通过下一代Δ-Σ转换器超越温度检测预期

发动机、工业和过程控制应用要求电气环境在宽温度范围内具有高精度的温度传感活动。该设计方案评估了热电偶和RTD温度传感器的精度，发现具有辅助电流源和基准电压矩阵的24位ΔΣ ADC成功获得了高精度热电偶结果。

介绍

温度是传感器世界中最常见的检测特性。例如，复杂的燃气涡轮发动机需要全面的仪器才能安全正确地运行，温度是最关键的最终评估参数之一。

在燃气涡轮发动机中，数百个热电偶提供进气、内部和出口温度，以便在不同运行条件下进行发动机控制，以监测高温部件的健康状况，并计算压缩机和涡轮机的效率。

该设计解决方案评估用于高温测量的热电偶以及用于局部冷端补偿（CJC）点的电阻温度检测器（RTD）的精度。此外，我们还将重点介绍多通道三角积分（ΔΣ）模数转换器（ADC）如何通过包括片内集成可编程增益放大器、电流源和出色的低噪声特性来提高温度精度标准。

热电偶与RTD

热电偶和RTD看似截然相反，但它们各自的特性非常适合温度检测应用。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.RTD和热电偶温度传感器基本特性的比较

 

特征	热电偶 （TC）	电阻温度检测器
温度范围	-270°C 至 +1820°C	-200°C 至 +850°C
线性	非线性	高（有限）
功耗	自供电	外部电流或电压源
输出范围	低电压 （mv）	0°C 时为 1000 或 10000
敏感性	-50μV/°C 非常低	高： -0.39%/°C
操作	需要 CJC + 信号放大器	2、3 或 4 线信号调节

 

热电偶因其广泛的高温传感范围而成为涡轮发动机内部传感活动的前沿和中心。RTD 精度恰如其分地满足了 CJC 的需求。

热电偶特性

热电偶是高温检测的正确传感器，因为它们具有坚固的工作和-270°C至+1820°C的温度范围。热电偶的坚固性使这种小型、廉价的传感器能够在恶劣的环境中承受饱和，如液体或气体，具有不同程度的大气压。

热电偶有两根不同金属或合金的导线（≥ 20 AWG和≤100英尺）。例如，K型热电偶的两个引线是铬和铝。所有热电偶在形成热电偶结的两根导线的一端都有一个焊缝。焊缝与热电偶的两个开路或尾端之间的温差会产生一个小的电动势（EMF）电压，该电压对温差有响应。热电偶不需要电压或电流激励。

传感器从焊缝到尾端的输出电压在毫伏范围内，具有塞贝克或温度系数（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类型或金属引线材料（表2）。表2显示了热电偶导体的种类、其指定的温度范围以及取决于双金属导体的塞贝克系数。

表 2.热电偶的类型

 

热电偶类型	导体	典型指定温度范围（°C）	塞贝克系数（20°C时）	应用环境
E	铬 （+） 康铜 （-）	-200 至 +900	62μV/°C	氧化、惰性、真空
J	铁 （+） 康铜 （-）	0 到 760	51μV/°C	氧化、还原、惰性
T	铜 （+） 康铜 （-）	-200 到 371	40μV/°C	腐蚀性、潮湿、零度以下
K	铬 （+） 铝 （-）	-200 至 +1260	40μV/°C	完全惰性
N	尼克罗西尔 （+） 尼西尔 （-）	0 到 1260	27μV/°C	氧化
B	铂（30%铑）（+） 铂（6%铑）（-）	0 到 1820	1μV/° C	氧化性，惰性
S	铂金（10%铑）（+）铂金（-）	0 到 1480	7μV/°C	氧化性 ， 惰性
R	铂金 （13% 铑） （+） 铂金 （-）	0 到 1480	7μV/°C	氧化性，惰性

 

热电偶在很宽的温度范围内产生0V至数十毫伏的电压。热电偶输出电压可重复，但在整个温度范围内呈非线性。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。

美国测试与材料协会（ASTM）根据NIST专论175对IST-90单元进行了全面表征，在表2中的热电偶中指定。此外，EMF电压与温度的关系表通常可从热电偶制造商处获得。

小、绝对和三角形热电偶电压与24位ΔΣ三角积分模数转换器（ΔΣ ADC）完美一致，典型的最低有效位（LSB）等于电源电压除以转换器代码数。

 

（公式1）

 

哪里：

IN = ADC 分辨率

G = PGA 增益

如果ADC的最大输入范围为5V，PGA增益为8，则24位转换器的LSB为37.25nV。

热电阻特性

热电偶系统需要第二个精确的温度系统作为CJC参考点运行。RTD温度传感器在-200°C至+850°C温度范围内具有高精度和可重复性，因此是工业和医疗应用的标准配置。RTD传感器的精度和可重复性特性满足热电偶系统CJC的需求。

通常，RTD由包裹在陶瓷或玻璃非导电芯上的细细温度敏感线组成，例如纯铂，镍或铜。RTD的电阻随着温度的升高而线性增加。

RTD的电阻与温度曲线是相当线性的，但有一些曲率，如Callendar-Van Dusen方程所述：

R（T） = R0（1 + aT + bT2+ c （T - 100） T3）

哪里：

T = 温度（°C）

R（T） = T 处的电阻

R0 = T = 0°C 时的电阻

铂金PT100的0°C规格为100O。RTD传感器的PCB位置必须靠近热电偶到PCB的导线连接。RTD电阻需要电流或电压激励，以将元件的电阻更改为伏特。实际热电偶焊缝温度是测量的热电偶焊缝温度加上测量的RTD温度。

第一次就做对

所有热电偶和RTD系统面临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被测环境随着时间的推移提供准确且可重复的结果。

传统的热电偶加RTD传感器信号链包括两个分立式前端放大器，然后是模拟滤波器，然后是一个SAR ADC。这种繁琐、多封装、需要大量 PCB 的解决方案非常准确。然而，紧凑型ΔΣ ADC在单个紧凑封装中集成了所有这些片内功能。

Δ-Σ型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ΔΣ ADC是数字化K型热电偶输出的合适替代方案（图2）。

图2.ΔΣ ADC，具有内部 PGA 级，后接强大的三阶调制器和 SINC/FIR 数字滤波器。

在图2中，K型热电偶连接到？S ADC 的模拟 AIN4 和 AIN5 引脚。跨越AIN8和AIN9的RTD检测热电偶尾端连接到PCB铜迹线的温度。所有四个连接均通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。

MAX11410为24位ΔΣ ADC为低功耗多通道转换器。十个模拟输入的配置可以是任意组合的单端或全差分连接。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，具有 16 个可编程电流电平，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，而额外的吸电流和电流源有助于检测损坏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-Σ调制器输入之间的配置可以包括增益步长为1至128的PGA模式。24 位 ΔΣ ADC 可实现 90dB 同步 60Hz 和 50Hz 电源线抑制以及 3ppm INL，无失码。基准电压源的选择在多个基准输入引脚和模拟电源之间。

热电偶产生毫伏输出信号，涡轮发动机需要在+400°C至+1000°C的温度范围内进行温度测量。 在此温度范围内，K型热电偶的输出范围约为16.397mV至33.275mV，塞贝克系数为41±2μV/°C。 连接到3.3V供电ΔΣ ADC的K型热电偶的正确设置是PGA增益为8，采样速率为8.4sps（每秒采样数）。此配置提供 19.8 位 RMS 分辨率，RMS 噪声电平等于 0.684μV有效值.

Δ-Σ型ADC和RTD

RTD测量铜缆连接处的热电偶尾端，以提供CJC基准。RTD尽可能靠近结连接器至关重要。RTD采用铂PT100的激励电流（IRTD采用内部MAX11410电流源），为300μA，PGA设置为8。RTD元件的温度系数为0.00385Ω/Ω/°C，-40°C时电阻为84.27Ω，+105°C时电阻为140.39Ω。

Δ-Σ型ADC、热电偶和RTD误差

热电偶（现场测量）和RTD（CJC测量）温度精度误差同样会影响最终温度测量。表 3 总结了这些贡献，并提供了最坏情况总和和平方和 （RSS） 计算。

表 3.MAX11410数字化仪误差

 

参数	MAX11410	电偶温度	RTD （CJ） 值
增益误差	0.02%	0.2°摄氏度	0.05°摄氏度
输入电流 （I在)	1nA	-	-
输入电阻（RIN4、RIN5）	2kΩ	-	-
我在R 错误	2.0μV	0.04°摄氏度	-
模数转换器/PGA失调	0.5μV	0.01° 摄氏度	-
R裁判	4kΩ	-	-
参考输入电流	61nA	-	0.2°摄氏度
TUE 误差总和	0.50°摄氏度
TUE 错误的 RSS	0.29°摄氏度

 

注意：+1000°C 时的 TC 误差，TC = 热电偶（假设塞贝克系数或 SC 为 50μV/°C），CJ = 冷结，IR = ADC 输入偏置电流乘以 1kΩ + 1kΩ 外部电阻。

表 3 中的 TC 温度值等于：

增益误差 增益误差 x 1000°C

红外误差输入电流 x （R海努( 1HNT）/SC

模数转换器/PGA失调 ADC/PGA失调/SC

表 3 中的 RTD （CJ） 值等于：

增益误差 增益误差/（RTD温度系数）

参考输入电流 SC/（参考输入电流 x R裁判)

由表3所示，在热电偶的+400°C至+1000°C温度范围和RTD的-40°C至+105°C温度范围内计算得出的总和或最差情况的热电偶和RTD精度误差等于0.50°C。

RSS精度误差有效，因为表3中的四个误差和两个传感器之间没有相关性。在该系统中，RSS精度误差在相同温度范围内等于0.29°C。

图3所示为基于MAX11410的MAXREFDES1154双通道RTD/TC测量系统。该参考设计为热电偶/RTD/MAX11410组合提供了完整的概念验证。

图3.MAXREFDES1154 硬件。

结论

发动机、工业和过程控制应用要求电气环境在宽温度范围内具有高精度的温度传感活动。本应用笔记评估了热电偶和RTD温度传感器的精度，发现具有辅助电流源和基准电压矩阵的24位ΔΣ ADC成功获得了高精度热电偶结果。

审核编辑：郭婷