测试仪器基础应用知识总结（二）：十大故障诊断方法2

ADC规格参数/分析

　　表3所示为MAX11200的基本性能指标，具有图4中所示的电路特性。

　　表3. MAX11200的主要技术指标 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，适合于需要宽动态范围、高分辨率的低功耗应用。利用该ADC，基于式3和4可计算图3电路的温度分辨率。

　　（式3）

　　（式4）

　　式中：

　　Rtlsb为热电偶在1 LSB时的分辨率；

　　Rtnfr为热电偶无噪声分辨率（NFR）；

　　VREF为基准电压；

　　Tcmax为测量范围内的热电偶zui大温度；

　　Tcmin为测量范围内的热电偶zui小温度；

　　Vtmax为测量范围的热电偶zui大电压；

　　Tcmax为测量范围内的热电偶zui小电压；

　　FS为ADC满幅编码，对于双极性配置的MAX11200为（223-1）；

　　NFR为ADC无噪声分辨率，对于双极性配置的MAX11200为（220-1），10Sa/s时。

　　表4所列为利用式3和4计算表1中K型热电偶的测量分辨率。

　　表4. K型热电偶在不同温度范围内的测量分辨率 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中提供了每个温度范围内的°C/LSB误差和°C/NFR误差计算值。无噪声分辨率（NFR）表示ADC能够可靠区分的zui小温度值。对于整个温度范围，NFR值低于0.1°C，对于工业和医疗应用中的大多数热电偶远远足够。

　　热电偶与MAX11200评估板的连接

　　MAX11200EVKIT提供了全功能、高分辨率DAS。评估板可帮助设计工程师快速完成项目开发，例如验证图4所示解决方案。

　　在图4所示原理图中，常见的K型OMEGA热电偶（KTSS-116 ［5］）连接至差分评估板输入A1。利用Maxim应用笔记4875中介绍的高性价比比例方案，测量冷端温度的值［3］。R1 （PT1000）输出连接至评估板输入A0。MAX11200的GPIO控制精密多路复用器MAX4782，复用器动态选择将热电偶或PRTD R1输出连接至MAX11200的输入。

　　K型热电偶（图3、4）在-50°C至+350°C范围内的线性度适当。对于有些不太严格的应用，线性逼近公式（式5）能大大降低计算量和复杂度。

　　近似温度可计算为：

　　（式5）

　　式中：

　　E为实测热电偶输出，单位为mV；

　　Tabs为K型热电偶的温度，单位为°C；

　　Tcj为PT1000实测的热电偶冷端温度，单位为°C ［3］；

　　Ecj为利用Tcj计算得到的冷端热电偶等效输出，单位为mV。

　　所以：

　　k = 0.041mV/°C——从-50°C至+350°C范围内的平均灵敏度

　　然而，为了在更宽的温度范围（-270°C至+1372°C）内精密测量，强烈建议采用多项式（式2）和系数（根据NIST ITS-90）：

　　Tabs = ƒ（E + Ecj）（式6）

　　式中：

　　Tabs为K型热电偶的温度，单位为°C；

　　E为实测热电偶输出，单位为mV；

　　Ecj为利用Tcj计算得到的冷端热电偶等效输出，单位为mV；

　　f为式2中的多项式函数；

　　TCOLD为PT1000实测的热电偶的冷端温度，单位为°C。

　　图7所示为图4的开发系统。该系统包括经认证的精密校准器，Fluke®-724，作为温度模拟器代替K型OMEGA热电偶。

　　详细图片（PDF， 3.1MB）

　　图7. 图4开发系统

　　Fluke-724校准器提供与K型热电偶在-200°C至+1300°C范围内输出相对应的精密电压，送至基于PT1000的冷端补偿模块。基于MAX11200的DAS动态选择热电偶或PRTD测量值，并通过USB端口将数据送至笔记本计算机。专门开发的DAS软件采集并处理热电偶和PT1000输出产生的数据。

　　表5列出了-200°C至+1300°C温度范围内的测量和计算值，采用式5和6。

　　表5. -200°C至+1300°C范围的测量计算 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系统在非常宽的温度范围内可达到±0.3°C数量级的精度。式5中的线性逼近法在很窄的-50°C至+350°C范围内仅能实现1°C至4°C的精度。

　　注意，式6需要相对复杂的线性化计算算法。

　　大约十年之前，在DAS系统设计中实现此类算法会受到技术和成本的限制。当今的现代化处理器速度快、性价比高，解决了这些难题。
 

　　总结

　　zui近几年，适用于-270°C至+1750°C温度范围的高性价比、热电偶温度检测技术取得较大进展。在改进温度测量和范围的同时，成本也更加合理，功耗更低。

　　如果ADC和热电偶直接连接，这些基于热电偶的温度测量系统需要低噪声ADC （如MAX11200）。热电偶、PRTD和ADC集成至电路时，能够实现非常适用于便携式检测应用的高性能温度测量系统。

　　MAX11200具有较高的无噪声分辨率、集成缓冲器和GPIO驱动器，可直接连接任何传统的热电偶及高分辨率PRTD （如PT1000），无需额外的仪表放大器或专用电流源。更少的接线和更低的热误差进一步降低系统复杂性和成本，使设计者能够实现DAS与热电偶及冷端补偿模块的简单接口。

　　四、常见液位计的种类及应用

　　液位计接触式测量

　　接触式测量是从钢带浮子液位计为开端，以各种方式测量浮子距离而演化到各种现代化仪表如伺服式、磁致伸缩式等等热电技术，钢带浮子式：zui早期的液位计，现今都面临着更新换代。

　　浮子受浮力浮在介质表面，通过变速齿轮到有刻度的钢带上读出液位值，液位上升或下降破了力平衡后，浮子也跟随上升下降，带动钢带运行。理论精度在2-3mm左右，电厂锅炉、汽轮机、电气、热控、水处理等热电行业技术免费交流平台！ 安装复杂，可靠性较低，由于机械部件多，很容易发生钢带卡死不动的情况。

　　磁致伸缩型

　　探棒上端电子部件产 生低压电流脉冲，开始计时，产生磁场沿磁致伸缩线向下传播，浮子随着液位变化沿测量竿上下移动，浮子内有磁铁，也产生磁场，两个磁场相遇，磁致伸缩线扭曲形成扭应力波脉冲，脉冲速度已知，计算脉冲传播时间即对应液位变化。

　　精度zui高能够达到1mm，磁致伸缩液位精度较高，可测油水分界面但由于其接触的测量方式和较高的安装、维护要求导致市场普及不广。

　　由于其受介质密度和温度影响很大，所以常常精度比较差，而为消除这些影响，需要很多其他测试仪表，结果搭建一套完善的静压测量系统价格很高。

　　伺服式液位计

　　伺服式液位计是zui近比较成功的新型液位计，主要应用在轻油品的高精度测量中。与雷达液位计形成比较强的竞争。 基本原理同钢带式液位计，但具有的力传感器以及伺服系统，形成闭环调节系统，通过考虑钢带自身重力，地调节浮子高度以达到平衡浮力和重力，得到的当前液面到罐顶高度，以得到液位值。热电技术联盟精度高，能够达到1mm，满足计量级要求使用于平静的轻质无腐蚀性液体。

　　静压式液位计

　　静压式液位计比较特殊，其利用均匀液体的压强与高度成正比的关系通过测量液体底部的压力来折算液位高度。

　　P=ρgh （P 压强）