利用先進的熱電偶和高分辨率Δ-ΣADC實現高精度溫度測量

也有針對具體應用設計的IC，用于熱電偶信號調理。這些IC集成本地溫度傳感器、精密放大器、ADC和電壓基準。例如，MAX31855為冷端補償熱電偶至數字轉換器，可數字化K、J、N、T或E型熱電偶信號。MAX31855以14位(0.25℃)分辨率測量熱電偶溫度(圖3)。

圖3 集成冷端溫度補償的ADC，轉換熱電偶電壓時無需外部補償

誤差分析

冷端補償

熱電偶為差分傳感器，利用溫度結和冷端之間的溫差產生輸出電壓。根據式1，只有精密測得冷端絕對溫度(TREF)時，才能得到溫度結的絕對溫度(Tabs)。

可利用新型鉑RTD (PRTD)測量冷端絕對溫度。它在很寬的溫度范圍內提供良好的性能，尺寸小、功耗低，成本非常合理。

圖4所示為精密DAS的簡化原理圖，采用了MAX11200 (24位、 Δ-Σ ADC)評估(EV)板，可實現熱電偶溫度測量。本例中，利用R1 - PT1000 (PTS 1206，1000Ω)測量冷端絕對溫度。該解決方案能夠以±0.30℃或更高精度測量冷端溫度。

圖4 熱電偶DAS簡化圖

如圖4所示，MAX11200的GPIO設置為控制精密多路復用器MAX4782，它選擇熱電偶或PRTD R1 - PT1000。該方法可利用單個ADC實現熱電偶或PRTD的動態測量。提高了系統精度，降低校準要求。

非線性誤差

熱電偶為電壓發生裝置。但是，大多數常見熱電偶[2，4]的輸出電壓作為溫度的函數呈現非常高的非線性。

圖4和圖5中說明，如果沒有經過適當補償，常見的工業K型熱電偶的非線性誤差會超過數十攝氏度。

圖5 K型熱電偶的輸出電壓和溫度關系圖。曲線在-50℃至+350℃范圍內線性 度較好；在低于-50℃和高于+350℃時，相對于絕對線性度存在明顯偏差。

IEC采用的NIST ITS-90等現代熱電偶標準化處理、查找表和公式數據庫，是當前系統間互換熱電偶類型的基礎。通過這些標準，熱電偶很容易由相同或不同制造商的其它熱電偶所替代，而且經過最少的系統設計更新或校準即可確保性能指標。

NIST ITS-90熱電偶數據庫提供了詳細的查找表。通過使用標準化多項式系數，還可利用多項式在非常寬的溫度范圍內將熱電偶電壓換算成溫度(℃)。

根據NIST ITS-90熱電偶數據庫，多項式系數為：

T = d0 + d1E + d2E2 + ... dNEN

(式2)

式中：T為溫度，℃；E為VOUT——熱電偶輸出，mV；dN為多項式系數，每一熱電偶的系數是唯一的；N =多項式的最大階數。

表2所示為一個K型熱電偶的NIST (NBS)多項式系數。

利用表2中的多項式系數，能夠在-200℃至+1372℃溫度范圍內以優于±0.1℃的精度計算溫度T。大多數常見熱電偶都有不同系數表可用。

表2 K型熱電偶系數

同樣，在-200℃至0、0至+500℃和+500℃至+1372℃溫度范圍也可以找到類似的NIST ITS-90系統，能夠以更高精度(低于±0.1℃，相對于±0.7℃)計算溫度。與原來的“單”間隔表進行比較即可看出這點。