使用MAX22000進(jìn)行溫度測(cè)量的準(zhǔn)則

除了性能之外，MAX22000提供的重要特性之一是靈活性。靈活地改變其操作模式，并靈活地使用相同的通用四針連接器連接不同類型的傳感器和設(shè)備。這樣的功能對(duì)于工業(yè)應(yīng)用非常有用和重要，因?yàn)樯a(chǎn)線升級(jí)或重新配置的停機(jī)時(shí)間直接影響最終產(chǎn)品的成本。

使用MAX22000進(jìn)行溫度測(cè)量

MAX22000為高度可配置的模擬I/O器件，可以從高性能模擬輸出器件轉(zhuǎn)換為模擬輸入器件，反之亦然，甚至可以通過(guò)適當(dāng)?shù)能浖蚬碳⑦@兩種工作模式結(jié)合起來(lái)。MAX22000評(píng)估板及其軟件（GUI）演示了這些特性。在本應(yīng)用筆記中，我們將討論使用電阻式溫度檢測(cè)器（RTD）和熱電偶（TC）進(jìn)行溫度測(cè)量的實(shí)施。

使用 RTD 溫度傳感器進(jìn)行溫度測(cè)量

圖1所示為RTD使用通用模擬I/O連接器連接到MAX22000的框圖

圖1.RTD連接到MAX22000的框圖

在這種配置中，4線RTD由利用板載數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）、電流檢測(cè)放大器（CSA）和50？電流檢測(cè)電阻。RTD上的壓降由板載模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）通過(guò)可編程增益放大器（PGA）和多路復(fù)用器（MUX）測(cè)量。這種配置允許由于其開(kāi)爾文連接方案而忽略RTD線的長(zhǎng)度。

MAX22000配置的靈活性還允許與2線或3線RTD連接。對(duì)于 2 線 RTD，引腳 1、2 和 3、4 必須在外部短路，對(duì)于 3 線 RTD，引腳 1 和 2 或引腳 3 和 4 必須在外部短路。

RTD 電阻 （R即熱處理） 可以隨時(shí)通過(guò)除以 RTD 上的壓降 （V ） 來(lái)計(jì)算即熱處理）通過(guò)勵(lì)磁電流（I即熱處理） 由 DAC 設(shè)置（公式 1）。

等式 1.RTD 電阻計(jì)算。

RTD溫度可以使用Callendar-Van Dusen方程（公式2）計(jì)算。

等式 2.卡倫達(dá)-范杜森方程。
R（T） = R0（1 + A × T + B × T2 – 100 × C × T3 + C × T4）

哪里

R（T） = 溫度 T （°C） 下的 RTD 電阻;
R0 = 0°C 時(shí)的 RTD 電阻，A、B 和 C 常數(shù)來(lái)自實(shí)驗(yàn)確定的參數(shù)，
并受 IEC751 標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)節(jié)。
它們還必須由RTD制造商提供。
對(duì)于 Pt100 RTD 和電阻溫度系數(shù)，a = 0.003850，其中
a = （R100 – R0）/（100 × R0）;
A = 3.90830 × 10 - 3;
B = -5.77500 × 10 - 7;
C= 4.18301 × 10 - 12 表示 -200°C = T = 0°C;
C = 0 表示 0°C = T = 850°C。

溫度 （T） 可以通過(guò)求解二次方程來(lái)計(jì)算，如果我們忽略負(fù)溫度系數(shù) C = 4.18301 × 10 - 12（公式 3）。

等式 3.

該算法在MAX22000評(píng)估板軟件中實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)Fluke 724溫度校準(zhǔn)器驗(yàn)證，Pt100溫度范圍為-200°C至800°C，Pt1000溫度校準(zhǔn)器為-100°C至100°C溫度范圍。 結(jié)果如表1和表2所示。IRTD 設(shè)置為 0.500006mA，PGA 模式分別為 250mV 和 2.5V。?

RTD測(cè)量的最大絕對(duì)誤差在100°C至+800°C的溫度范圍內(nèi)低于0.3°C，如表1和表2所示。

使用熱電偶進(jìn)行溫度測(cè)量

熱電偶的精密溫度測(cè)量可以用公式4、公式5和公式6表示。

等式 4.測(cè)量的電壓。
五M= VTC+ V冷

哪里

VM = 熱電偶熱結(jié)端的測(cè)量電壓;
VTC = 熱電偶結(jié)材料相對(duì)于冷結(jié)產(chǎn)生的電壓;
VCOLD = 冷結(jié)電壓或參考點(diǎn)。
結(jié)材料產(chǎn)生的電壓可以計(jì)算為：

等式 5.熱電偶結(jié)處的電壓。
五M= VTC+ V冷

因此，需要有兩個(gè)獨(dú)立的測(cè)量通道——一個(gè)用于熱端，另一個(gè)用于冷端溫度。圖2顯示了熱電偶溫度測(cè)量的框圖。

圖2.將熱電偶連接到MAX22000的框圖

熱結(jié)溫度通過(guò) AI5（引腳 2）和 AI6（引腳 3、4）輸入之間的 PGA 測(cè)量。冷結(jié)溫度通過(guò)板載 1k RTD Pt1000 （RT1） 通過(guò) AUX1 和 AUX2 ADC 輸入進(jìn)行測(cè)量。Pt1000 RTD由DAC設(shè)置的電流源激勵(lì)。冷端溫度的所有計(jì)算與上述RTD測(cè)量的計(jì)算相同。

由于AUX輸入的共模為1.25V，因此我們使用2.49k串聯(lián)電阻R34和0.5mA的激勵(lì)電流進(jìn)行補(bǔ)償。

熱結(jié)溫度是根據(jù)熱電偶類型計(jì)算的。工業(yè)應(yīng)用中最受歡迎的熱電偶是E，J，K，M，N，T等。它們具有不同的靈敏度，溫度范圍，制造材料，成本及其特性由國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)化：NIST（美國(guó)），DIN（德國(guó)）等。?

在我們的示例中，我們使用福祿克 724 溫度校準(zhǔn)器提供的通用 K 型熱電偶的仿真。它具有 -200°C 至 +1370°C 的寬溫度范圍，靈敏度相對(duì)較高，約為 41μV/°C。

熱結(jié)溫度可以使用NIST ITS-90熱電偶數(shù)據(jù)庫(kù)或公式5中的查找表以及表3中的K型熱電偶標(biāo)準(zhǔn)化多項(xiàng)式系數(shù)來(lái)計(jì)算。

等式 6.結(jié)溫（°C
）J= d0 + d1E + d2E2+ ...德嫩

其中，
TJ= 結(jié)溫，單位：°C;
E = 通過(guò)公式 5 計(jì)算的熱電偶輸出，單位為 mV;
dN = 每種熱電偶類型唯一的多項(xiàng)式系數(shù);
N = 多項(xiàng)式的最大階數(shù)。

V冷可以在下表中找到基于板載RTD（RT1）測(cè)量的冷結(jié)溫度，然后添加到測(cè)量的V中M來(lái)計(jì)算VTC。The TJ由公式6計(jì)算，其中E = VTC。

K型熱電偶測(cè)量結(jié)果如表4所示。IRTD 設(shè)置為 0.500006mA，PGA 模式設(shè)置為 250mV。為了提高精度，可以應(yīng)用結(jié)果的額外線性化。

結(jié)論

Maxim Integrated MAX22000可配置模擬I/O器件為可編程邏輯控制器（PLC）、可編程自動(dòng)化控制器（PAC）和分布式控制系統(tǒng)（DCS）等工業(yè)應(yīng)用提供了高度的靈活性、魯棒性和高精度。其可配置軟件允許在電壓或電流模式、輸入或輸出模式下快速無(wú)縫地使用不同類型的傳感器，通過(guò)啟用或禁用八個(gè)可用輸入端口中的任何一個(gè)。

審核編輯：郭婷