利用先进的热电偶和高分辨率Δ-ΣADC实现高精度温度测量

　　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。

　　

　　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。

　　

　　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。

　　

　　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。

　　也有针对具体应用设计的IC，用于热电偶信号调理。这些IC集成本地温度传感器、精密放大器、ADC和电压基准。例如，MAX31855为冷端补偿热电偶至数字转换器，可数字化K、J、N、T或E型热电偶信号。MAX31855以14位（0.25℃）分辨率测量热电偶温度（图3）。

　　

　　图3 集成冷端温度补偿的ADC，转换热电偶电压时无需外部补偿