感器，利用溫度結和冷端之間的溫差產生輸出電壓。根據式1，隻有精密測得冷端絕對溫度(TREF)時，才能得到溫度結的絕對溫度(Tabs)。

 

可利用新型鉑RTD (PRTD)測量冷端絕對溫度。它在很寬的溫度範圍內提供良好的性能，尺寸小、功耗低，成本非常合理。

 

圖4所示為精密DAS的簡化原理圖
，采用了MAX11200 (24位、Σ-Δ ADC)評估(EV)板
，可實現熱電偶溫度測量。本例中
，利用R1 - PT1000 (PTS 1206，1000Ω)測量冷端絕對溫度。該解決方案能夠以±0.30°C或更高精度測量冷端溫度。

 

圖4. 熱電偶DAS簡化圖

 

如圖4所示，MAX11200的GPIO設置為控製精密多路複用器MAX4782，它選擇熱電偶或PRTD R1 - PT1000。該方法可利用單個ADC實現熱電偶或PRTD的動態測量。提高了係統精度
，降低校準要求。

 

 

熱電偶為電壓發生裝置。但是，大多數常見熱電偶的輸出電壓作為溫度的函數呈現非常高的非線性。

 

圖4和圖5中說明，如果沒有經過適當補償

，常見的工業K型熱電偶的非線性誤差會超過數十攝氏度。

 

圖5. K型熱電偶的輸出電壓和溫度關係圖。曲線在-50°C至+350°C範圍內線性度較好
；在低於-50°C和高於+350°C時，相對於絕對線性度存在明顯偏差。

 

圖6. 相對於直線逼近的偏差，假設線性輸出為從-50°C至+350°C，平均靈敏度為k = 41µV/°C。

 

IEC采用的NIST ITS-90等現代熱電偶標準化處理


、查(zha)找(zhao)表(biao)和(he)公(gong)式(shi)數(shu)據(ju)庫(ku)，是(shi)當(dang)前(qian)係(xi)統(tong)間(jian)互(hu)換(huan)熱(re)電(dian)偶(ou)類(lei)型(xing)的(de)基(ji)礎(chu)。通(tong)過(guo)這(zhe)些(xie)標(biao)準(zhun)，熱(re)電(dian)偶(ou)很(hen)容(rong)易(yi)由(you)相(xiang)同(tong)或(huo)不(bu)同(tong)製(zhi)造(zao)商(shang)的(de)其(qi)它(ta)熱(re)電(dian)偶(ou)所(suo)替(ti)代(dai)
，而(er)且(qie)經(jing)過(guo)最(zui)少(shao)的(de)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)更(geng)新(xin)或(huo)校(xiao)準(zhun)即(ji)可(ke)確(que)保(bao)性(xing)能(neng)指(zhi)標(biao)。

 

NIST ITS-90熱電偶數據庫提供了詳細的查找表。通過使用標準化多項式係數，還可利用多項式在非常寬的溫度範圍內將熱電偶電壓換算成溫度(°C)。

 

根據NIST ITS-90熱電偶數據庫，多項式係數為：

 

T = d0 + d1E + d2E² + ... dNEN (式2)

 

式中：

 

 

表2所示為一個K型熱電偶的NIST (NBS)多項式係數。

 

表2. K型熱電偶係數

 

利用表2中的多項式係數，能夠在-200°C至+1372°C溫度範圍內以優於±0.1°C的精度計算溫度T。大多數常見熱電偶都有不同係數表可用。

 

同樣，在-200°C至0、0至+500°C和+500°C至+1372°C溫度範圍也可以找到類似的NIST ITS-90係統
，能夠以更高精度(低於±0.1°C，相對於±0.7°C)計算溫度。與原來的“單”間隔表進行比較即可看出這點。

 

 

表3所示為MAX11200的基本性能指標，具有圖4中所示的電路特性。

 

表3. MAX11200的主要技術指標

 

本文中使用的MAX11200是一款低功耗
、24位、Σ-Δ ADC
，適合於需要寬動態範圍
、高分辨率的低功耗應用。利用該ADC，基於式3和4可計算圖3電路的溫度分辨率。

 

(式3)

 

(式4)

 

式中：

 

 

表4所列為利用式3和4計算表1中K型熱電偶的測量分辨率。

 

表4. K型熱電偶在不同溫度範圍內的測量分辨率

 

表4中提供了每個溫度範圍內的°C/LSB誤差和°C/NFR誤差計算值。無噪聲分辨率(NFR)表示ADC能夠可靠區分的最小溫度值。對於整個溫度範圍

，NFR值低於0.1°C，對於工業和醫療應用中的大多數熱電偶遠遠足夠。

 

 

MAX11200EVKIT提供了全功能
、高分辨率DAS。評估板可幫助設計工程師快速完成項目開發，例如驗證圖4所示解決方案。

 

在圖4所示原理圖中，常見的K型OMEGA熱電偶(KTSS-116)連接至差分評估板輸入A1。利用Maxim應用筆記4875中介紹的高性價比比例方案，測量冷端溫度的絕對值。R1 (PT1000)輸出連接至評估板輸入A0。MAX11200的GPIO控製精密多路複用器MAX4782，複用器動態選擇將熱電偶或PRTD R1輸出連接至MAX11200的輸入。

 

K型熱電偶(圖3、4)在-50°C至+350°C範圍內的線性度適當。對於有些不太嚴格的應用，線性逼近公式(式5)能大大降低計算量和複雜度。

 

近似絕對溫度可計算為：

 

(式5)

 

式中：

 

 

所以：

 

k = 0.041mV/°C——從-50°C至+350°C範圍內的平均靈敏度

 

然而，為了在更寬的溫度範圍(-270°C至+1372°C)內精密測量
，強烈建議采用多項式(式2)和係數(根據NIST ITS-90)：

 

Tabs = ƒ(E + Ecj) (式6)

 

式中：

 

 

圖7所示為圖4的開發係統。該係統包括經認證的精密校準器，Fluke®-724，作為溫度模擬器代替K型OMEGA熱電偶。

 

圖7. 圖4開發係統

 

Fluke-724校準器提供與K型熱電偶在-200°C至+1300°C範圍內輸出相對應的精密電壓，送至基於PT1000的冷端補償模塊。基於MAX11200的DAS動態選擇熱電偶或PRTD測量值
，並通過USB端口將數據送至筆記本計算機。專門開發的DAS軟件采集並處理熱電偶和PT1000輸出產生的數據。

 

表5列出了-200°C至+1300°C溫度範圍內的測量和計算值，采用式5和6。

 

表5. -200°C至+1300°C範圍的測量計算

 

如表5所示，利用式6
，基於MAX11200的DAS係統在非常寬的溫度範圍內可達到±0.3°C數量級的精度。式5中的線性逼近法在很窄的-50°C至+350°C範圍內僅能實現1°C至4°C的精度。

 

注意，式6需要相對複雜的線性化計算算法。

 

大約十年之前
，在DAS係統設計中實現此類算法會受到技術和成本的限製。當今的現代化處理器速度快

、性價比高，解決了這些難題。

 

 

最近幾年
，適用於-270°C至+1750°C溫度範圍的高性價比

、熱電偶溫度檢測技術取得較大進展。在改進溫度測量和範圍的同時，成本也更加合理，功耗更低。

 

如果ADC和熱電偶直接連接，這些基於熱電偶的溫度測量係統需要低噪聲ADC (如MAX11200)。熱電偶、PRTD和ADC集成至電路時
，能夠實現非常適用於便攜式檢測應用的高性能溫度測量係統。

 

MAX11200具有較高的無噪聲分辨率
、集成緩衝器和GPIO驅動器，可直接連接任何傳統的熱電偶及高分辨率PRTD (如PT1000)，無需額外的儀表放大器或專用電流源。更少的接線和更低的熱誤差進一步降低係統複雜性和成本，使設計者能夠實現DAS與熱電偶及冷端補償模塊的簡單接口。

 

本文來源於Maxim。