使用MAX22000进行温度测量的应用指南

MAX22000

使用MAX22000进行温度测量的应用指南

来源：analog 发布时间：2023-08-24

摘要： 本应用说明解释了MAX22000提供的温度测量的实现。

除了性能外，MAX22000提供的一个重要特性是灵活性。灵活地改变其操作模式，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。这种特性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到最终产品的成本。

使用MAX22000进行温度测量

MAX22000是一款高度可配置的I/O设备，它可以从高性能输出设备转换为输入设备，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 EV套件及其软件(GUI)展示了这些功能。在本应用笔记中，我们讨论了电阻式温度检测器(RTD)和热电偶(TC)的温度测量实现。

温度测量与RTD温度传感器

图1显示了RTD使用通用I/O连接器连接到MAX22000的框图

图1所示连接到MAX22000的RTD框图。

在这种配置中，4线RTD由利用板载数字转换器(DAC)、电流检测放大器(CSA)和50?电流检测电阻。RTD上的电压降由板载数字转换器(ADC)通过可编程增益放大器(PGA)和多路复用器(MUX)测量。这样的配置允许RTD导线的长度被忽略，由于它的开尔文连接方案。

MAX22000配置的灵活性也允许与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3和4必须在外部短路。

通过将RTD上的压降(V(RTD))除以DAC设定的激励电流(I(RTD))，可以随时计算出RTD电阻(R(RTD))(公式1)。

方程1。RTD电阻计算。

RTD温度可通过Callendar-Van Dusen方程(式2)计算。

方程2。Callendar-Van Dusen方程。
R(t) = r0 (1 + a × t + b × t2 - 100 × c × t3 + c × t4)

在那里,

R(T) =温度T(℃)时RTD电阻;
R0 = 0℃时的RTD电阻。
A, B和C常数由实验确定的参数推导，并由IEC751标准调节。
它们也必须由RTD制造商提供。
对于Pt100的RTD和电阻温度系数，a = 0.003850，
a = (R100 - R0)/(100 × R0);
A = 3.90830 × 10 - 3;
B = -5.77500 × 10 - 7;
C= 4.18301 × 10 - 12为-200℃= T = 0℃;
C= 0℃= T = 850℃。

对于负温度，忽略系数C = 4.18301 × 10 - 12，可通过求解二次方程计算温度T(式3)。

方程3。

该算法在MAX22000 EV套件软件中实现，并使用Fluke 724温度校准器进行验证，用于Pt100的温度范围为-200°C至800°C，用于Pt1000的温度范围为-100°C至100°C。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。

表1 Pt100仿真测量结果
温度 (°C)	ADC输出 (mV)	RRTD （？）	计算温度 (°C)	ABS的错误 (°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
One hundred.	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年	40.15461	80.31	-50.01	-0.01
-100年	30.13253	60.26	-100.19	-0.19
-200年	9.27112	18.54	-202.37	-2.37

表2 Pt1000仿真测量结果
温度 (°C)	ADC输出 (mV)	RRTD （？）	计算温度 (°C)	ABS的错误 (°C)
One hundred.	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年	460.51	921.03	-20.02	-0.02
-40年	421.07	842.15	-40.03	-0.03
-60年	381.38	762.77	-60.06	-0.06
-80年	341.37	682.75	-80.13	-0.13
-100年	301.03	602.07	-100.25	-0.25

如表1和表2所示，在100℃~ +800℃的温度范围内，RTD测量的最大绝对误差在0.3℃以下。

热电偶温度测量

热电偶精确测温可由式4、式5、式6表示。

方程4。电压测量。
V(m) = V(tc) + V(冷)

在那里,

VM =热电偶热结两端的测量电压;
VTC =热电偶的结材相对于冷结产生的电压;
VCOLD =冷端电压或参考点。
结材料产生的电压可计算为:

方程5。热电偶连接处的电压。
V(m) = V(tc) + 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。连接热电偶到MAX22000的框图。

热结温度通过PGA在AI5(引脚2)和AI6(引脚3,4)输入之间测量。冷端温度由板载1k RTD Pt1000 (RT1)通过AUX1和AUX2 ADC输入测量。Pt1000 RTD由DAC设置的电流源激发。冷端温度的所有计算与上述RTD测量相同。

由于AUX输入共模为1.25V，我们用2.49k的串联电阻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。工业应用中最流行的热电偶是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，成本和特性，由国际电工委员会(IEC )和国家标准:NIST(美国)，DIN(德国)等标准化。

在我们的例子中，我们正在使用Fluke 724温度校准器提供的通用k型热电偶的仿真。它的工作温度范围从-200°C到+1370°C，灵敏度相对较高，约41 μ V/°C。

热结温度可以使用NIST ITS-90热电偶数据库中的查找表或公式5和k型热电偶表3中的标准化多项式系数来计算。

方程6。结温(℃)。
T(J) = d0 + d1E + d2E(2) +…dNEN

在那里,
T(J) =结温(℃);
E =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。

V(COLD)可根据板载RTD (RT1)测得的冷端温度在此表中找到，然后将测量到的V(M)加起来计算VTC。T(J)由式6计算，其中E = VTC。

表3 k型热电偶系数。
温度范围(℃)	-200到0	0 ~ 500	500至1372年
电压范围(mV)	-5.891到1	0到20.644	20.644到54.886
k型TC系数
d0	0.0000000 e + 00	0.000000 e + 00	-1.318058 e + 02
d1	2.5173462 e + 01	2.508355 e + 01	4.830222 e + 01
d2	-1.1662878 e + 00	7.860106 e-02	-1.646031 e + 00
d3	-1.0833638 e + 00	-2.503131 e-01	5.464731 e-02
d4	-8.9773540 e-01	8.315270 e-02	-9.650715 e-04
d5	-3.7342377 e-01	-1.228034 e-02	8.802193 e-06
d6	-8.6632643 e-02	9.804036 e-04	-3.110810 e-08
d7	-1.0450598 e-02	-4.413030 e-05	0.000000 e + 00
d8	-5.1920577 e-04	1.057734 e-06	0.000000 e + 00
d9	0.0000000 e + 00	-1.052755 e-08	0.000000 e + 00
误差范围(°C)	-0.02 ~ 0.04	-0.05 ~ 0.04	-0.05 ~ 0.06

k型热电偶测量结果如表4所示。IRTD设置为0.500006mA, PGA模式为250mV。为了提高精度，可以对结果进行额外的线性化。

表4 Pt1000仿真测量结果
温度 (°C)	GUI读 (mV)	错误 (% FS)	温度线性化后(°C)	ABS的错误线性化后 (°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
One hundred.	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年	-46.97	0.193	-50.552	-0.55
-100年	-96.28	0.237	-100.123	-0.12
-200年	-192.28	0.492	-196.632	3.37

结论

Maxim集成MAX22000可配置I/O器件为工业应用提供了高水平的灵活性，稳健性和准确性，例如可编程逻辑控制器(PLC)，可编程自动化控制器(PAC)和分布式控制系统(DCS)。其可配置的软件允许快速和无缝的工作与不同类型的传感器，在电压或电流模式，输入或输出模式，通过启用或禁用任何八个可用的输入端口。