利用先进的热电偶与高分辨率Σ-Δ ADC实现高精度温度测量.pdf

美信社区： 利用先进的热电偶和高分辨率Σ -Δ ADC 实现高精度温度测量 Joseph Shtargot, 应用工程师 Sohail Mirza, 应用经理 摘要：许多工业和医学应用需要±1°C 甚至更高精度的温度测量，并且成本合理，可 覆盖宽温范围 (-270°C 至+1750°C)，这些系统往往还要求低功耗性能。经过正确选择和标 准化处理，利用高分辨率 ADC 数据采集系统 (DAS)和新型热电偶，能够覆盖这一温度范围， 即使在恶劣的工业环境下，亦可确保精确测量。 引言 热电偶广泛用于各种温度检测。热电偶设计的必威体育精装版进展，以及新标准和算法的出现，大 大扩展了工作温度范围和精度。目前，温度检测可以在-270°C 至+1750°C 宽范围内达到 ±0.1°C 的精度。为充分发挥新型热电偶能力，需要高分辨率热电偶温度测量系统。能够 分辨极小电压的低噪声、24 位、Σ -Δ 模/数转换器 (ADC)非常适合这项任务。数据采集系统 (DAS)采用 24 位 ADC 评估 (EV)板，热电偶能够在很宽的温度范围内实现温度测量。热电偶、 铂电阻温度检测器 (PRTD)和 ADC 相结合，可构成高性能温度测量系统。采用低成本、低功耗 ADC 的DAS 系统，可理想满足便携式检测的应用需求。 热电偶入门 托马斯•塞贝克在 1822 年发现了热电偶原理。热电偶是一种简单的温度测量装置，由两 种不同金属 (金属 1 和金属 2)组成(图 1)。塞贝克发现不同的金属将产生不同的、与温度梯 度有关的电势。如果这些金属焊接在一起构成温度传感器结 (TJUNC，也称为温度结)，另一 端未连接的差分结 (TCOLD，作为恒温参考端)上将呈现出电压，VOUT，该电压与焊接结的温 度成正比。从而使热电偶输出随温度变化的电压/电荷，无需任何电压或电流激励。 图 1. 热电偶简化电路 VOUT 温差 (TJUNC - TCOLD)是金属 1 及金属 2 的金属类型的函数。该函数在美国国家标 准与技术研究院 (NIST) ITS-90 热电偶数据库[1]中严格定义，覆盖了绝大多数实用金属 1 和金属 2 组合。利用该数据库，可根据 VOUT 测量值计算相对温度 TJUNC。然而，由于热电 偶以差分方式测量 TJUNC，为了确定温度结的实测温度，就必须知道冷端绝对温度(单位 为°C、°F或 K)。所有现代热电偶系统都利用另一绝对温度传感器(PRTD、硅传感器等)精 密测量冷端温度，并进行数学补偿。 图 1 所示热电偶简化电路的温度公式为： Tabs = TJUNC + TCOLD (式 1) 美信社区： 式中： Tabs 为温度结的绝对温度； TJUNC 为温度结与基准冷端的相对温度； TCOLD 为冷端参考端的绝对温度。 热电偶的类型各种各样，但是针对具体的工业或医疗环境可以选择最适合的异金属对儿。 这些金属和/或合金组合被 NIST 及国际电工委员会标准化，简写为 E、J、T、K、N、B、S、 R 等。NIST 和 IEC 为常见的热电偶类型提供了热电偶参考表[1]。 NIST 和 IEC 还为每种热电偶类型开发了标准数学模型。这些幂级数模型采用独特的系 数组合，每种热电偶类型及不同温度范围的系数都不同[1]。 表 1 所示为部分常见热电偶类型 (J、K、E 和 S)的例子。 表 1. 常见的热电偶类型 Seebeck Thermocouple Positive Negative Temperature Coefficient at Type Conductor Conductor Range (°C) +20°C J Chromel Constantan 0 to 7