此設(shè)計解決方案評估用于高溫測量的熱電偶以及用于局部冷端補(bǔ)償 （CJC） 點的電阻溫度檢測器 （RTD） 的精度。

溫度是傳感器領(lǐng)域中最常檢測到的特征。例如，復(fù)雜的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)需要全面的儀器設(shè)備才能安全、正確地運(yùn)行，而溫度是最關(guān)鍵的最終評估參數(shù)之一。

在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)中，數(shù)百個熱電偶提供入口、內(nèi)部和出口溫度，以實現(xiàn)在不同運(yùn)行條件下的發(fā)動機(jī)控制，以監(jiān)測高溫部件的健康狀況，并計算壓縮機(jī)和渦輪機(jī)的效率（圖 1）。

此設(shè)計解決方案評估用于高溫測量的熱電偶以及用于局部冷端補(bǔ)償 （CJC） 點的電阻溫度檢測器 （RTD） 的精度。此外，我們將重點介紹多通道、Δ-Σ （ΔΣ） 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 如何通過包括片上集成可編程增益放大器、電流源和卓越的低噪聲特性。

熱電偶與 RTD

熱電偶和 RTD 似乎截然相反，但它們各自的特性非常適合溫度傳感應(yīng)用。熱電偶測量渦輪發(fā)動機(jī)的極端溫度，而 RTD 提供準(zhǔn)確的 PCB CJC 測量。表 1 總結(jié)了 RTD 和熱電偶溫度傳感器的主要特性。

表 1. 基本 RTD 和熱電偶溫度傳感器特性的比較

熱電偶是渦輪發(fā)動機(jī)內(nèi)部傳感活動的前沿和中心，因為它具有廣泛的高溫傳感范圍。RTD 精度適當(dāng)?shù)貪M足了 CJC 的需求。

熱電偶特性

熱電偶因其堅固的操作和 -270°C 至 +1820°C 的溫度范圍而成為適合高溫傳感的傳感器。熱電偶的堅固能力使這種小型、廉價的傳感器能??夠在具有不同程度大氣壓的惡劣環(huán)境（如液體或氣體）中承受飽和。

熱電偶有兩根不同金屬或合金的電線（≥ 20 AWG 和 ≤ 100 英尺）。例如，K 型熱電偶的兩條引線是 Chromel 和 Alumel。所有熱電偶在形成熱電偶接頭的兩根導(dǎo)線的一端都有一個焊道。焊道與熱電偶的兩個明線或尾端之間的溫度差異會產(chǎn)生一個小的電動勢 （EMF） 電壓，該電壓對溫度差異有響應(yīng)。熱電偶不需要電壓或電流激勵。

傳感器從焊道到尾端的輸出電壓在毫伏范圍內(nèi)，具有塞貝克或溫度系數(shù)（通常為 50μV/°C）。塞貝克系數(shù)是熱電偶 EMF 電壓隨溫度變化的一階導(dǎo)數(shù)。

熱電偶的溫度范圍和塞貝克系數(shù)取決于特定的熱電偶類型或金屬鉛材料（表 2）。表 2 顯示了熱電偶導(dǎo)體的類型、它們的指定溫度范圍以及取決于雙金屬導(dǎo)體的塞貝克系數(shù)。

表 2. 熱電偶類型

熱電偶在很寬的溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生從 0V 到幾十毫伏的電壓。熱電偶輸出電壓是可重復(fù)的，但隨溫度變化是非線性的。由于所有熱電偶都是非線性的，因此塞貝克系數(shù)的值也隨溫度而變化。

美國測試與材料協(xié)會 （ASTM） 根據(jù) NIST 專論 175 對 IST-90 裝置進(jìn)行了全面表征，并在表 2 中的熱電偶中進(jìn)行了詳細(xì)說明。此外，熱電偶制造商通常會提供 EMF 電壓與溫度的關(guān)系表。

小型、絕對和 delta 熱電偶電壓與 24 位 ΔΣ delta-sigma 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ΔΣ ADC） 完美匹配，典型的最低有效位 （LSB） 等于電源電壓除以數(shù)字轉(zhuǎn)換器代碼。

其中 N = ADC 分辨率，G = （PGA） 增益

如果 ADC 的最大輸入范圍為 5V，并且 PGA 增益為 8，則 24 位轉(zhuǎn)換器的 LSB 為 37.25nV。

熱電阻特性

熱電偶系統(tǒng)需要第二個準(zhǔn)確的溫度系統(tǒng)作為 CJC 參考點。RTD 溫度傳感器是工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)配置，因為它們在 -200°C 至 +850°C 溫度范圍內(nèi)具有高精度和可重復(fù)性。RTD 傳感器的精度和可重復(fù)性特性滿足熱電偶系統(tǒng) CJC 的需求。

通常，RTD 由一根細(xì)溫度敏感線組成，例如纏繞在陶瓷或玻璃絕緣芯上的純鉑、鎳或銅。RTD 的電阻隨著溫度的升高而線性增加。

RTD 的電阻與溫度曲線相當(dāng)線性，但有一些曲率，如 Callendar-Van Dusen 方程所述：

R（T） = R0（1 + aT + bT 2 + c （T - 100） T 3 ）

在哪里：

T = 溫度 （°C）

R（T） = T 處的電阻

R0 = T = 0°C 時的電阻

鉑 PT100 的 0°C 規(guī)格為 100Ω。RTD 傳感器的 PCB 位置必須靠近熱電偶到 PCB 線的連接。RTD 電阻器需要電流或電壓激勵才能將元件的電阻更改為伏特。實際熱電偶焊道溫度是測得的熱電偶焊道溫度加上測得的 RTD 溫度。

第一次做對

所有熱電偶和 RTD 系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)是第一次獲得最準(zhǔn)確的溫度讀數(shù)。這種高水平的溫度監(jiān)控可確保被測環(huán)境隨著時間的推移提供準(zhǔn)確且可重復(fù)的結(jié)果。

傳統(tǒng)的熱電偶加 RTD 傳感器信號鏈包括兩個分立的前端放大器，后面是模擬濾波器，然后是 SAR ADC。這種繁瑣、多封裝、需要大量 PCB 的解決方案可能是準(zhǔn)確的。然而，緊湊型 ΔΣ ADC 將所有這些功能都包含在一個緊湊型封裝中。

Delta-Sigma ADC 和熱電偶

具有內(nèi)置 PGA、50Hz/60Hz 數(shù)字濾波器和外部低通濾波器的低噪聲 ΔΣ ADC 是對 K 型熱電偶輸出進(jìn)行數(shù)字化的合適替代方案（圖 2）。

圖 2. 具有內(nèi)部 PGA 級的 ADC，后接強(qiáng)大的三階調(diào)制器和 Sinc/FIR 數(shù)字濾波器

在圖 2 中，K 型熱電偶連接到 ΔΣ ADC 的模擬 AIN4 和 AIN5 引腳。橫跨 AIN8 和 AIN9 的 RTD 檢測熱電偶尾端連接到 PCB 銅跡線的溫度。所有四個連接都通過輸入多路復(fù)用器和一個內(nèi)部 PGA，然后是一個三階 ΔΣ 調(diào)制器/SINC/FIR 數(shù)字濾波器組合。

MAX11410 24位ΔΣ ADC是一款低功耗多通道轉(zhuǎn)換器。十個模擬輸入的配置可以是任意組合的單端或全差分連接。這十個輸入允許連接多達(dá)四個熱電偶和一個 CJC RTD。兩個集成和匹配的電流源，具有 16 個可編程電流水平，為 RTD 傳感器提供激勵。電流源可以連接到任何模擬輸入引腳，而額外的電流吸收器和電流源有助于檢測熱電偶傳感器線是否損壞。集成偏置電壓源可以連接到一個或多個模擬輸入。該偏置電壓源用于為熱電偶測量提供偏置電壓。

模擬輸入和 Δ-Σ 調(diào)制器輸入之間的配置可以包括增益步長為 1 至 128 的 PGA 模式。24 位 ΔΣ ADC 可同時實現(xiàn) 90dB 的 60Hz 和 50Hz 電源線抑制和 3ppm INL，并且沒有丟失代碼。參考源的選擇在多個參考輸入引腳和模擬電源之間。

熱電偶產(chǎn)生毫伏輸出信號，渦輪發(fā)動機(jī)需要從 +400°C 到 +1000°C 的溫度測量。在此溫度范圍內(nèi)，K 型熱電偶的輸出范圍約為 16.397mV 至 33.275mV，塞貝克系數(shù)為 41±2μV/°C。連接到 3.3V 供電的 ΔΣ ADC 的 K 型熱電偶的正確設(shè)置是 PGA 增益為 8，采樣率為 8.4sps（每秒采樣數(shù)）。此配置提供 19.8 位 RMS 分辨率，RMS 噪聲電平等于 0.684μVRMS。

Δ-Σ ADC 和 RTD

RTD 在銅連接處測量熱電偶的尾端，以提供 CJC 參考。RTD 盡可能靠近結(jié)連接器至關(guān)重要。RTD 采用鉑 PT100 的激勵電流（IRTD 使用內(nèi)部 MAX11410 電流源），PGA 設(shè)置為 8 時為 300μA。RTD 元件的溫度系數(shù)為 0.00385Ω/Ω/°C，電阻為 84.27Ω -40°C 和 +105°C 時為 140.39Ω。

Delta-Sigma ADC、熱電偶和 RTD 誤差

熱電偶（現(xiàn)場測量）和 RTD（CJC 測量）溫度精度誤差同樣對最終溫度測量有影響。表 3 總結(jié)了這些貢獻(xiàn)，并提供了最壞情況的求和和平方和的平方根 （RSS） 計算。

表 3. MAX11410 數(shù)字化儀誤差

表 3 中的 TC 溫度值等于：

增益誤差 → 增益誤差 x 1000°C

IR 誤差 → 輸入電流 x （RIN4 + RIN5）/SC

ADC/PGA 偏移 → ADC/PGA 偏移/SC

表 3 中的 RTD （CJ） 值等于：

增益誤差 → 增益誤差/（RTD Tempco）

參考輸入電流 → SC/（參考輸入電流 x RREF）

根據(jù)表 3，總和或最壞情況熱電偶和 RTD 精度誤差等于 0.50°C，在熱電偶的 +400°C 至 +1000°C 溫度范圍和 RTD 的 -40°C 至 +105°C 溫度范圍內(nèi)計算得出范圍。

RSS 精度誤差是有效的，因為表 3 中的四個誤差與兩個傳感器之間沒有相關(guān)性。在該系統(tǒng)中，RSS 精度誤差等于 0.29°C，在相同的溫度范圍內(nèi)。

圖 3 顯示了基于 MAX11410 的MAXREFDES1154雙通道 RTD/TC 測量系統(tǒng)。該參考設(shè)計為熱電偶/RTD/MAX11410 組合提供了完整的概念驗證。

圖 3. MAXREFDES1154 硬件

結(jié)論

發(fā)動機(jī)、工業(yè)和過程控制應(yīng)用需要在寬溫度范圍內(nèi)具有高精度溫度傳感活動的電氣環(huán)境。該設(shè)計解決方案評估了熱電偶和 RTD 溫度傳感器的精度，發(fā)現(xiàn)帶有輔助電流源和電壓參考矩陣的 24 位 ΔΣ ADC 成功地獲得了高精度熱電偶結(jié)果。