發動機、工業和過程控制應用要求電氣環境在寬溫度范圍內具有高精度的溫度傳感活動。該設計方案評估了熱電偶和RTD溫度傳感器的精度，發現具有輔助電流源和基準電壓矩陣的24位ΔΣ ADC成功獲得了高精度熱電偶結果。

介紹

溫度是傳感器世界中最常見的檢測特性。例如，復雜的燃氣渦輪發動機需要全面的儀器才能安全正確地運行，溫度是最關鍵的最終評估參數之一。

在燃氣渦輪發動機中，數百個熱電偶提供進氣、內部和出口溫度，以便在不同運行條件下進行發動機控制，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。

該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，我們還將重點介紹多通道三角積分（ΔΣ）模數轉換器（ADC）如何通過包括片內集成可編程增益放大器、電流源和出色的低噪聲特性來提高溫度精度標準。

熱電偶與RTD

熱電偶和RTD看似截然相反，但它們各自的特性非常適合溫度檢測應用。熱電偶測量渦輪發動機的極端溫度，而RTD提供精確的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.RTD和熱電偶溫度傳感器基本特性的比較

特征	熱電偶 （TC）	電阻溫度檢測器
溫度范圍	-270°C 至 +1820°C	-200°C 至 +850°C
線性	非線性	高（有限）
功耗	自供電	外部電流或電壓源
輸出范圍	低電壓 （mv）	0°C 時為 1000 或 10000
敏感性	-50μV/°C 非常低	高： -0.39%/°C
操作	需要 CJC + 信號放大器	2、3 或 4 線信號調節

熱電偶因其廣泛的高溫傳感范圍而成為渦輪發動機內部傳感活動的前沿和中心。RTD 精度恰如其分地滿足了 CJC 的需求。

熱電偶特性

熱電偶是高溫檢測的正確傳感器，因為它們具有堅固的工作和-270°C至+1820°C的溫度范圍。熱電偶的堅固性使這種小型、廉價的傳感器能夠在惡劣的環境中承受飽和，如液體或氣體，具有不同程度的大氣壓。

熱電偶有兩根不同金屬或合金的導線（≥ 20 AWG和≤100英尺）。例如，K型熱電偶的兩個引線是鉻和鋁。所有熱電偶在形成熱電偶結的兩根導線的一端都有一個焊縫。焊縫與熱電偶的兩個開路或尾端之間的溫差會產生一個小的電動勢（EMF）電壓，該電壓對溫差有響應。熱電偶不需要電壓或電流激勵。

傳感器從焊縫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電動勢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引線材料（表2）。表2顯示了熱電偶導體的種類、其指定的溫度范圍以及取決于雙金屬導體的塞貝克系數。

表 2.熱電偶的類型

熱電偶在很寬的溫度范圍內產生0V至數十毫伏的電壓。熱電偶輸出電壓可重復，但在整個溫度范圍內呈非線性。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單元進行了全面表征，在表2中的熱電偶中指定。此外，EMF電壓與溫度的關系表通常可從熱電偶制造商處獲得。

小、絕對和三角形熱電偶電壓與24位ΔΣ三角積分模數轉換器（ΔΣ ADC）完美一致，典型的最低有效位（LSB）等于電源電壓除以轉換器代碼數。

（公式1）

哪里：

IN = ADC 分辨率

G = PGA 增益

如果ADC的最大輸入范圍為5V，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精確的溫度系統作為CJC參考點運行。RTD溫度傳感器在-200°C至+850°C溫度范圍內具有高精度和可重復性，因此是工業和醫療應用的標準配置。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由包裹在陶瓷或玻璃非導電芯上的細細溫度敏感線組成，例如純鉑，鎳或銅。RTD的電阻隨著溫度的升高而線性增加。

RTD的電阻與溫度曲線是相當線性的，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 = 溫度（°C）

R（T） = T 處的電阻

R0 = T = 0°C 時的電阻

鉑金PT100的0°C規格為100O。RTD傳感器的PCB位置必須靠近熱電偶到PCB的導線連接。RTD電阻需要電流或電壓激勵，以將元件的電阻更改為伏特。實際熱電偶焊縫溫度是測量的熱電偶焊縫溫度加上測量的RTD溫度。

第一次就做對

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測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式前端放大器，然后是模擬濾波器，然后是一個SAR ADC。這種繁瑣、多封裝、需要大量 PCB 的解決方案非常準確。然而，緊湊型ΔΣ ADC在單個緊湊封裝中集成了所有這些片內功能。

Δ-Σ型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是數字化K型熱電偶輸出的合適替代方案（圖2）。

圖2.ΔΣ ADC，具有內部 PGA 級，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？S ADC 的模擬 AIN4 和 AIN5 引腳。跨越AIN8和AIN9的RTD檢測熱電偶尾端連接到PCB銅跡線的溫度。所有四個連接均通過輸入多路復用器和內部PGA，然后是三階ΔΣ調制器/SINC/FIR數字濾波器組合。

MAX11410為24位ΔΣ ADC為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 個可編程電流電平，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，而額外的吸電流和電流源有助于檢測損壞的熱電偶傳感器導線。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 可實現 90dB 同步 60Hz 和 50Hz 電源線抑制以及 3ppm INL，無失碼。基準電壓源的選擇在多個基準輸入引腳和模擬電源之間。

熱電偶產生毫伏輸出信號，渦輪發動機需要在+400°C至+1000°C的溫度范圍內進行溫度測量。 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ΔΣ ADC的K型熱電偶的正確設置是PGA增益為8，采樣速率為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 0.684μV有效值.

Δ-Σ型ADC和RTD

RTD測量銅纜連接處的熱電偶尾端，以提供CJC基準。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采用內部MAX11410電流源），為300μA，PGA設置為8。RTD元件的溫度系數為0.00385Ω/Ω/°C，-40°C時電阻為84.27Ω，+105°C時電阻為140.39Ω。

Δ-Σ型ADC、熱電偶和RTD誤差

熱電偶（現場測量）和RTD（CJC測量）溫度精度誤差同樣會影響最終溫度測量。表 3 總結了這些貢獻，并提供了最壞情況總和和平方和 （RSS） 計算。

表 3.MAX11410數字化儀誤差

注意：+1000°C 時的 TC 誤差，TC = 熱電偶（假設塞貝克系數或 SC 為 50μV/°C），CJ = 冷結，IR = ADC 輸入偏置電流乘以 1kΩ + 1kΩ 外部電阻。

表 3 中的 TC 溫度值等于：

增益誤差 增益誤差 x 1000°C

紅外誤差輸入電流 x （R海努( 1HNT）/SC

模數轉換器/PGA失調 ADC/PGA失調/SC

表 3 中的 RTD （CJ） 值等于：

增益誤差 增益誤差/（RTD溫度系數）

參考輸入電流 SC/（參考輸入電流 x R裁判)

由表3所示，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的總和或最差情況的熱電偶和RTD精度誤差等于0.50°C。

RSS精度誤差有效，因為表3中的四個誤差和兩個傳感器之間沒有相關性。在該系統中，RSS精度誤差在相同溫度范圍內等于0.29°C。

圖3所示為基于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要求電氣環境在寬溫度范圍內具有高精度的溫度傳感活動。本應用筆記評估了熱電偶和RTD溫度傳感器的精度，發現具有輔助電流源和基準電壓矩陣的24位ΔΣ ADC成功獲得了高精度熱電偶結果。

審核編輯：郭婷