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如何使用delta-sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)鉑電阻溫度檢測器(PRTD)高性能

電子設(shè)計 ? 來源:eeweb ? 作者:Maxim ? 2021-05-07 08:18 ? 次閱讀
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許多現(xiàn)代工業(yè),醫(yī)療和商業(yè)應(yīng)用要求在擴(kuò)展的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行溫度測量,其精度為±0.3°C或更高,并且以合理的成本執(zhí)行并且通常功耗很低。本文介紹了鉑電阻溫度檢測器(PRTD)如何與可解決非線性問題的現(xiàn)代處理器一起使用時,如何在-200°C至+ 850°C的寬溫度范圍內(nèi)進(jìn)行測量,其絕對精度和重復(fù)性優(yōu)于±0.3°C。數(shù)學(xué)方程式快速且經(jīng)濟(jì)高效。

簡介
每個電子設(shè)備都必須經(jīng)受不同的測試,以確定其預(yù)期性能。這是允許該設(shè)備在市場上發(fā)布之前的必要步驟。要進(jìn)行的一項重要測試是溫度測量,以識別產(chǎn)品有效工作的溫度范圍。更重要的是,已知最高和最低工作溫度。

本文介紹了如何使用由delta-sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC)和ADC組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)來實現(xiàn)鉑電阻溫度檢測器(PRTD)的高性能,高精度,寬范圍的溫度測量?,F(xiàn)代處理器。該DAS具有高性能,但具有成本效益。

本文介紹的開發(fā)DAS可快速解決設(shè)計和數(shù)學(xué)難題,并在PRTD的最大范圍(-200°C至+ 850°C)內(nèi)實現(xiàn)精確的溫度測量。

鉑電阻溫度檢測器或PRTD是絕對溫度傳感設(shè)備,可確保在-200°C至+ 850°C的溫度范圍內(nèi)重復(fù)測量。此外,鉑非常穩(wěn)定,不受腐蝕或氧化的影響。因此,PRTD為需要精確溫度測量的精密工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用提供了最佳性能。

PRTD幾乎是線性設(shè)備。根據(jù)溫度范圍和其他條件,您可以通過計算-20°C至+ 100°C的溫度范圍內(nèi)的PRTD電阻變化來進(jìn)行線性近似.1對于較寬的溫度范圍(-200°C至+850但是,為了達(dá)到更高的精度,溫度測量PRTD標(biāo)準(zhǔn)(EN 60751:2008)通過稱為Callendar-Van Dusen方程的非線性數(shù)學(xué)模型定義了鉑電阻與溫度的關(guān)系。

幾年前,這種算法的實現(xiàn)可能在DAS設(shè)計中提出技術(shù)和成本方面的限制。當(dāng)今的現(xiàn)代處理器,例如MAXQ2000和價格適中的PC,可以快速,經(jīng)濟(jì)高效地解決這些挑戰(zhàn),同時為用戶提供友好的圖形顯示。

Callendar-Van Dusen方程可用于這種現(xiàn)代DAS中,以將-200°C至+ 850°C寬動態(tài)范圍的誤差降低到可以忽略的水平。精度將達(dá)到±0.3°C或更高。

設(shè)計示例DAS
本文討論的DAS在PRTD線性溫度范圍-20°C至+ 100°C范圍內(nèi)提供了高分辨率,低噪聲的測量。無需執(zhí)行Callendar-Van Dusen方程,其精度為±0.15%。通過使用PRTD1000(PTS1206-1000Ω),這是一種非常常見的鉑RTD,既具有尺寸又具有成本效益,因此在給定范圍內(nèi)可獲得優(yōu)于±0.05°C的溫度分辨率。

這種簡單的DAS使用MAX11200 24位delta-sigma ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,并使用低功耗,經(jīng)濟(jì)高效的MAXQ2000處理器2進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。DAS在PC中實現(xiàn)線性化算法。也可以使用任何其他有能力的處理器,控制器DSP。

PTD1206-1000Ω等PRTD器件在-55°C至+ 155°C的溫度范圍內(nèi)是一個有吸引力的選擇,因為它們具有標(biāo)準(zhǔn)的表面貼裝器件(SMD)尺寸,與表面貼裝電阻器封裝和價格在較低的一美元范圍內(nèi)。對于-50°C至+ 500°C的溫度范圍,薄膜PRTD是一種經(jīng)濟(jì)實用的選擇。3薄膜PRTD由沉積在陶瓷基板上的薄膜鉑和玻璃涂層的鉑元素組成。電阻和溫度偏差可控制在±0.06%和±0.15°C之內(nèi),其公差符合EN 60751的A級。對于在液體或腐蝕性環(huán)境中進(jìn)行高溫測量,通常將薄膜PRTD放置在保護(hù)裝置內(nèi)。探測。

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圖1是顯示為本文開發(fā)的精密DAS的簡化示意圖。它使用MAX11200 ADC的評估板(EV)。MAX11200的GPIO1引腳設(shè)置為輸出,以控制繼電器校準(zhǔn)開關(guān),該繼電器選擇固定的RCAL電阻或PRTD。這種多功能性提高了系統(tǒng)精度,將所需的計算減少到RA和RT的初始值,并且同時提供了出色的系統(tǒng)診斷功能。

處理數(shù)據(jù)

MAXQ2000-RAX微控制器上的固件管理以下主要功能,如圖2所示:

1.初始化MAX11200 ADC

2.收集并處理ADC的輸出數(shù)據(jù)

3.保持與PC的USB接口

pIYBAGCVAleAJmyyAABFxuywMK0135.png

初始化期間,MAX11200 ADC進(jìn)行自校準(zhǔn)過程,設(shè)置最佳采樣率(10sps或15sps),并啟用輸入信號緩沖器。采樣率的選擇對于工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用中的溫度測量非常重要。該DAS能夠以出色的(100dB或更高)電源線50Hz / 60Hz抑制率進(jìn)行合理的快速數(shù)據(jù)采集。推薦的用于60Hz線頻抑制的外部時鐘為2.4576MHz,這對于1、2.5、5、10和15sps的數(shù)據(jù)速率有效。對于50Hz的線頻抑制,推薦的外部時鐘為2.048MHz,這對于0.83、2.08、4.17、8.33和12.5sps的數(shù)據(jù)速率有效。

o4YBAGCVAmuAEz7GAAHpXwK1SBs665.png

輸入信號緩沖器的使用將輸入阻抗增加到高兆歐范圍。由于實際上消除了輸入動態(tài)電流的分流效應(yīng),因此提高了測量精度。

固件還使用MAX3420E USB接口,因此在PC端不需要驅(qū)動程序軟件。通過USB將DAS連接到PC后,MAX3420E USB模塊將初始化,并準(zhǔn)備好傳輸ADC溫度轉(zhuǎn)換。

結(jié)論

近年來,PRTD成為各種精密溫度感測應(yīng)用的理想器件,在-200°C至+ 850°C的溫度范圍內(nèi),絕對精度和可重復(fù)性至關(guān)重要。如果要直接連接ADC和PRTD,則這些應(yīng)用需要低噪聲ADC。PRTD和ADC共同提供了一個溫度測量系統(tǒng),非常適合便攜式傳感應(yīng)用。這種組合提供了高性能,但具有成本效益。

為了準(zhǔn)確地測量最大PRTD范圍(-200°C至+ 850°C)中的溫度,必須執(zhí)行稱為Callendar-Van Dusen方程(EN 60751:2008)的非線性數(shù)學(xué)算法。但是僅僅幾年前,實施這些算法在DAS系統(tǒng)設(shè)計中就出現(xiàn)了技術(shù)和成本方面的限制。當(dāng)今的現(xiàn)代處理器(如MAXQ2000)與價格合理的PC結(jié)合在一起,可以快速,經(jīng)濟(jì)高效地解決這些挑戰(zhàn)。

編輯:hfy

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