利用先进的热电偶和高分辨率Δ-ΣADC实现高精度温度测量

2012-06-19 18:55:21来源: 21ic
引言

热电偶广泛用于各种温度检测热电偶设计的最新进展,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℃至+1750℃宽范围内达到±0.1℃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、Δ-Σ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。

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℃、℃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。

热电偶简化电路
图1 热电偶简化电路

图1所示热电偶简化电路的温度公式为:

Tabs = TJUNC + TCOLD (式1)

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。

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。

表1所示为部分常见热电偶类型(J、K、E和S)的例子。

常见的热电偶类
表1. 常见的热电偶类

J型热电偶具有相对较高的塞贝克系数、高精度和低成本,应用广泛。这些热电偶使用相对简单的线性化算法,即可达到±0.1℃的测量精度。

K型热电偶覆盖的温度范围宽,在工业测量领域的应用非常广泛。这些热电偶具有适中的高塞贝克系数、低成本及良好的抗氧化性。K型热电偶的精度高达±0.1℃。

E型热电偶的应用没有其它类型热电偶普及。然而,这组热电偶的塞贝克系数最高。E型热电偶所需的测量分辨率低于其它类型。E型热电偶的测量精度可达到±0.5℃,需要的线性化计算方法相对复杂。

S型热电偶由铂和铑组成,这对组合能够在非常高的氧化环境下实现稳定、可复现的测量。S型热电偶的塞贝克系数较低,成本相对较高。S型热电偶的测量精度可达到±1℃,需要的线性化算法相对复杂。

应用示例

热电偶电路设计包括具有差分输入及能够分辨微小电压的高分辨率ADC、稳定的低漂移基准,以及准确测量冷端温度的方法。

图2所示为简化原理图。MX7705是一款16位、Δ-Σ ADC,内置可编程增益放大器(PGA),无需外部精密放大器,能够分辨来自热电偶的微伏级电压。冷端温度利用MAX6627远端二极管传感器以及位于热电偶连接器处、连接成二极管的晶体管测量。MX7705的输入共模范围扩展至低于地电势30mV,可实现有限的负温度范围。

热电偶测量电路
图2 热电偶测量电路。MX7705测量热电偶输出,MAX6627和外部晶体管测量冷端温度。MAX6002为MX7705提供2.5V精密电压基准。

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关键字:热电偶  温度测量  MX7705

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2012/0619/article_5278.html
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