如何使用Delta-Sigma轉換器提高熱電偶和RTD的精度

此設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償 （CJC） 點的電阻溫度檢測器 （RTD） 的精度。

溫度是傳感器領域中最常檢測到的特征。例如，復雜的燃氣渦輪發動機需要全面的儀器設備才能安全、正確地運行，而溫度是最關鍵的最終評估參數之一。

在燃氣渦輪發動機中，數百個熱電偶提供入口、內部和出口溫度，以實現在不同運行條件下的發動機控制，以監測高溫部件的健康狀況，并計算壓縮機和渦輪機的效率（圖 1）。

此設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） 模數轉換器 （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用。熱電偶測量渦輪發動機的極端溫度，而 RTD 提供準確的 PCB CJC 測量。表 1 總結了 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

熱電偶是渦輪發動機內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 精度適當地滿足了 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生一個小的電動勢 （EMF） 電壓，該電壓對溫度差異有響應。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，具有塞貝克或溫度系數（通常為 50μV/°C）。塞貝克系數是熱電偶 EMF 電壓隨溫度變化的一階導數。

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

表 2. 熱電偶類型

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

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

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

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 位轉換器的 LSB 為 37.25nV。

熱電阻特性

熱電偶系統需要第二個準確的溫度系統作為 CJC 參考點。RTD 溫度傳感器是工業和醫療應用的標準配置，因為它們在 -200°C 至 +850°C 溫度范圍內具有高精度和可重復性。RTD 傳感器的精度和可重復性特性滿足熱電偶系統 CJC 的需求。

通常，RTD 由一根細溫度敏感線組成，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 系統面臨的挑戰是第一次獲得最準確的溫度讀數。這種高水平的溫度監控可確保被測環境隨著時間的推移提供準確且可重復的結果。

傳統的熱電偶加 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

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

圖 2. 具有內部 PGA 級的 ADC，后接強大的三階調制器和 Sinc/FIR 數字濾波器

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用器和一個內部 PGA，然后是一個三階 ΔΣ 調制器/SINC/FIR 數字濾波器組合。

MAX11410 24位ΔΣ ADC是一款低功耗多通道轉換器。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 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。

熱電偶產生毫伏輸出信號，渦輪發動機需要從 +400°C 到 +1000°C 的溫度測量。在此溫度范圍內，K 型熱電偶的輸出范圍約為 16.397mV 至 33.275mV，塞貝克系數為 41±2μV/°C。連接到 3.3V 供電的 ΔΣ ADC 的 K 型熱電偶的正確設置是 PGA 增益為 8，采樣率為 8.4sps（每秒采樣數）。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 盡可能靠近結連接器至關重要。RTD 采用鉑 PT100 的激勵電流（IRTD 使用內部 MAX11410 電流源），PGA 設置為 8 時為 300μA。RTD 元件的溫度系數為 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 總結了這些貢獻，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性。在該系統中，RSS 精度誤差等于 0.29°C，在相同的溫度范圍內。

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

圖 3. MAXREFDES1154 硬件

結論

發動機、工業和過程控制應用需要在寬溫度范圍內具有高精度溫度傳感活動的電氣環境。該設計解決方案評估了熱電偶和 RTD 溫度傳感器的精度，發現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果。