使用Delta-Sigma转换器提高热电偶和rtd的温度传感器精度

该设计方案评估用于高温测量的热电偶的准确性，以及用于局部冷结补偿(CJC)点的电阻温度探测器(rtd)的准确性。

温度是传感器世界中最常见的检测特性。例如，复杂的燃气轮机需要彻底的仪器来安全、正确地运行，而温度是最关键的最终评价参数之一。

在燃气轮机发动机中，数百个热电偶提供入口，内部和退出温度，以使发动机控制能够在不同的操作条件下监测高温部件的健康，并计算压缩机和涡轮机的效率（图1）。

图1。海上石油平台使用燃气轮机。

该设计方案评估用于高温测量的热电偶的准确性，以及用于局部冷结补偿(CJC)点的电阻温度探测器(rtd)的准确性。此外，我们将重点介绍多通道delta-sigma (ΔΣ)模数转换器(ADC)如何通过包含片上集成可编程增益放大器、电流源和优越的低噪声特性来提高温度精度。

热电偶与RTD.

热电偶和RTD似乎是径向相对的，但它们的各个特性在温度传感应用中完全适合。热电偶测量涡轮发动机的极端温度，而RTD提供精确的PCB CJC测量。表1总结了RTD和热电偶温度传感器的主要特性。

表1.基本RTD和热电偶温度传感器特性的比较

热电偶由于其广泛的高温传感范围，在涡轮发动机内部传感活动中处于前沿和中心位置。RTD的准确性恰当地满足CJC的需求。

热电偶特征

由于其坚固的操作和-270°C至+ 1820°C温度范围，热电偶是用于高温感测的正确传感器。热电偶坚固的能力允许这种小型，廉价的传感器，以持续饱和环境饱和环境，例如液体或气体，具有不同程度的大气压。

热电偶具有两根线（≥20架和≤100英尺）的不同金属或合金。例如，Type-K热电偶的两个引线是Chromel和Alumel。所有热电偶在两根电线的一端具有焊珠，形成热电偶结。焊珠与热电偶的两个开丝或尾端之间的温度差异产生了响应温度差异的小电动力（EMF）电压。热电偶不需要电压或电流激励。

传感器从焊道到尾部的输出电压在毫伏范围内，带有一个塞贝克或温度系数(通常为50μV/°C)。塞贝克系数是热电偶电动势电压随温度变化的一阶导数。

热电偶的温度范围和塞贝克系数取决于特定的热电偶型或金属铅材料（表2）。表2显示了依赖于二金属导体的热电偶导体的类型，其指定的温度范围和塞贝克系数。

表2.热电偶类型

热电偶在宽温度范围内产生范围从0V到几十毫伏的电压。热电偶输出电压是可重复的，但在温度下是非线性的。由于所有热电偶都是非线性的，因此塞贝克系数的值也随温度而变化。

美国的测试和材料（ASTM）全部表征了IST-90单位175，在表2中的热电偶中规定。此外，EMF电压与温度的表格通常可从热电偶制造商提供。

小型、绝对和delta热电偶电压与24位ΔΣ delta-sigma模数转换器(ΔΣ ADC)完美匹配，典型的最低有效位(LSB)等于电源电压除以转换器代码的数量。

其中n = ADC分辨率和G =（PGA）增益

如果ADC的最大输入范围为5V并且具有8的PGA增益，则24位转换器的LSB为37.25NV。

RTD特征

热电偶系统需要第二种精确的温度系统，该温度为CJC参考点。RTD温度传感器是工业和医疗应用中的标准版，因为它们的高精度和可重复性在-200°C至+ 850°C温度范围内。RTD传感器的准确性和可重复性特性满足热电偶系统CJC的需求。

通常，RTD由细温敏感线组成，例如纯铂，镍或覆盖陶瓷或玻璃非导电芯的铜。随着温度的增加，RTD的电阻力线性增加。

RTD的电阻与温度曲线是合理的线性，但有一些曲率，如Callendar-Van Dusen方程描述:

R（t）= R0（1 + AT + BT²+ C（t - 100）t^3.）

在哪里：

• T =温度（°C）
• R(T) = T处的电阻
• R0 =电阻在T = 0°C

铂PT100的0°C规格为100Ω。RTD传感器的PCB位置必须靠近ThermoCoupleTo-PCB连接线连接。RTD电阻需要电流或电压激励以将元素的电阻变为伏特。实际的热电偶焊珠温度是测量的热电偶的焊珠温度加上测量的RTD温度。

第一次就把事情做好

所有热电偶和RTD系统的挑战是第一次获得最准确的温度读数。这种高水平的温度监测可确保正在进行的环境提供准确和可重复的结果。

传统的热电偶加压传感器信号链包括两个离散的前端放大器，然后是模拟滤波器，然后是SAR ADC。这种繁琐的多包装，PCB饥饿的解决方案可以准确。但是，CompactΔΣADC包括在单个紧凑型封装中片上片上的所有这些功能。

Delta-Sigma ADC和热电偶

具有内置PGA，50Hz / 60Hz数字滤波器和外部低通滤波器的低噪声ΔΣADC是一种适当的替代方案，用于数字化Type-K热电偶输出（图2）。

图2. ADC具有内部PGA级，然后是强大的三阶调制器和SIND / FIR数字滤波器

在图2中，T型热电偶连接到ΔΣADC的模拟AIN4和AIN5引脚。跨越AIN8和AIN9跨越的RTD感测热电偶的尾端连接到PCB铜迹线的温度。所有四个连接穿过输入多路复用器和内部PGA，然后是三阶ΔΣ调制器/ SINC / FIR数字滤波器组合。

这MAX1141024位ΔΣ ADC是一种低功率多路转换器。十个模拟输入的配置可以在任何组合单端或全差分连接。这十个输入允许连接多达四个热电偶和一个CJC RTD。两个集成和匹配的电流源，16个可编程电流水平，为RTD传感器提供激励。电流源可以连接到任何模拟输入引脚，而附加的电流汇聚和电流源有助于检测断裂的热电偶传感器导线。集成偏置电压源可以连接到一个或多个模拟输入。该偏置电压源用于为热电偶测量提供偏置电压。

模拟输入和δ -sigma调制器输入之间的配置可以包括增益步长从1到128的PGA模式。24位ΔΣ ADC实现90dB同时60Hz和50Hz电力线抑制和3ppm INL，没有丢失代码。参考源的选择是在多个参考输入引脚和模拟电源之间。

热电偶产生毫伏输出信号，涡轮发动机需要温度测量从+ 400°C至+ 1000°C。在该温度范围内，Type-K热电偶的输出范围约为16.397mV至33.275mV，塞匹克系数为41±2μV/°C。连接到3.3V功率ΔADC的-K热电偶的正确设置是PGA增益8的8.4SPS的采样率（每秒样品）。该配置呈现成分19.8位RMS的分辨率，RMS噪声水平等于0.684μVRMS。

Delta-Sigma ADC和RTD

RTD在铜连接处测量热电偶的尾端，以提供CJC参考。RTD尽可能靠近连接连接器至关重要。这RTD, with platinum PT100’s excitation current (IRTD using the internal MAX11410 current source), is 300μA with a PGA setting of 8. The RTD element has a temperature coefficient of 0.00385Ω/Ω/°C, with a resistance of 84.27Ω at -40°C and 140.39Ω at +105°C.

Delta-Sigma ADC，热电偶和RTD误差

热电偶（现场测量）和RTD（CJC测量）温度精度误差同样有助于最终温度测量。表3总结了这些贡献，并提供了最坏的案例求和和平方根 - 基团的正方形（RSS）计算。

表3. MAX11410数字转换器错误

表3中的TC TEMP值等于：

• 增益错误→增益错误x 1000°C
• IR错误→输入电流X（RIN4 + RIN5）/ SC
• ADC / PGA偏移→ADC / PGA偏移/ SC

表3中的RTD (CJ)值等于:

• 增益错误→增益错误/（RTD Tempco）
• Ref输入电流→SC/(Ref输入电流x RREF)

From Table 3, the summation or worst-case thermocouple and RTD accuracy error is equal to 0.50°C, calculated over the thermocouple’s +400°C to +1000°C temp range and the RTD’s -40°C to +105°C temperature range.

RSS精度误差有效，因为表3中的四个错误和两个传感器之间没有相关性。在该系统中，RSS精度误差等于0.29°C，在相同的温度范围内。

图3显示了maxrefdes1154.基于MAX11410的双通道RTD/ TC测量系统。这个参考设计为热电偶/RTD/MAX11410组合提供了一个完整的概念证明。

图3。maxrefdes1154硬件

结论

发动机、工业和过程控制应用需要在宽温度范围内具有高精度温度传感活动的电气环境。该设计方案对热电偶和RTD温度传感器的精度进行了评估，发现一个配备辅助电流源和电压参考矩阵的24位ΔΣ ADC成功地获得了高精度的热电偶结果。

额外资源

• MAX11410 24位多通道低功耗1.9KSPS Delta-Sigma ADC与PGA
• MAX11410EVKIT MAX11410评估套件
• MAXREFDES1154:可配置的4通道RTD/TC测量系统

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