如何使用Delta-Sigma转换器提高热电偶和RTD的精度

此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。

温度是传感器领域中最常检测到的特征。例如，复杂的燃气涡轮发动机需要全面的仪器设备才能安全、正确地运行，而温度是最关键的最终评估参数之一。

在燃气涡轮发动机中，数百个热电偶提供入口、内部和出口温度，以实现在不同运行条件下的发动机控制，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（图 1）。

此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，我们将重点介绍多通道、Δ-Σ （ΔΣ） 模数转换器 （ADC） 如何通过包括片上集成可编程增益放大器、电流源和卓越的低噪声特性。

热电偶与 RTD

热电偶和 RTD 似乎截然相反，但它们各自的特性非常适合温度传感应用。热电偶测量涡轮发动机的极端温度，而 RTD 提供准确的 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

热电偶是涡轮发动机内部传感活动的前沿和中心，因为它具有广泛的高温传感范围。RTD 精度适当地满足了 CJC 的需求。

热电偶特性

热电偶因其坚固的操作和 -270°C 至 +1820°C 的温度范围而成为适合高温传感的传感器。热电偶的坚固能力使这种小型、廉价的传感器能​​够在具有不同程度大气压的恶劣环境（如液体或气体）中承受饱和。

热电偶有两根不同金属或合金的电线（≥ 20 AWG 和 ≤ 100 英尺）。例如，K 型热电偶的两条引线是 Chromel 和 Alumel。所有热电偶在形成热电偶接头的两根导线的一端都有一个焊道。焊道与热电偶的两个明线或尾端之间的温度差异会产生一个小的电动势 （EMF） 电压，该电压对温度差异有响应。热电偶不需要电压或电流激励。

传感器从焊道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 EMF 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铅材料（表 2）。表 2 显示了热电偶导体的类型、它们的指定温度范围以及取决于双金属导体的塞贝克系数。

表 2. 热电偶类型

热电偶在很宽的温度范围内产生从 0V 到几十毫伏的电压。热电偶输出电压是可重复的，但随温度变化是非线性的。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。

美国测试与材料协会 （ASTM） 根据 NIST 专论 175 对 IST-90 装置进行了全面表征，并在表 2 中的热电偶中进行了详细说明。此外，热电偶制造商通常会提供 EMF 电压与温度的关系表。

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） 等于电源电压除以数字转换器代码。

其中 N = ADC 分辨率，G = （PGA） 增益

如果 ADC 的最大输入范围为 5V，并且 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准确的温度系统作为 CJC 参考点。RTD 温度传感器是工业和医疗应用的标准配置，因为它们在 -200°C 至 +850°C 温度范围内具有高精度和可重复性。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 由一根细温度敏感线组成，例如缠绕在陶瓷或玻璃绝缘芯上的纯铂、镍或铜。RTD 的电阻随着温度的升高而线性增加。

RTD 的电阻与温度曲线相当线性，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 = 温度 （°C）

R（T） = T 处的电阻

R0 = T = 0°C 时的电阻

铂 PT100 的 0°C 规格为 100Ω。RTD 传感器的 PCB 位置必须靠近热电偶到 PCB 线的连接。RTD 电阻器需要电流或电压激励才能将元件的电阻更改为伏特。实际热电偶焊道温度是测得的热电偶焊道温度加上测得的 RTD 温度。

第一次做对

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控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的前端放大器，后面是模拟滤波器，然后是 SAR ADC。这种繁琐、多封装、需要大量 PCB 的解决方案可能是准确的。然而，紧凑型 ΔΣ ADC 将所有这些功能都包含在一个紧凑型封装中。

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 ΔΣ ADC 是对 K 型热电偶输出进行数字化的合适替代方案（图 2）。

图 2. 具有内部 PGA 级的 ADC，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 ΔΣ ADC 的模拟 AIN4 和 AIN5 引脚。横跨 AIN8 和 AIN9 的 RTD 检测热电偶尾端连接到 PCB 铜迹线的温度。所有四个连接都通过输入多路复用器和一个内部 PGA，然后是一个三阶 ΔΣ 调制器/SINC/FIR 数字滤波器组合。

MAX11410 24位ΔΣ ADC是一款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，而额外的电流吸收器和电流源有助于检测热电偶传感器线是否损坏。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 可同时实现 90dB 的 60Hz 和 50Hz 电源线抑制和 3ppm INL，并且没有丢失代码。参考源的选择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，涡轮发动机需要从 +400°C 到 +1000°C 的温度测量。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 供电的 ΔΣ ADC 的 K 型热电偶的正确设置是 PGA 增益为 8，采样率为 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 0.684μVRMS。

Δ-Σ ADC 和 RTD

RTD 在铜连接处测量热电偶的尾端，以提供 CJC 参考。RTD 尽可能靠近结连接器至关重要。RTD 采用铂 PT100 的激励电流（IRTD 使用内部 MAX11410 电流源），PGA 设置为 8 时为 300μA。RTD 元件的温度系数为 0.00385Ω/Ω/°C，电阻为 84.27Ω -40°C 和 +105°C 时为 140.39Ω。

Delta-Sigma ADC、热电偶和 RTD 误差

热电偶（现场测量）和 RTD（CJC 测量）温度精度误差同样对最终温度测量有影响。表 3 总结了这些贡献，并提供了最坏情况的求和和平方和的平方根 （RSS） 计算。

表 3. MAX11410 数字化仪误差

表 3 中的 TC 温度值等于：

增益误差 → 增益误差 x 1000°C

IR 误差 → 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：

增益误差 → 增益误差/（RTD Tempco）

参考输入电流 → SC/（参考输入电流 x RREF）

根据表 3，总和或最坏情况热电偶和 RTD 精度误差等于 0.50°C，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范围。

RSS 精度误差是有效的，因为表 3 中的四个误差与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。该设计解决方案评估了热电偶和 RTD 温度传感器的精度，发现带有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热电偶结果。