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热电偶和精密Δ-ΣADC进行高性能温度测量

时间:2019-03-04 ??来源:敏创电子??编辑:热敏电阻厂家??浏览:
许多工业和医疗应用要求温度测量精度为±1°C或更高,在很宽的温度范围(-270°C至+ 1750°C)内以合理的成本执行,并且通常功耗低。本文介绍了基于精密Δ-Σ模数转换器(ADC)的经济高效,便携式,高分辨率数据采集系统(DAS)的设计。它还提供了用于实现标准化线性化计算算法的公式和软件,以准确覆盖这个宽温度范围,同时确保可重复的测量。 

这个由两部分组成的系列介绍了基于精密Δ-Σ模数转换器(ADC)的经济高效,便携式,高分辨率数据采集系统(DAS)的设计。

热电偶计算概述
在本系列的第1部分2,我们解释,热电偶产生的电压/电荷(V OUT),并且不需要任何电压或电流激励。熟悉该技术的读者可以跳到下一部分。
V OUT是由两种不同金属产生的温差 - (T JUNC - T COLD)的函数。差异是由于金属1和金属2的不同电势以及施加在它们上的温度梯度。3 NIST ITS-90热电偶数据库4为大多数实用的金属1和金属2组合定义了此V OUT功能,并根据V OUT测量值计算相对温度T JUNC。重要的是要强调T JUNC只是相对于冷端的相对温度(T COLD)。要查找绝对温度(以°C,°F或K为单位),必须单独测量T COLD温度:
Tabs = T JUNC + T COLD (等式1)

其中:
Tabs是热结的绝对温度; 
T JUNC是热结与冷参比结的相对温度; 
T COLD是参考冷端的绝对温度。
请注意,T JUNC和T COLD温度测量必须以相同的单位(即,°C,°F或K)生成。
公式1规定热电偶测量需要热结的V OUT精度测量,以及用于冷端温度测量的精确互补传感器5。

准确性和分辨率
可以使用简化的线性化算法完成热电偶温度计算。绝对温度近似计算如下:
标签=(E + Ecj)/ k (等式2)
其中:
E是测得的热电偶输出,单位为mV; 
标签是热电偶的绝对温度,单位为°C; 
Ecj是以mV为单位的冷端热电偶等效输出,通过使用独立测量的冷端温度和ITS-90热电偶数据库表计算得出; 

k是热电偶的平均灵敏度。
虽然线性化方法可以大大减少计算量和复杂性,但它也可能产生大的温度测量误差。例如,在K型热电偶中,通过公式2的线性近似在较窄的-50°C至+ 350°C温度范围内仅允许1°C至4°C的精度。在+ 1000°C时,计算误差可能达到7°C左右,而在-100°C时,误差可能在13°C左右。(见表2)。大误差的根本原因可以追溯到非线性,如图1所示。
图1. K型热电偶非线性。
 
数据显示了K型热电偶的输出电压与温度的关系。该曲线在-50°C至+ 350°C的范围内是相当线性的,并且在“末端”,低于-50°C和高于+ 350°C时,它明显偏离绝对线性。6
作为温度函数 的最常见热电偶7,8的输出电压是高度非线性的。如图1中的K型热电偶示例所示,这种非线性会在扩展的温度范围内产生大的误差。
扩展温度范围内的误差对于冷端补偿热电偶数字转换器等特定应用IC(ASIC)也很常见。例如,如果K型热电偶需要延长-270°C至+ 1372°C的温度范围,那么冷端补偿热电偶数字转换器的整体精度将为±6°C。其他流行的热电偶也存在类似的情况。
因此,图1和等式2表明,需要相当复杂的非线性补偿来进一步提高流行的工业热电偶的精度。

提高准确性
我们现在返回上面引用的NIST ITS-90数据库。使用现代NIST ITS-90热电偶数据库可以实现精确的精度提升(数量级与线性化算法的比较),该数据库允许使用多项式方程在很宽的温度范围内将热电偶电压转换为温度(°C)标准化多项式系数。9提供了新的现代NIST ITS-90系数,用于温度间隔(与之前标准中的单个间隔相比),它们可以精确计算温度(约±0.1°C) - 对于大多数工业应用来说已经足够了。

改善决议
该RD中使用的超低功耗Δ-Σ ADC。它具有极低的输入参考RMS噪声,在10sps时为570nV。无噪声分辨率(NFR)约为6.6×RMS噪声,表示值为3.762μV。(这称为无闪烁代码。)NFR表示ADC在测量范围内可以可靠地区分的最小值。
表1提供了比该系列10的第1部分更精确的NFR分辨率值,其中假设NFR = V REF / 2 20。因此,0°C至500°C范围的详细计算如下:
无噪声代码= V INT /输入参考噪声
无噪声代码= 20.644mV /3.762μVP-P 无
噪声代码= 5487.5代码
温度(分辨率)= 500°C / 5487.5 
温度(分辨率)= 0.0911°C
表1提供了三个温度范围的°C / NFR误差的计算值。对于所有温度范围,NFR值低于0.15°C,这比ASIC更好,对于工业和医疗应用中的大多数热电偶来说已经足够了。

表1.定义的温度范围的°C / NFR误差
温度范围(°C) -200到0 0到500 500至1372
电压范围(V INT,mV) -5.891 20.644 34.242
分辨率(°C / NFR) -0.1277 0.0911 0.0871

电子设计
热电偶与基于超低功耗Δ-Σ ADC的DAS板连接
该设计产生了非:玫慕峁,但包括许多组件,光学隔离和用于一般应用的功能。图2显示了基于超低功耗Δ-Σ ADC的DAS电路板的简化原理图,此处针对经济高效的便携式热电偶测量应用进行了优化。PRTD包括在船上。11
使用超低功耗Δ-Σ ADC全差分功能可实现高分辨率。比例式方法利用ADC出色的共模抑制(100dB或更高),因此,设计可实现理想的信噪比(SNR),无需光隔离和专用参考。
 
图2.基于DAS的超低功耗Δ-Σ ADC温度测量系统的框图。设计允许动态测量热电偶或PRTD。
 
在图2中,超低功耗Δ-Σ ADC的GPIO设置为控制精密多路复用器,它选择热电偶或PRTD。这种方法允许使用单个超低功耗Δ-Σ ADC动态测量热电偶或PRTD; 它提高了系统精度,降低了校准要求。PRTD是PT1000(PTS1206,1000Ω),用于冷端的温度测量。精度LDO功率的系统,并提供了超低功耗Δ-Σ ADC的参考电压。

算法
为此设计选择的算法类似于本文第1部分中介绍的算法,可用于任何类型的热电偶。NIST ITS-90为特定温度区间提供不同的系数:-200°C至0°C,0°C至+ 500°C,以及+ 500°C至+ 1372°CK型热电偶。必须预先选择每个温度区间,以便在公式3中使用。
T = d 0 + d 1 ×E 1 + d 2 ×E 2 + ... d N ×E N. (等式3)
其中:
T是以°C为单位的温度; 
E是以mV 为单位的V OUT热电偶输出; 
dN是每个热电偶独有的多项式系数; 
N是多项式的最大阶数。
等式3中的简化线性化算法允许设计者基于表1以足够的精度选择温度间隔。

处理数据
微控制器(图2)中 的固件通过USB为软件提供数据读取功能。该软件基于等式2和3实现算法。原始测量数据在PC内部处理。该软件管理以下主要功能,如图3所示:
初始化超低功耗Δ-Σ ADC
收集并处理ADC的输出数据
使用等式2和3计算温度
在初始化期间,超低功耗Δ-Σ ADC经过自校准过程,启用输入信号缓冲器,并禁用系统增益校准和系统偏移校准。该DAS允许合理快速的数据采集,具有出色的(100dB或更高)正常模式电力线50Hz / 60Hz抑制。选择采样率对于降低工业测量中的噪声和干扰非常重要。
推荐的60Hz线路频率抑制外部时钟为2.4576MHz,对数据速率为1,2,5,10和15sps有效。对于50Hz线路频率抑制,推荐的外部时钟为2.048MHz,这对于0.83,2.08,4.17,8.33和12.5sps的数据速率有效。
输入信号缓冲器将输入阻抗增加到高兆欧范围。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。


图3.图表概述了DAS固件和软件的顶级操作。


设计实施
图4示出了在图2中所示的DAS的成本有效的,紧凑的高分辨率DAS的执行的设计和与流行的K型OMEGA测试®热电偶KTSS-116 12,并用在Fluke验证® 724温度校准。DAS板尺寸仅为2英寸×1.5英寸,材料费用总额低于10美元,具体取决于数量。目前的设计是通过笔记本电脑USB端口供电。通过降低时钟频率和移除状态LED,可以将基于电池的功耗降低到3mA以下。
 
图4.采用超低功耗Δ-Σ ADC 的温度测量系统的设置。

温度校准器提供的精确电压对应于K型热电偶在-200°C至+ 1300°C范围内的输出,与精密多路复用器 X1和Y1输入相对应。连接到精密多路复用器 X0和Y0输入的板载PT1000电路提供冷端补偿模块。
该软件收集并处理热电偶和PT1000输出产生的数据。超低功耗Δ-Σ ADC的GPIO允许动态控制精密多路复用器,用于选择热电偶或PRTD。MAXQ622微控制器管理超低功耗Δ-Σ ADC测量,并通过USB端口将数据传输到笔记本电脑。
 
笔记本电脑显示屏显示了一个传统的模拟温度计,它具有全尺寸近似测量值,以及一个反映最终温度计算的精确数字温度计(以°C或°F为单位)。
表2列出了在-200°C至+ 1300°C温度范围内使用公式2和3进行的测量和计算。

表2. -200°C至+ 1300°C温度范围的测量
温度 - Fluke 724(°C) 温度 - 热电偶GUI(°C) 温度误差与校准器(°C) 温度由线性方程(°C)计算
-200 -200.2 -0.2 -143.6
-100 -100.4 -0.4 -86.62
-50 -50.4 -0.4 -46.01
0 -0.3 -0.3 0.05
20 19.7 -0.3 19.68
100 99.7 -0.3 99.96
200 199.8 -0.2 198.69
500 499.9 -0.1 503.7
1000 1000.4 0.4 1006.92
1300 1300.9 0.9 1278.4

 
表2显示,使用公式2,基于超低功耗Δ-Σ ADC的DAS可在非常宽的温度范围内实现±0.5°C的精确温度测量,在+ 1300°C时精度约为0.9°C。等式2的线性近似允许快速有效地选择温度间隔。使用等式2需要使用多项式计算算法进行相对复杂的计算。现代处理器与便携式个人计算机配合使用,可以高效,经济地处理复杂的计算。