利用先进的热电偶和高分辨率Δ-ΣADC实现高精度温度测量
也有针对具体应用设计的IC,用于热电偶信号调理。这些IC集成本地温度传感器、精密放大器、ADC和电压基准。例如,MAX31855为冷端补偿热电偶至数字转换器,可数字化K、J、N、T或E型热电偶信号。MAX31855以14位(0.25℃)分辨率测量热电偶温度(图3)。
图3 集成冷端温度补偿的ADC,转换热电偶电压时无需外部补偿
误差分析
冷端补偿
热电偶为差分传感器,利用温度结和冷端之间的温差产生输出电压。根据式1,只有精密测得冷端绝对温度(TREF)时,才能得到温度结的绝对温度(Tabs)。
可利用新型铂RTD (PRTD)测量冷端绝对温度。它在很宽的温度范围内提供良好的性能,尺寸小、功耗低,成本非常合理。
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。
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