使用MAX22000进行温度测量的准则

除了性能之外，MAX22000提供的重要特性之一是灵活性。灵活地改变其操作模式，并灵活地使用相同的通用四针连接器连接不同类型的传感器和设备。这样的功能对于工业应用非常有用和重要，因为生产线升级或重新配置的停机时间直接影响最终产品的成本。

使用MAX22000进行温度测量

MAX22000为高度可配置的模拟I/O器件，可以从高性能模拟输出器件转换为模拟输入器件，反之亦然，甚至可以通过适当的软件或固件将这两种工作模式结合起来。MAX22000评估板及其软件（GUI）演示了这些特性。在本应用笔记中，我们将讨论使用电阻式温度检测器（RTD）和热电偶（TC）进行温度测量的实施。

使用 RTD 温度传感器进行温度测量

图1所示为RTD使用通用模拟I/O连接器连接到MAX22000的框图

图1.RTD连接到MAX22000的框图

在这种配置中，4线RTD由利用板载数模转换器（DAC）、电流检测放大器（CSA）和50？电流检测电阻。RTD上的压降由板载模数转换器（ADC）通过可编程增益放大器（PGA）和多路复用器（MUX）测量。这种配置允许由于其开尔文连接方案而忽略RTD线的长度。

MAX22000配置的灵活性还允许与2线或3线RTD连接。对于 2 线 RTD，引脚 1、2 和 3、4 必须在外部短路，对于 3 线 RTD，引脚 1 和 2 或引脚 3 和 4 必须在外部短路。

RTD 电阻 （R即热处理） 可以随时通过除以 RTD 上的压降 （V ） 来计算即热处理）通过励磁电流（I即热处理） 由 DAC 设置（公式 1）。

等式 1.RTD 电阻计算。

 

RTD温度可以使用Callendar-Van Dusen方程（公式2）计算。

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

其中

R（T） = 温度 T （°C） 下的 RTD 电阻;
R0 = 0°C 时的 RTD 电阻。
A、B 和 C 常数源自实验确定的参数，并受 IEC751 标准的约束。
它们还必须由RTD制造商提供。
对于Pt100 RTD和电阻温度系数，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。

温度 （T） 可以通过求解二次方程来计算，如果我们忽略负温度系数 C = 4.18301 × 10 - 12（公式 3）。

等式 3.

 

该算法在MAX22000评估板软件中实现，并通过Fluke 724温度校准器验证，Pt100温度范围为-200°C至800°C，Pt1000温度校准器为-100°C至100°C温度范围。 结果如表1和表2所示。IRTD 设置为 0.500006mA，PGA 模式分别为 250mV 和 2.5V。®

 

温度 （°C）	模数转换器输出 （毫伏）	RRTD （？	计算 温度 （°C）	ABS 误差 （°C）
800	187.81587	375.63	799.74	-0.26
600	156.82232	313.64	599.79	-0.21
400	123.52508	247.05	399.87	-0.13
200	87.91572	175.83	199.93	-0.07
100	69.24668	138.49	99.96	-0.04
50	59.69459	119.39	49.98	-0.02
0	49.99954	100.00	-0.01	-0.01
-50	40.15461	80.31	-50.01	-0.01
-100	30.13253	60.26	-100.19	-0.19
-200	9.27112	18.54	-202.37	-2.37

温度 （°C）	模数转换器输出 （毫伏）	RRTD （？	计算 温度 （°C）	ABS 误差 （°C）
100	692.22	1384.46	100.04	0.04
80	654.17	1308.36	80.03	0.03
60	615.92	1231.86	60.03	0.03
40	577.41	1154.84	40.02	0.02
20	538.67	1077.36	20.00	0.00
0	499.72	999.45	0.00	0.00
-20	460.51	921.03	-20.02	-0.02
-40	421.07	842.15	-40.03	-0.03
-60	381.38	762.77	-60.06	-0.06
-80	341.37	682.75	-80.13	-0.13
-100	301.03	602.07	-100.25	-0.25

 

RTD测量的最大绝对误差在0°C至+3°C的温度范围内低于100.800°C，如表1和表2所示。

使用热电偶进行温度测量

热电偶的精密温度测量可以用公式4、公式5和公式6表示。

等式 4.测量的电压。
VM = VTC + VCOLD

其中

VM = 热电偶热结端的测量电压;
VTC = 热电偶结材料相对于冷结产生的电压;
VCOLD = 冷结电压或参考点。
结材料产生的电压可以计算为：

等式 5.热电偶结处的电压。
五M= VTC+ V冷

因此，需要有两个独立的测量通道——一个用于热端，另一个用于冷端温度。图2显示了热电偶温度测量的框图。

图2.将热电偶连接到MAX22000的框图

热结温度通过 AI5（引脚 2）和 AI6（引脚 3、4）输入之间的 PGA 测量。冷结温度通过板载 1k RTD Pt2 （RT1） 通过 AUX1000 和 AUX1 ADC 输入进行测量。Pt1000 RTD由DAC设置的电流源激励。冷端温度的所有计算与上述RTD测量的计算相同。

由于AUX输入的共模为1.25V，因此我们使用2.49k串联电阻R34和0.5mA的激励电流进行补偿。

热结温度是根据热电偶类型计算的。工业应用中最受欢迎的热电偶是E，J，K，M，N，T等。它们具有不同的灵敏度，温度范围，制造材料，成本及其特性由国际电工委员会（IEC）和国家标准标准化：NIST（美国），DIN（德国）等。®

在我们的示例中，我们使用福禄克 724 温度校准器提供的通用 K 型热电偶的仿真。它具有 -200°C 至 +1370°C 的宽温度范围，灵敏度相对较高，约为 41μV/°C。

热结温度可以使用NIST ITS-90热电偶数据库或公式5中的查找表以及表3中的K型热电偶标准化多项式系数来计算。

等式 6.结温（°C
TJ = d0 + d1E + d2E2 + ... dNEN

其中，
TJ= 结温，单位：°C;
E = 通过公式 5 计算的热电偶输出，单位为 mV;
dN = 每种热电偶类型唯一的多项式系数;
N = 多项式的最大阶数。

VCOLD可以在下表中找到基于板载RTD（RT1）测量的冷结温度，然后添加到测量的V中M来计算VTC。The TJ由公式6计算，其中E = VTC。

 

温度范围（°C）	-200 到 0	0 到 500	500 到 1372
电压范围（毫伏）	-5.891 到 1	0 至 20.644	20.644 至 54.886
K 型 TC 系数
d0	0.0000000E+00	0.000000E+00	-1.318058E+02
d1	2.5173462E+01	2.508355E+01	4.830222E+01
d2	-1.1662878E+00	7.860106E-02	-1.646031E+00
d3	-1.0833638E+00	-2.503131E-01	5.464731E-02
d4	-8.9773540E-01	8.315270E-02	-9.650715E-04
d5	-3.7342377E-01	-1.228034E-02	8.802193E-06
d6	-8.6632643E-02	9.804036E-04	-3.110810E-08
d7	-1.0450598E-02	-4.413030E-05	0.000000E+00
d8	-5.1920577E-04	1.057734E-06	0.000000E+00
d9	0.0000000E+00	-1.052755E-08	0.000000E+00
误差范围（°C）	-0.02 到 0.04	-0.05 到 0.04	-0.05 到 0.06

 

K型热电偶测量结果如表4所示。IRTD 设置为 0.500006mA，PGA 模式设置为 250mV。为了提高精度，可以应用结果的额外线性化。

 

温度 （°C）	图形用户界面读取 （mV）	错误 （%FS）	线性化后的温度 （°C）	线性化 后的ABS误差 （°C）
1370	1366.66	-0.213	1370.570	0.57
1000	998.39	-0.103	1000.349	0.35
800	799.25	-0.048	800.153	0.15
600	600.04	0.003	599.887	-0.11
400	400.83	0.053	399.621	-0.38
200	201.68	0.107	199.416	-0.58
100	101.98	0.126	99.188	-0.81
50	52.29	0.146	49.234	-0.77
0	2.51	0.160	-0.810	-0.81
-50	-46.97	0.193	-50.552	-0.55
-100	-96.28	0.237	-100.123	-0.12
-200	-192.28	0.492	-196.632	3.37

 

结论

Maxim Integrated MAX22000可配置模拟I/O器件为可编程逻辑控制器（PLC）、可编程自动化控制器（PAC）和分布式控制系统（DCS）等工业应用提供了高度的灵活性、鲁棒性和高精度。其可配置软件允许在电压或电流模式、输入或输出模式下快速无缝地使用不同类型的传感器，通过启用或禁用八个可用输入端口中的任何一个。