測試儀器基礎應用知識總結（二）：十大故障診斷方法2

ADC規格參數/分析

　　表3所示為MAX11200的基本性能指標，具有圖4中所示的電路特性。

　　表3. MAX11200的主要技術指標 MAX11200Comments

　　Sample Rate （sps）10 to 120The MAX11200‘s variable oversampling rate can be optimized for low noise and for -150dB line-noise rejection at 50Hz or 60Hz.

　　Channels1GPIOs allow external multiplexer control for multichannelmeasurements.

　　INL （ppm， max）±10Provides very good measurement linearity.

　　Offset Error （μV）±1Provides almost zero offset measurements.

　　Noise-Free Resolution （Bits）19.0 at 120sps; 19.5 at 60sps; 21.0 at 10spsVery high dynamic range with low power.

　　VDD （V）AVDD （2.7 to 3.6）

　　DVDD （1.7 to 3.6）AVDD and DVDD ranges cover the industry’s popular power-supply ranges.

　　ICC （μA， max）300Highest resolution per unit power in the industry; ideal for portable applications.

　　GPIOsYesAllows external device control， including local multiplexer control.

　　Input Range0 to VREF， ±VREFWide input ranges

　　Package16-QSOP，

　　10-μMAX? （15mm2）Some models like the MAX11202 are offered in a 10-μMAX package—a very small size for space-constrained designs.

　　本文中使用的MAX11200是一款低功耗、24位、Σ-Δ ADC，適合于需要寬動態范圍、高分辨率的低功耗應用。利用該ADC，基于式3和4可計算圖3電路的溫度分辨率。

　　（式3）

　　（式4）

　　式中：

　　Rtlsb為熱電偶在1 LSB時的分辨率；

　　Rtnfr為熱電偶無噪聲分辨率（NFR）；

　　VREF為基準電壓；

　　Tcmax為測量范圍內的熱電偶zui大溫度；

　　Tcmin為測量范圍內的熱電偶zui小溫度；

　　Vtmax為測量范圍的熱電偶zui大電壓；

　　Tcmax為測量范圍內的熱電偶zui小電壓；

　　FS為ADC滿幅編碼，對于雙極性配置的MAX11200為（223-1）；

　　NFR為ADC無噪聲分辨率，對于雙極性配置的MAX11200為（220-1），10Sa/s時。

　　表4所列為利用式3和4計算表1中K型熱電偶的測量分辨率。

　　表4. K型熱電偶在不同溫度范圍內的測量分辨率 Temperature Range （°C）-200 to 00 to 500500 to 1372

　　Voltage Range （mV）-5.89120.64434.242

　　Rtlsb Resolution （°C/LSB）0.01210.00870.0091

　　Rtnfr Resolution （°C/NFR）0.09710.06930.0729

　　表4中提供了每個溫度范圍內的°C/LSB誤差和°C/NFR誤差計算值。無噪聲分辨率（NFR）表示ADC能夠可靠區分的zui小溫度值。對于整個溫度范圍，NFR值低于0.1°C，對于工業和醫療應用中的大多數熱電偶遠遠足夠。

　　熱電偶與MAX11200評估板的連接

　　MAX11200EVKIT提供了全功能、高分辨率DAS。評估板可幫助設計工程師快速完成項目開發，例如驗證圖4所示解決方案。

　　在圖4所示原理圖中，常見的K型OMEGA熱電偶（KTSS-116 ［5］）連接至差分評估板輸入A1。利用Maxim應用筆記4875中介紹的高性價比比例方案，測量冷端溫度的值［3］。R1 （PT1000）輸出連接至評估板輸入A0。MAX11200的GPIO控制精密多路復用器MAX4782，復用器動態選擇將熱電偶或PRTD R1輸出連接至MAX11200的輸入。

　　K型熱電偶（圖3、4）在-50°C至+350°C范圍內的線性度適當。對于有些不太嚴格的應用，線性逼近公式（式5）能大大降低計算量和復雜度。

　　近似溫度可計算為：

　　（式5）

　　式中：

　　E為實測熱電偶輸出，單位為mV；

　　Tabs為K型熱電偶的溫度，單位為°C；

　　Tcj為PT1000實測的熱電偶冷端溫度，單位為°C ［3］；

　　Ecj為利用Tcj計算得到的冷端熱電偶等效輸出，單位為mV。

　　所以：

　　k = 0.041mV/°C——從-50°C至+350°C范圍內的平均靈敏度

　　然而，為了在更寬的溫度范圍（-270°C至+1372°C）內精密測量，強烈建議采用多項式（式2）和系數（根據NIST ITS-90）：

　　Tabs = ?（E + Ecj）（式6）

　　式中：

　　Tabs為K型熱電偶的溫度，單位為°C；

　　E為實測熱電偶輸出，單位為mV；

　　Ecj為利用Tcj計算得到的冷端熱電偶等效輸出，單位為mV；

　　f為式2中的多項式函數；

　　TCOLD為PT1000實測的熱電偶的冷端溫度，單位為°C。

　　圖7所示為圖4的開發系統。該系統包括經認證的精密校準器，Fluke?-724，作為溫度模擬器代替K型OMEGA熱電偶。

　　詳細圖片（PDF， 3.1MB）

　　圖7. 圖4開發系統

　　Fluke-724校準器提供與K型熱電偶在-200°C至+1300°C范圍內輸出相對應的精密電壓，送至基于PT1000的冷端補償模塊。基于MAX11200的DAS動態選擇熱電偶或PRTD測量值，并通過USB端口將數據送至筆記本計算機。專門開發的DAS軟件采集并處理熱電偶和PT1000輸出產生的數據。

　　表5列出了-200°C至+1300°C溫度范圍內的測量和計算值，采用式5和6。

　　表5. -200°C至+1300°C范圍的測量計算 Temperature （Fluke-724） （°C）PT1000 Code Measured at “Cold Junction” （LSB）Thermocouple Code Adjusted to 0°C by PT1000 Measurements （LSB）Temperature Calculated by Equation 6 and Table 2 （°C）Temperature Error vs. Calibrator （°C）Temperature Calculated by “Linear” Equation 5 （°C）

　　-200326576-16463-199.720.28-143.60

　　-100326604-9930-99.920.08-86.62

　　-50326570-5274-50.28-0.28-46.01

　　032655360.000.000.05

　　20326590225720.190.1919.68

　　10032658311460100.020.0299.96

　　20032648622779200.180.18198.69

　　50032641457747500.160.16503.70

　　10003265201154381000.180.181006.92

　　13003265441465621300.090.091278.40

　　如表5所示，利用式6，基于MAX11200的DAS系統在非常寬的溫度范圍內可達到±0.3°C數量級的精度。式5中的線性逼近法在很窄的-50°C至+350°C范圍內僅能實現1°C至4°C的精度。

　　注意，式6需要相對復雜的線性化計算算法。

　　大約十年之前，在DAS系統設計中實現此類算法會受到技術和成本的限制。當今的現代化處理器速度快、性價比高，解決了這些難題。
 

　　總結

　　zui近幾年，適用于-270°C至+1750°C溫度范圍的高性價比、熱電偶溫度檢測技術取得較大進展。在改進溫度測量和范圍的同時，成本也更加合理，功耗更低。

　　如果ADC和熱電偶直接連接，這些基于熱電偶的溫度測量系統需要低噪聲ADC （如MAX11200）。熱電偶、PRTD和ADC集成至電路時，能夠實現非常適用于便攜式檢測應用的高性能溫度測量系統。

　　MAX11200具有較高的無噪聲分辨率、集成緩沖器和GPIO驅動器，可直接連接任何傳統的熱電偶及高分辨率PRTD （如PT1000），無需額外的儀表放大器或專用電流源。更少的接線和更低的熱誤差進一步降低系統復雜性和成本，使設計者能夠實現DAS與熱電偶及冷端補償模塊的簡單接口。

　　四、常見液位計的種類及應用

　　液位計接觸式測量

　　接觸式測量是從鋼帶浮子液位計為開端，以各種方式測量浮子距離而演化到各種現代化儀表如伺服式、磁致伸縮式等等熱電技術，鋼帶浮子式：zui早期的液位計，現今都面臨著更新換代。

　　浮子受浮力浮在介質表面，通過變速齒輪到有刻度的鋼帶上讀出液位值，液位上升或下降破了力平衡后，浮子也跟隨上升下降，帶動鋼帶運行。理論精度在2-3mm左右，電廠鍋爐、汽輪機、電氣、熱控、水處理等熱電行業技術免費交流平臺！ 安裝復雜，可靠性較低，由于機械部件多，很容易發生鋼帶卡死不動的情況。

　　磁致伸縮型

　　探棒上端電子部件產 生低壓電流脈沖，開始計時，產生磁場沿磁致伸縮線向下傳播，浮子隨著液位變化沿測量竿上下移動，浮子內有磁鐵，也產生磁場，兩個磁場相遇，磁致伸縮線扭曲形成扭應力波脈沖，脈沖速度已知，計算脈沖傳播時間即對應液位變化。

　　精度zui高能夠達到1mm，磁致伸縮液位精度較高，可測油水分界面但由于其接觸的測量方式和較高的安裝、維護要求導致市場普及不廣。

　　由于其受介質密度和溫度影響很大，所以常常精度比較差，而為消除這些影響，需要很多其他測試儀表，結果搭建一套完善的靜壓測量系統價格很高。

　　伺服式液位計

　　伺服式液位計是zui近比較成功的新型液位計，主要應用在輕油品的高精度測量中。與雷達液位計形成比較強的競爭。 基本原理同鋼帶式液位計，但具有的力傳感器以及伺服系統，形成閉環調節系統，通過考慮鋼帶自身重力，地調節浮子高度以達到平衡浮力和重力，得到的當前液面到罐頂高度，以得到液位值。熱電技術聯盟精度高，能夠達到1mm，滿足計量級要求使用于平靜的輕質無腐蝕性液體。

　　靜壓式液位計

　　靜壓式液位計比較特殊，其利用均勻液體的壓強與高度成正比的關系通過測量液體底部的壓力來折算液位高度。

　　P=ρgh （P 壓強）