高精度温度测量

每个电子设备都必须经过不同的测试才能确定其预期性能。这是该设备获准投放市场之前的必要步骤。需要进行的一项重要测试是温度测量，以确定产品有效工作的温度范围。更重要的是，和工作温度是已知的。

每个电子设备都必须经过不同的测试才能确定其预期性能。这是该设备获准投放市场之前的必要步骤。需要进行的一项重要测试是温度测量，以确定产品有效工作的温度范围。更重要的是，和工作温度是已知的。
本文介绍了如何使用由 delta-sigma 模数转换器 (ADC) 和现代处理器。该 DAS 提供高性能且经济高效。
这里介绍的开发 DAS 可以快速解决设计和数学挑战，并在 PRTD 的范围（-200°C 至 +850°C）内实现的温度测量。
铂电阻温度探测器 (PRTD) 是温度传感设备，可确保在 -200°C 至 +850°C 的温度范围内进行可重复测量。此外，铂非常稳定，不会受到腐蚀或氧化的影响。因此，PRTD 为需要温度测量的精密工业和医疗应用提供了性能。
PRTD 几乎是线性设备。根据温度范围和其他标准，您可以通过计算 -20°C 至 +100°C 温度范围内的 PRTD 电阻变化来进行线性近似。1 对于更宽的温度范围（-200°C 至 +850 °C），但为了获得更高的精度，温度测量 PRTD 标准 (EN 60751:2008) 通过称为 Callendar-Van Dusen 方程的非线性数学模型定义了铂电阻与温度的关系。
多年前，此类算法的实施可能会给 DAS 设计带来技术和成本限制。当今的现代处理器（如MAXQ2000）和价格实惠的PC可以快速且经济高效地解决这些挑战，同时为用户提供友好的图形显示。
Callendar-Van Dusen 方程可用于此类现代 DAS，以在 -200°C 至 +850°C 的宽动态范围内将误差降低至可忽略的水平。精度将达到±0.3°C 或更高。
设计示例 DAS
本文讨论的 DAS 在 -20°C 至 +100°C 的 PRTD 线性温度范围内提供高分辨率、低噪声测量。在不使用 Callendar-Van Dusen 方程的情况下，其精度为 ±0.15%。通过使用 PRTD1000 (PTS1206-1000Ω)（一种非常常见的铂 RTD），尺寸和成本效益兼备，在给定范围内可以实现优于 ±0.05°C 的温度分辨率。
这个简单的DAS使用MAX11200 24位delta-sigma ADC进行数据转换，并使用低功耗、经济高效的MAXQ2000处理器2进行数据采集。DAS 在 PC 中实现线性化算法。也可以使用任何其他有能力的处理器、控制器或DSP。
PTS1206-1000Ω 等 PRTD 器件对于 -55°C 至 +155°C 的温度范围来说是一个有吸引力的选择，因为它们采用标准表面贴装器件 (SMD) 尺寸，与表面贴装电阻器封装非常相似，并且价格在低单美元范围内。对于 -50°C 至 +500°C 的温度范围，薄膜 PRTD 是一种经济高效的实用选择。3 薄膜 PRTD 由沉积在陶瓷基板上的薄膜铂和玻璃涂层铂元件组成。电阻和温度偏差可控制在 ±0.06% 和 ±0.15°C 以内，该公差对应于 EN 60751 的 A 级。对于液体或腐蚀性环境中的高温测量，薄膜 PRTD 通常放置在保护罩内探测。

图 1 是显示为本文开发的精密 DAS 的简化示意图。

它使用 MAX11200 ADC 评估 (EV) 套件。MAX11200的GPIO1引脚设置为输出来控制继电器校准开关，该开关选择固定RCAL电阻或PRTD。这种多功能性提高了系统精度，将所需的计算减少到 RA 和 RT 初始值的计算量，同时提供出色的系统诊断。
处理数据
MAXQ2000-RAX微控制器上的固件管理以下主要功能，如图2所示：
1. 初始化MAX11200 ADC
2. 收集并处理ADC的输出数据
3. 维护与PC的USB接口

在初始化期间，MAX11200 ADC会执行自校准过程，设置采样率(10sps或15sps)，并启用输入信号缓冲器。采样率的选择对于工业和医疗应用中的温度测量非常重要。该 DAS 可实现相当快速的数据采集，并具有出色的（100dB 或更好）电源线 50Hz/60Hz 抑制能力。60Hz 线路频率抑制的推荐外部时钟为 2.4576MHz，这对于 1、2.5、5、10 和 15sps 的数据速率有效。对于 50Hz 线路频率抑制，建议的外部时钟为 2.048MHz，这对于 0.83、2.08、4.17、8.33 和 12.5sps 的数据速率有效。

使用输入信号缓冲器将输入阻抗增加至高兆欧范围。这提高了测量精度，因为它实际上消除了输入动态电流的分流效应。
该固件还使用MAX3420E USB接口，因此不需要PC端的驱动软件。一旦 DAS 通过 USB 连接到 PC，MAX3420E USB 模块就会初始化，并且 ADC 温度转换数据就可以传输了。
结论
近年来，PRTD 成为各种精密温度传感应用的理想器件，这些应用在 -200°C 至 +850°C 的温度范围内精度和可重复性至关重要。如果 ADC 和 PRTD 直接连接，这些应用需要低噪声 ADC。PRTD 和 ADC 共同提供了一个非常适合便携式传感应用的温度测量系统。这种组合提供了高性能，而且具有成本效益。
为了准确测量 PRTD 范围（-200°C 至 +850°C）内的温度，必须实施称为 Callendar-Van Dusen 方程 (EN 60751:2008) 的非线性数学算法。但就在几年前，实施这些算法对 DAS 系统设计提出了技术和成本限制。当今的现代处理器（例如 MAXQ2000）与价格实惠的 PC 相结合，可以快速且经济高效地解决这些挑战。