利用先进的热电偶和高分辨率Δ-ΣADC实现高精度温度测量

ADC规格参数/分析

表3所示为MAX11200的基本性能指标，具有图4中所示的电路特性。

表3 MAX11200的主要技术指标

本文中使用的MAX11200是一款低功耗、24位、Δ-Σ ADC，适合于需要宽动态范围、高分辨率的低功耗应用。利用该ADC，基于式3和4可计算图3电路的温度分辨率。

(式3)

(式4)

式中：Rtlsb为热电偶在1 LSB时的分辨率；Rtnfr为热电偶无噪声分辨率(NFR)；VREF为基准电压；Tcmax为测量范围内的热电偶最大温度；Tcmin为测量范围内的热电偶最小温度；Vtmax为测量范围的热电偶最大电压；Tcmax为测量范围内的热电偶最小电压；FS为ADC满幅编码，对于双极性配置的MAX11200为(223-1)；NFR为ADC无噪声分辨率，对于双极性配置的MAX11200为(220-1)，10Sa/s时。

表4所列为利用式3和4计算表1中K型热电偶的测量分辨率。

表4中提供了每个温度范围内的℃/LSB误差和℃/NFR误差计算值。无噪声分辨率(NFR)表示ADC能够可靠区分的最小温度值。对于整个温度范围，NFR值低于0.1℃，对于工业和医疗应用中的大多数热电偶远远足够。

表4 K型热电偶在不同温度范围内的测量分辨率

热电偶与MAX11200评估板的连接

MAX11200EVKIT提供了全功能、高分辨率DAS。评估板可帮助设计工程师快速完成项目开发，例如验证图4所示解决方案。

在图4所示原理图中，常见的K型OMEGA热电偶(KTSS-116 )连接至差分评估板输入A1。利用Maxim应用笔记4875中介绍的高性价比比例方案，测量冷端温度的绝对值。R1(PT1000)输出连接至评估板输入A0。MAX11200的GPIO控制精密多路复用器MAX4782，复用器动态选择将热电偶或PRTD R1输出连接至MAX11200的输入。

K型热电偶(图3、图4)在-50℃至+350℃范围内的线性度适当。对于有些不太严格的应用，线性逼近公式(式5)能大大降低计算量和复杂度。

近似绝对温度可计算为：

(式5)

式中：E为实测热电偶输出，mV；Tabs为K型热电偶的绝对温度，℃；Tcj为PT1000实测的热电偶冷端温度，℃；Ecj为利用Tcj计算得到的冷端热电偶等效输出，mV。

所以：

k = 0.041mV/℃——从-50℃至+350℃范围内的平均灵敏度

然而，为了在更宽的温度范围(-270℃至+1372℃)内精密测量，强烈建议采用多项式(式2)和系数(根据NIST ITS-90)：

(式6)

式中：Tabs为K型热电偶的绝对温度，℃；E为实测热电偶输出，mV；Ecj为利用Tcj计算得到的冷端热电偶等效输出，mV；f为式2中的多项式函数；TCOLD为PT1000实测的热电偶的冷端温度，℃。

图7所示为图4的开发系统。该系统包括经认证的精密校准器，Fluke?-724，作为温度模拟器代替K型OMEGA热电偶。

Fluke-724校准器提供与K型热电偶在-200℃至+1300℃范围内输出相对应的精密电压，送至基于PT1000的冷端补偿模块。基于MAX11200的DAS动态选择热电偶或PRTD测量值，并通过USB端口将数据送至笔记本计算机。专门开发的DAS软件采集并处理热电偶和PT1000输出产生的数据。

图7 图4开发系统

表5列出了-200℃至+1300℃温度范围内的测量和计算值，采用式5和6。

表5 -200℃至+1300℃范围的测量计算

如表5所示，利用式6，基于MAX11200的DAS系统在非常宽的温度范围内可达到±0.3℃数量级的精度。式5中的线性逼近法在很窄的-50℃至+350℃范围内仅能实现1℃至4℃的精度。

注意，式6需要相对复杂的线性化计算算法。

大约十年之前，在DAS系统设计中实现此类算法会受到技术和成本的限制。当今的现代化处理器速度快、性价比高，解决了这些难题。

总结

最近几年，适用于-270℃至+1750℃温度范围的高性价比、热电偶温度检测技术取得较大进展。在改进温度测量和范围的同时，成本也更加合理，功耗更低。

如果ADC和热电偶直接连接，这些基于热电偶的温度测量系统需要低噪声ADC(如MAX11200)。热电偶、PRTD和ADC集成至电路时，能够实现非常适用于便携式检测应用的高性能温度测量系统。

MAX11200具有较高的无噪声分辨率、集成缓冲器和GPIO驱动器，可直接连接任何传统的热电偶及高分辨率PRTD (如PT1000)，无需额外的仪表放大器或专用电流源。更少的接线和更低的热误差进一步降低系统复杂性和成本，使设计者能够实现DAS与热电偶及冷端补偿模块的简单接口。