利用先進的熱電偶和高分辨率Δ-ΣADC實現高精度溫度測量

熱電偶廣泛用于各種溫度檢測。熱電偶設計的最新進展，以及新標準和算法的出現，大大擴展了工作溫度范圍和精度。目前，溫度檢測可以在-270℃至+1750℃寬范圍內達到±0.1℃的精度。為充分發揮新型熱電偶能力，需要高分辨率熱電偶溫度測量系統。能夠分辨極小電壓的低噪聲、24位、Δ-Σ模/數轉換器(ADC)非常適合這項任務。數據采集系統(DAS)采用24位ADC評估(EV)板，熱電偶能夠在很寬的溫度范圍內實現溫度測量。熱電偶、鉑電阻溫度檢測器(PRTD)和ADC相結合，可構成高性能溫度測量系統。采用低成本、低功耗ADC的DAS系統，可理想滿足便攜式檢測的應用需求。

熱電偶入門

托馬斯?塞貝克在1822年發現了熱電偶原理。熱電偶是一種簡單的溫度測量裝置，由兩種不同金屬(金屬1和金屬2)組成(圖1)。塞貝克發現不同的金屬將產生不同的、與溫度梯度有關的電勢。如果這些金屬焊接在一起構成溫度傳感器結(TJUNC，也稱為溫度結)，另一端未連接的差分結(TCOLD，作為恒溫參考端)上將呈現出電壓，VOUT，該電壓與焊接結的溫度成正比。從而使熱電偶輸出隨溫度變化的電壓/電荷，無需任何電壓或電流激勵。

VOUT溫差(TJUNC - TCOLD)是金屬1及金屬2的金屬類型的函數。該函數在美國國家標準與技術研究院(NIST) ITS-90 熱電偶數據庫中嚴格定義，覆蓋了絕大多數實用金屬1和金屬2組合。利用該數據庫，可根據VOUT測量值計算相對溫度TJUNC。然而，由于熱電偶以差分方式測量TJUNC，為了確定溫度結的實測溫度，就必須知道冷端絕對溫度(單位為℃、℃或K)。所有現代熱電偶系統都利用另一絕對溫度傳感器(PRTD、硅傳感器等)精密測量冷端溫度，并進行數學補償。

圖1 熱電偶簡化電路

圖1所示熱電偶簡化電路的溫度公式為：

Tabs = TJUNC + TCOLD (式1)

式中：Tabs為溫度結的絕對溫度；TJUNC為溫度結與基準冷端的相對溫度；TCOLD為冷端參考端的絕對溫度。

熱電偶的類型各種各樣，但是針對具體的工業或醫療環境可以選擇最適合的異金屬對兒。這些金屬和/或合金組合被NIST及國際電工委員會標準化，簡寫為E、J、T、K、N、B、S、R等。NIST和IEC為常見的熱電偶類型提供了熱電偶參考表。

NIST和IEC還為每種熱電偶類型開發了標準數學模型。這些冪級數模型采用獨特的系數組合，每種熱電偶類型及不同溫度范圍的系數都不同。

表1所示為部分常見熱電偶類型(J、K、E和S)的例子。

表1. 常見的熱電偶類

J型熱電偶具有相對較高的塞貝克系數、高精度和低成本，應用廣泛。這些熱電偶使用相對簡單的線性化算法，即可達到±0.1℃的測量精度。

K型熱電偶覆蓋的溫度范圍寬，在工業測量領域的應用非常廣泛。這些熱電偶具有適中的高塞貝克系數、低成本及良好的抗氧化性。K型熱電偶的精度高達±0.1℃。

E型熱電偶的應用沒有其它類型熱電偶普及。然而，這組熱電偶的塞貝克系數最高。E型熱電偶所需的測量分辨率低于其它類型。E型熱電偶的測量精度可達到±0.5℃，需要的線性化計算方法相對復雜。

S型熱電偶由鉑和銠組成，這對組合能夠在非常高的氧化環境下實現穩定、可復現的測量。S型熱電偶的塞貝克系數較低，成本相對較高。S型熱電偶的測量精度可達到±1℃，需要的線性化算法相對復雜。

應用示例

熱電偶電路設計包括具有差分輸入及能夠分辨微小電壓的高分辨率ADC、穩定的低漂移基準，以及準確測量冷端溫度的方法。

圖2所示為簡化原理圖。MX7705是一款16位、Δ-Σ ADC，內置可編程增益放大器(PGA)，無需外部精密放大器，能夠分辨來自熱電偶的微伏級電壓。冷端溫度利用MAX6627遠端二極管傳感器以及位于熱電偶連接器處、連接成二極管的晶體管測量。MX7705的輸入共模范圍擴展至低于地電勢30mV，可實現有限的負溫度范圍。

圖2 熱電偶測量電路。MX7705測量熱電偶輸出，MAX6627和外部晶體管測量冷端溫度。MAX6002為MX7705提供2.5V精密電壓基準。