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引言
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。
也有針對具體應用設計的IC，用于熱電偶信號調理。這些IC集成本地溫度傳感器、精密放大器、ADC和電壓基準。例如，MAX31855為冷端補償熱電偶至數字轉換器，可數字化K、J、N、T或E型熱電偶信號。MAX31855以14位（0.25℃）分辨率測量熱電偶溫度（圖3）。
圖3 集成冷端溫度補償的ADC，轉換熱電偶電壓時無需外部補償
誤差分析
冷端補償
熱電偶為差分傳感器，利用溫度結和冷端之間的溫差產生輸出電壓。根據式1，只有精密測得冷端絕對溫度（TREF）時，才能得到溫度結的絕對溫度（Tabs）。
可利用新型鉑RTD （PRTD）測量冷端絕對溫度。它在很寬的溫度范圍內提供良好的性能，尺寸小、功耗低，成本非常合理。
圖4所示為精密DAS的簡化原理圖，采用了MAX11200 （24位、 Δ-Σ ADC）評估（EV）板，可實現熱電偶溫度測量。本例中，利用R1 - PT1000 （PTS 1206，1000Ω）測量冷端絕對溫度。該解決方案能夠以±0.30℃或更高精度測量冷端溫度。
圖4 熱電偶DAS簡化圖
如圖4所示，MAX11200的GPIO設置為控制精密多路復用器MAX4782，它選擇熱電偶或PRTD R1 - PT1000。該方法可利用單個ADC實現熱電偶或PRTD的動態測量。提高了系統精度，降低校準要求。
非線性誤差
熱電偶為電壓發生裝置。但是，大多數常見熱電偶［2，4］的輸出電壓作為溫度的函數呈現非常高的非線性。
圖4和圖5中說明，如果沒有經過適當補償，常見的工業K型熱電偶的非線性誤差會超過數十攝氏度。
圖5 K型熱電偶的輸出電壓和溫度關系圖。曲線在-50℃至+350℃范圍內線性 度較好；在低于-50℃和高于+350℃時，相對于絕對線性度存在明顯偏差。
IEC采用的NIST ITS-90等現代熱電偶標準化處理、查找表和公式數據庫，是當前系統間互換熱電偶類型的基礎。通過這些標準，熱電偶很容易由相同或不同制造商的其它熱電偶所替代，而且經過最少的系統設計更新或校準即可確保性能指標。
NIST ITS-90熱電偶數據庫提供了詳細的查找表。通過使用標準化多項式系數，還可利用多項式在非常寬的溫度范圍內將熱電偶電壓換算成溫度（℃）。
根據NIST ITS-90熱電偶數據庫，多項式系數為：
T = d0 + d1E + d2E2 + 。.. dNEN
（式2）
式中：T為溫度，℃；E為VOUT——熱電偶輸出，mV；dN為多項式系數，每一熱電偶的系數是唯一的；N =多項式的最大階數。
表2所示為一個K型熱電偶的NIST （NBS）多項式系數。
利用表2中的多項式系數，能夠在-200℃至+1372℃溫度范圍內以優于±0.1℃的精度計算溫度T。大多數常見熱電偶都有不同系數表可用。
表2 K型熱電偶系數
同樣，在-200℃至0、0至+500℃和+500℃至+1372℃溫度范圍也可以找到類似的NIST ITS-90系統，能夠以更高精度（低于±0.1℃，相對于±0.7℃）計算溫度。與原來的“單”間隔表進行比較即可看出這點。
ADC規格參數/分析
表3所示為MAX11200的基本性能指標，具有圖4中所示的電路特性。
表3 MAX11200的主要技術指標
本文中使用的MAX11200是一款低功耗、24位、Δ-Σ ADC，適合于需要寬動態范圍、高分辨率的低功耗應用。利用該ADC，基于式3和4可計算圖3電路的溫度分辨率。
（式3）
（式4）
式中：Rtlsb為熱電偶在1 LSB時的分辨率；Rtnfr為熱電偶無噪聲分辨率（NFR）；VREF為基準電壓；Tcmax為測量范圍內的熱電偶最大溫度；Tcmin為測量范圍內的熱電偶最小溫度；Vtmax為測量范圍的熱電偶最大電壓；Tcmax為測量范圍內的熱電偶最小電壓；FS為ADC滿幅編碼，對于雙極性配置的MAX11200為（223-1）；NFR為ADC無噪聲分辨率，對于雙極性配置的MAX11200為（220-1），10Sa/s時。
表4所列為利用式3和4計算表1中K型熱電偶的測量分辨率。
表4中提供了每個溫度范圍內的℃/LSB誤差和℃/NFR誤差計算值。無噪聲分辨率（NFR）表示ADC能夠可靠區分的最小溫度值。對于整個溫度范圍，NFR值低于0.1℃，對于工業和醫療應用中的大多數熱電偶遠遠足夠。
表4 K型熱電偶在不同溫度范圍內的測量分辨率
熱電偶與MAX11200評估板的連接
MAX11200EVKIT提供了全功能、高分辨率DAS。評估板可幫助設計工程師快速完成項目開發，例如驗證圖4所示解決方案。
在圖4所示原理圖中，常見的K型OMEGA熱電偶（KTSS-116 ）連接至差分評估板輸入A1。利用Maxim應用筆記4875中介紹的高性價比比例方案，測量冷端溫度的絕對值。R1（PT1000）輸出連接至評估板輸入A0。MAX11200的GPIO控制精密多路復用器MAX4782，復用器動態選擇將熱電偶或PRTD R1輸出連接至MAX11200的輸入。
K型熱電偶（圖3、圖4）在-50℃至+350℃范圍內的線性度適當。對于有些不太嚴格的應用，線性逼近公式（式5）能大大降低計算量和復雜度。
近似絕對溫度可計算為：
（式5）
式中：E為實測熱電偶輸出，mV；Tabs為K型熱電偶的絕對溫度，℃；Tcj為PT1000實測的熱電偶冷端溫度，℃；Ecj為利用Tcj計算得到的冷端熱電偶等效輸出，mV。
所以：
k = 0.041mV/℃——從-50℃至+350℃范圍內的平均靈敏度
然而，為了在更寬的溫度范圍（-270℃至+1372℃）內精密測量，強烈建議采用多項式（式2）和系數（根據NIST ITS-90）：
（式6）
式中：Tabs為K型熱電偶的絕對溫度，℃；E為實測熱電偶輸出，mV；Ecj為利用Tcj計算得到的冷端熱電偶等效輸出，mV；f為式2中的多項式函數；TCOLD為PT1000實測的熱電偶的冷端溫度，℃。
圖7所示為圖4的開發系統。該系統包括經認證的精密校準器，Fluke？-724，作為溫度模擬器代替K型OMEGA熱電偶。
Fluke-724校準器提供與K型熱電偶在-200℃至+1300℃范圍內輸出相對應的精密電壓，送至基于PT1000的冷端補償模塊。基于MAX11200的DAS動態選擇熱電偶或PRTD測量值，并通過USB端口將數據送至筆記本計算機。專門開發的DAS軟件采集并處理熱電偶和PT1000輸出產生的數據。
圖7 圖4開發系統
表5列出了-200℃至+1300℃溫度范圍內的測量和計算值，采用式5和6。
表5 -200℃至+1300℃范圍的測量計算
如表5所示，利用式6，基于MAX11200的DAS系統在非常寬的溫度范圍內可達到±0.3℃數量級的精度。式5中的線性逼近法在很窄的-50℃至+350℃范圍內僅能實現1℃至4℃的精度。
注意，式6需要相對復雜的線性化計算算法。
大約十年之前，在DAS系統設計中實現此類算法會受到技術和成本的限制。當今的現代化處理器速度快、性價比高，解決了這些難題。
總結
最近幾年，適用于-270℃至+1750℃溫度范圍的高性價比、熱電偶溫度檢測技術取得較大進展。在改進溫度測量和范圍的同時，成本也更加合理，功耗更低。
如果ADC和熱電偶直接連接，這些基于熱電偶的溫度測量系統需要低噪聲ADC（如MAX11200）。熱電偶、PRTD和ADC集成至電路時，能夠實現非常適用于便攜式檢測應用的高性能溫度測量系統。
MAX11200具有較高的無噪聲分辨率、集成緩沖器和GPIO驅動器，可直接連接任何傳統的熱電偶及高分辨率PRTD （如PT1000），無需額外的儀表放大器或專用電流源。更少的接線和更低的熱誤差進一步降低系統復雜性和成本，使設計者能夠實現DAS與熱電偶及冷端補償模塊的簡單接口。
工商網監
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