測(cè)試儀器基礎(chǔ)應(yīng)用知識(shí)總結(jié)（二）：故障診斷方法

一、儀器儀表電路故障診斷方法

　　儀器儀表電路維修在電子類的公司里從來都是*的一部分。因?yàn)橹挥型ㄟ^它才能讓原本不合格的產(chǎn)品zui終出廠。然而，維修也是電子公司中zui為復(fù)雜的一部分。因?yàn)樗粌H要運(yùn)用到許多電子專業(yè)知識(shí)，有時(shí)也需要有豐富的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)。下面就我個(gè)人多年來總結(jié)的維修經(jīng)驗(yàn)與感興趣的朋友分享一下。

　　1、敲擊手壓法

　　經(jīng)常會(huì)遇到儀器運(yùn)行時(shí)好時(shí)壞的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象絕大多數(shù)是由于接觸不良或虛焊造成的。對(duì)于這種情況可以采用敲擊與手壓法。

　　所謂的“敲擊”就是對(duì)可能產(chǎn)生故障的部位，通過小橡皮鎯頭或其他敲擊物輕輕敲打插件板或部件，看看是否會(huì)引起出錯(cuò)或停機(jī)故障。所謂“手壓”就是在故障出現(xiàn)時(shí)，關(guān)上電源后對(duì)插的部件和插頭和座重新用手壓牢，再開機(jī)試試是否會(huì)消除故障。如果發(fā)現(xiàn)敲打一下機(jī)殼正常，再敲打又不正常時(shí)，先將所有接頭重插牢再試，若傷腦筋不成功，只好另想辦法了。

　　2、觀察法

　　利用視覺、嗅覺、觸覺。某些時(shí)候，損壞了的元件會(huì)變色、起泡或出現(xiàn)燒焦的斑點(diǎn)；燒壞的器件會(huì)產(chǎn)生一些特殊的氣味；短路的芯片會(huì)發(fā)燙；用肉眼也能觀察到虛焊或脫焊處。

　　3、排除法

　　所謂的排除法是通過拔插機(jī)內(nèi)一些插件板、器件來判斷故障原因的方法。當(dāng)拔除某一插件板或器件后儀表恢復(fù)正常，就說明故障發(fā)生在那里。

　　4、替換法

　　要求有兩臺(tái)同型號(hào)的儀器或有足夠的備件。將一個(gè)好的備品與故障機(jī)上的同一元器件進(jìn)行替換，看故障是否消除。

　　5、對(duì)比法

　　要求有兩臺(tái)同型號(hào)的儀表，并有一臺(tái)是正常運(yùn)行的。使用這種方法還要具備必要的設(shè)備，例如，萬用表、示波器等。按比較的性質(zhì)分有，電壓比較、波形比較、靜態(tài)阻抗比較、輸出結(jié)果比較、電流比較等。

　　具體方法是：讓有故障的儀表和正常儀表在相同情況下運(yùn)行，而后檢測(cè)一些點(diǎn)的信號(hào)再比較所測(cè)的兩組信號(hào)，若有不同，則可以斷定故障出在這里。這種方法要求維修人員具有相當(dāng)?shù)闹R(shí)和技能。

　　6、升降溫法

　　有時(shí)，儀表工作較長(zhǎng)時(shí)間，或在夏季工作環(huán)境溫度較高時(shí)就會(huì)出現(xiàn)故障，關(guān)機(jī)檢查正常，停一段時(shí)間再開機(jī)又正常，過一會(huì)兒又出現(xiàn)故障。這種現(xiàn)象是由于個(gè)別IC或元器件性能差，高溫特性參數(shù)達(dá)不到指標(biāo)要求所致。為了找出故障原因，可采用升降溫法。

　　所謂降溫，就是在故障出現(xiàn)時(shí)，用棉纖將*在可能出故障的部位抹擦，使其降溫，觀察故障是否消除。所謂升溫就是人為地將環(huán)境溫度升高，比如用電烙鐵放近有疑點(diǎn)的部位（注意切不可將溫度升得太高以致?lián)p壞正常器件）試看故障是否出現(xiàn)。

　　7、騎肩法

　　騎肩法也稱并聯(lián)法。把一塊好的IC芯片安在要檢查的芯片之上，或者把好的元器件（電阻電容、二極管、三極管等）與要檢查的元器件并聯(lián)，保持良好接觸，如果故障出自于器件內(nèi)部開路或接觸不良等原因，則采用這種方法可以排除。

　　8、電容旁路法

　　當(dāng)某一電路產(chǎn)生比較奇怪的現(xiàn)象，例如顯示器混亂時(shí)，可以用電容旁路法確定大概出故障的電路部分。將電容跨接在IC的電源和地端；對(duì)晶體管電路跨接在基極輸入端或集電極輸出端，觀察對(duì)故障現(xiàn)象的影響。如果電容旁路輸入端無效而旁路它的輸出端時(shí)故障現(xiàn)象消失，則確定故障就出現(xiàn)在這一級(jí)電路中。

　　9、狀態(tài)調(diào)整法

　　一般來說，在故障未確定前，不要隨便觸動(dòng)電路中的元器件，特別是可調(diào)整式器件更是如此，例電位器等。但是如果事先采取復(fù)參考措施（例如，在未觸動(dòng)前先做好位置記號(hào)或測(cè)出電壓值或電阻值等），必要時(shí)還是允許觸動(dòng)的。也許改變之后有時(shí)故障會(huì)消除。

　　10、隔離法

　　故障隔離法不需要相同型號(hào)的設(shè)備或備件作比較，而且安全可靠。根據(jù)故障檢測(cè)流程圖，分割包圍逐步縮小故障搜索范圍，再配合信號(hào)對(duì)比、部件交換等方法，一般會(huì)很快查到故障之所在。

　　二、電子秤傳感器常見問題維護(hù)

　　目前在國(guó)內(nèi)的電子秤傳感器常見問題維護(hù)是根據(jù)大多采用電阻應(yīng)變式稱重傳感器原理，其應(yīng)用也越來越普遍電子秤具有稱量快速、顯示直觀、不易磨損等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸取代機(jī)械秤。電子秤主要有承重傳力系統(tǒng)、稱重傳感器和顯示儀表組成。常用的電阻應(yīng)變式稱重傳感器的工作原理是彈性體在外力的作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在它表面的電阻應(yīng)變片也隨同發(fā)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，它的阻值發(fā)生變化，由于應(yīng)變片是連接成平衡電橋式的，應(yīng)變片電阻值的變化會(huì)引起電橋的不平衡，從面輸出信號(hào)，這樣就完成了將外力變換為信號(hào)的過程。

　　電子秤出現(xiàn)以下幾種現(xiàn)象，需懷疑是稱重傳感器的故障：

　?。?）電子秤不顯示零，顯示屏不斷閃爍。

　?。?）電子秤顯示零以后，在加放砝碼，不顯示稱量數(shù)字。

　?。?）電子秤稱量不準(zhǔn)確，顯示的稱量數(shù)字與加放的砝碼數(shù)量不一致。

　?。?）電子秤重復(fù)性不好，加放同一砝碼，有時(shí)稱量準(zhǔn)確，有時(shí)稱量不準(zhǔn)確。

　?。?）電子秤空載或加載時(shí)，顯示的數(shù)字不穩(wěn)定，漂移或者跳變。

　　這幾種現(xiàn)象都有可能是稱重傳感器的故障。如果能夠準(zhǔn)確判斷出故障是在傳感器，這樣就能大大提高工作效率，加快電子秤修理的速度。將需要判斷的傳感器從系統(tǒng)中單獨(dú)摘除，分別測(cè)量輸入阻抗、輸出阻抗。輸入阻抗正常值為380Ω，輸出阻抗正常值為350Ω，如果測(cè)量數(shù)據(jù)不在此范圍內(nèi)，該傳感器已經(jīng)損壞。如輸入阻抗、輸出阻抗有斷路，可先檢查傳感器信號(hào)電纜有無斷開的地方，當(dāng)信號(hào)電纜完好時(shí)，則為傳感器應(yīng)變片被燒毀，通常是因?yàn)橛写箅娏鬟M(jìn)入傳感器造成的。當(dāng)測(cè)量輸入阻抗、輸出阻抗阻值不穩(wěn)定時(shí)，可能為信號(hào)線絕緣層破裂，絕緣性能下降，或傳感器受潮，使橋路同彈性體絕緣不好。傳感器的零點(diǎn)輸出信號(hào)值，一般在（-3mv～2mv）之間。如果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出此標(biāo)準(zhǔn)范圍，可能是傳感器使用中過載而造成彈性體塑性變形，使傳感器無法使用。如無零點(diǎn)信號(hào)或零點(diǎn)輸出信號(hào)很小，可能為稱重傳感器內(nèi)的應(yīng)變片已從彈性體上脫落或有支撐物支撐秤體造成。

　　三、利用熱電偶和ADC實(shí)現(xiàn)高精度溫度測(cè)量

　　熱電偶廣泛用于各種溫度檢測(cè)。熱電偶設(shè)計(jì)的進(jìn)展，以及新標(biāo)準(zhǔn)和算法的出現(xiàn)，大大擴(kuò)展了工作溫度范圍和精度。目前，溫度檢測(cè)可以在-270°C至+1750°C寬范圍內(nèi)達(dá)到±0.1°C的精度。為充分發(fā)揮新型熱電偶能力，需要高分辨率熱電偶溫度測(cè)量系統(tǒng)。能夠分辨極小電壓的低噪聲、24位、Σ-Δ模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）非常適合這項(xiàng)任務(wù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）采用24位ADC評(píng)估（EV）板，熱電偶能夠在很寬的溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。熱電偶、鉑電阻溫度檢測(cè)器（PRTD）和ADC相結(jié)合，可構(gòu)成高性能溫度測(cè)量系統(tǒng)。采用低成本、低功耗ADC的DAS系統(tǒng)，可理想滿足便攜式檢測(cè)的應(yīng)用需求。

　　熱電偶入門

　　托馬斯•塞貝克在1822年發(fā)現(xiàn)了熱電偶原理。熱電偶是一種簡(jiǎn)單的溫度測(cè)量裝置，由兩種不同金屬（金屬1和金屬2）組成（圖1）。塞貝克發(fā)現(xiàn)不同的金屬將產(chǎn)生不同的、與溫度梯度有關(guān)的電勢(shì)。如果這些金屬焊接在一起構(gòu)成溫度傳感器結(jié)（TJUNC，也稱為溫度結(jié)），另一端未連接的差分結(jié)（TCOLD，作為恒溫參考端）上將呈現(xiàn)出電壓，VOUT，該電壓與焊接結(jié)的溫度成正比。從而使熱電偶輸出隨溫度變化的電壓/電荷，無需任何電壓或電流激勵(lì)。

　　圖1. 熱電偶簡(jiǎn)化電路

　　VOUT溫差（TJUNC - TCOLD）是金屬1及金屬2的金屬類型的函數(shù)。該函數(shù)在美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST） ITS-90熱電偶數(shù)據(jù)庫(kù)［1］中嚴(yán)格定義，覆蓋了絕大多數(shù)實(shí)用金屬1和金屬2組合。利用該數(shù)據(jù)庫(kù)，可根據(jù)VOUT測(cè)量值計(jì)算相對(duì)溫度TJUNC。然而，由于熱電偶以差分方式測(cè)量TJUNC，為了確定溫度結(jié)的實(shí)測(cè)溫度，就必須知道冷端溫度（單位為°C、°F或K）。所有現(xiàn)代熱電偶系統(tǒng)都利用另一溫度傳感器（PRTD、硅傳感器等）精密測(cè)量冷端溫度，并進(jìn)行數(shù)學(xué)補(bǔ)償。

　　圖1所示熱電偶簡(jiǎn)化電路的溫度公式為：

　　Tabs = TJUNC + TCOLD（式1）

　　式中：

　　Tabs為溫度結(jié)的溫度；

　　TJUNC為溫度結(jié)與基準(zhǔn)冷端的相對(duì)溫度；

　　TCOLD為冷端參考端的溫度。

　　熱電偶的類型各種各樣，但是針對(duì)具體的工業(yè)或醫(yī)療環(huán)境可以選擇的異金屬對(duì)兒。這些金屬和/或合金組合被NIST及電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)化，簡(jiǎn)寫為E、J、T、K、N、B、S、R等。NIST和IEC為常見的熱電偶類型提供了熱電偶參考表［1］。

　　NIST和IEC還為每種熱電偶類型開發(fā)了標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型。這些冪級(jí)數(shù)模型采用*的系數(shù)組合，每種熱電偶類型及不同溫度范圍的系數(shù)都不同［1］。

　　表1所示為部分常見熱電偶類型（J、K、E和S）的例子。

　　表1. 常見的熱電偶類型 Thermocouple TypePositive ConductorNegative ConductorTemperature Range （°C）Seebeck Coefficient at +20°C

　　JChromelConstantan0 to 76051µV/°C

　　KChromelAlumel-200 to +137041µV/°C

　　EChromelConstantan-100 to +100062µV/°C

　　SPlatinum （10% Rhodium）Rhodium0 to 17507µV/°C

　　J型熱電偶具有相對(duì)較高的塞貝克系數(shù)、高精度和低成本，應(yīng)用廣泛。這些熱電偶使用相對(duì)簡(jiǎn)單的線性化算法，即可達(dá)到±0.1°C的測(cè)量精度。

　　K型熱電偶覆蓋的溫度范圍寬，在工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛。這些熱電偶具有適中的高塞貝克系數(shù)、低成本及良好的抗氧化性。K型熱電偶的精度高達(dá)±0.1°C。

　　E型熱電偶的應(yīng)用沒有其它類型熱電偶普及。然而，這組熱電偶的塞貝克系數(shù)zui高。E型熱電偶所需的測(cè)量分辨率低于其它類型。E型熱電偶的測(cè)量精度可達(dá)到±0.5°C，需要的線性化計(jì)算方法相對(duì)復(fù)雜。

　　S型熱電偶由鉑和銠組成，這對(duì)組合能夠在非常高的氧化環(huán)境下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可復(fù)現(xiàn)的測(cè)量。S型熱電偶的塞貝克系數(shù)較低，成本相對(duì)較高。S型熱電偶的測(cè)量精度可達(dá)到±1°C，需要的線性化算法相對(duì)復(fù)雜。

　　應(yīng)用示例

　　熱電偶電路設(shè)計(jì)包括具有差分輸入及能夠分辨微小電壓的高分辨率ADC、穩(wěn)定的低漂移基準(zhǔn)，以及準(zhǔn)確測(cè)量冷端溫度的方法。

　　圖2所示為簡(jiǎn)化原理圖。MX7705是一款16位、Σ-Δ ADC，內(nèi)置可編程增益放大器（PGA），無需外部精密放大器，能夠分辨來自熱電偶的微伏級(jí)電壓。冷端溫度利用MAX6627遠(yuǎn)端二極管傳感器以及位于熱電偶連接器處、連接成二極管的晶體管測(cè)量。MX7705的輸入共*圍擴(kuò)展至低于地電勢(shì)30mV，可實(shí)現(xiàn)有限的負(fù)溫度范圍［2］。

　　圖2. 熱電偶測(cè)量電路。MX7705測(cè)量熱電偶輸出，MAX6627和外部晶體管測(cè)量冷端溫度，MAX6002為MX7705提供2.5V精密電壓基準(zhǔn)。

　　也有針對(duì)具體應(yīng)用設(shè)計(jì)的IC，用于熱電偶信號(hào)調(diào)理。這些IC集成本地溫度傳感器、精密放大器、ADC和電壓基準(zhǔn)。例如，MAX31855為冷端補(bǔ)償熱電偶至數(shù)字轉(zhuǎn)換器，可數(shù)字化K、J、N、T或E型熱電偶信號(hào)。MAX31855以14位（0.25°C）分辨率測(cè)量熱電偶溫度（圖3）。

　　圖3. 集成冷端溫度補(bǔ)償?shù)腁DC，轉(zhuǎn)換熱電偶電壓時(shí)無需外部補(bǔ)償。

　　誤差分析

　　冷端補(bǔ)償

　　熱電偶為差分傳感器，利用溫度結(jié)和冷端之間的溫差產(chǎn)生輸出電壓。根據(jù)式1，只有精密測(cè)得冷端溫度（TREF）時(shí)，才能得到溫度結(jié)的溫度（Tabs）。

　　可利用新型鉑RTD （PRTD）測(cè)量冷端溫度。它在很寬的溫度范圍內(nèi)提供良好的性能，尺寸小、功耗低，成本非常合理。

　　圖4所示為精密DAS的簡(jiǎn)化原理圖，采用了MAX11200 （24位、Σ-Δ ADC）評(píng)估（EV）板，可實(shí)現(xiàn)熱電偶溫度測(cè)量。本例中，利用R1 - PT1000 （PTS 1206，1000Ω）測(cè)量冷端溫度。該解決方案能夠以±0.30°C或更高精度測(cè)量冷端溫度［3］。

　　圖4. 熱電偶DAS簡(jiǎn)化圖

　　如圖4所示，MAX11200的GPIO設(shè)置為控制精密多路復(fù)用器MAX4782，它選擇熱電偶或PRTD R1 - PT1000。該方法可利用單個(gè)ADC實(shí)現(xiàn)熱電偶或PRTD的動(dòng)態(tài)測(cè)量。提高了系統(tǒng)精度，降低校準(zhǔn)要求。

　　非線性誤差

　　熱電偶為電壓發(fā)生裝置。但是，大多數(shù)常見熱電偶［2，4］的輸出電壓作為溫度的函數(shù)呈現(xiàn)非常高的非線性。

　　圖4和圖5中說明，如果沒有經(jīng)過適當(dāng)補(bǔ)償，常見的工業(yè)K型熱電偶的非線性誤差會(huì)超過數(shù)十?dāng)z氏度。

　　圖5. K型熱電偶的輸出電壓和溫度關(guān)系圖。曲線在-50°C至+350°C范圍內(nèi)線性度較好；在低于-50°C和高于+350°C時(shí)，相對(duì)于線性度存在明顯偏差。［1］

　　圖6. 相對(duì)于直線逼近的偏差，假設(shè)線性輸出為從-50°C至+350°C，平均靈敏度為k = 41µV/°C。［1］

　　IEC采用的NIST ITS-90等現(xiàn)代熱電偶標(biāo)準(zhǔn)化處理、查找表和公式數(shù)據(jù)庫(kù)［1］，是當(dāng)前系統(tǒng)間互換熱電偶類型的基礎(chǔ)。通過這些標(biāo)準(zhǔn)，熱電偶很容易由相同或不同制造商的其它熱電偶所替代，而且經(jīng)過zui少的系統(tǒng)設(shè)計(jì)更新或校準(zhǔn)即可確保性能指標(biāo)。

　　NIST ITS-90熱電偶數(shù)據(jù)庫(kù)提供了詳細(xì)的查找表。通過使用標(biāo)準(zhǔn)化多項(xiàng)式系數(shù)［1］，還可利用多項(xiàng)式在非常寬的溫度范圍內(nèi)將熱電偶電壓換算成溫度（°C）。

　　根據(jù)NIST ITS-90熱電偶數(shù)據(jù)庫(kù)，多項(xiàng)式系數(shù)為：

　　T = d0 + d1E + d2E² + 。.. dNEN（式2）

　　式中：

　　T為溫度，單位為°C；

　　E為VOUT，熱電偶輸出，單位為mV；

　　dN為多項(xiàng)式系數(shù)，每一熱電偶的系數(shù)是*的；

　　N = 多項(xiàng)式的zui大階數(shù)。

　　表2所示為一個(gè)K型熱電偶的NIST （NBS）多項(xiàng)式系數(shù)。

　　表2. K型熱電偶系數(shù) Type-K Thermocouple Coefficients

　　Temperature Range （°C）-200 to 00 to 500500 to 1372

　　Voltage Range （mV）-5.891 to 00 to 20.64420.644 to 54.886

　　Coefficients

　　d00.0000000E+000.0000000E+00-1.3180580E+02

　　d12.5173462E+012.5083550E+014.8302220E+01

　　d2-1.1662878E+007.8601060E+02-1.6460310E+00

　　d3-1.0833638E+00-2.5031310E-015.4647310E-02

　　d4-8.9773540E-018.3152700E-02-9.6507150E-04

　　d5-3.7342377E-01-1.2280340E-028.8021930E-06

　　d6-8.6632643E-029.8040360E-04-3.1108100E-08

　　d7-1.0450598E-024.4130300E-05—

　　d8-5.1920577E-041.0577340E-06—

　　d9—-1.0527550E-08—

　　Error Range （°C）-0.02 to 0.04-0.05 to 0.04-0.05 to 0.06

　　利用表2中的多項(xiàng)式系數(shù)，能夠在-200°C至+1372°C溫度范圍內(nèi)以優(yōu)于±0.1°C的精度計(jì)算溫度T。大多數(shù)常見熱電偶都有不同系數(shù)表可用［1］。

　　同樣，在-200°C至0、0至+500°C和+500°C至+1372°C溫度范圍也可以找到類似的NIST ITS-90系統(tǒng)，能夠以更高精度（低于±0.1°C，相對(duì)于±0.7°C）計(jì)算溫度。與原來的“單”間隔表進(jìn)行比較即可看出這點(diǎn)［2］。
 

　　ADC規(guī)格參數(shù)/分析

　　表3所示為MAX11200的基本性能指標(biāo)，具有圖4中所示的電路特性。

　　表3. MAX11200的主要技術(shù)指標(biāo) 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(dòng)態(tài)范圍、高分辨率的低功耗應(yīng)用。利用該ADC，基于式3和4可計(jì)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(shí)的分辨率；

　　Rtnfr為熱電偶無噪聲分辨率（NFR）；

　　VREF為基準(zhǔn)電壓；

　　Tcmax為測(cè)量范圍內(nèi)的熱電偶zui大溫度；

　　Tcmin為測(cè)量范圍內(nèi)的熱電偶zui小溫度；

　　Vtmax為測(cè)量范圍的熱電偶zui大電壓；

　　Tcmax為測(cè)量范圍內(nèi)的熱電偶zui小電壓；

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

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

　　表4所列為利用式3和4計(jì)算表1中K型熱電偶的測(cè)量分辨率。

　　表4. K型熱電偶在不同溫度范圍內(nèi)的測(cè)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(gè)溫度范圍內(nèi)的°C/LSB誤差和°C/NFR誤差計(jì)算值。無噪聲分辨率（NFR）表示ADC能夠可靠區(qū)分的zui小溫度值。對(duì)于整個(gè)溫度范圍，NFR值低于0.1°C，對(duì)于工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用中的大多數(shù)熱電偶遠(yuǎn)遠(yuǎn)足夠。

　　熱電偶與MAX11200評(píng)估板的連接

　　MAX11200EVKIT提供了全功能、高分辨率DAS。評(píng)估板可幫助設(shè)計(jì)工程師快速完成項(xiàng)目開發(fā)，例如驗(yàn)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(píng)估板輸入A1。利用Maxim應(yīng)用筆記4875中介紹的高性價(jià)比比例方案，測(cè)量冷端溫度的值［3］。R1 （PT1000）輸出連接至評(píng)估板輸入A0。MAX11200的GPIO控制精密多路復(fù)用器MAX4782，復(fù)用器動(dòng)態(tài)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(nèi)的線性度適當(dāng)。對(duì)于有些不太嚴(yán)格的應(yīng)用，線性逼近公式（式5）能大大降低計(jì)算量和復(fù)雜度。

　　近似溫度可計(jì)算為：

　　（式5）

　　式中：

　　E為實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)的熱電偶冷端溫度，單位為°C ［3］；

　　Ecj為利用Tcj計(jì)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(nèi)的平均靈敏度

　　然而，為了在更寬的溫度范圍（-270°C至+1372°C）內(nèi)精密測(cè)量，強(qiáng)烈建議采用多項(xiàng)式（式2）和系數(shù)（根據(jù)NIST ITS-90）：

　　Tabs = ƒ（E + Ecj）（式6）

　　式中：

　　Tabs為K型熱電偶的溫度，單位為°C；

　　E為實(shí)測(cè)熱電偶輸出，單位為mV；

　　Ecj為利用Tcj計(jì)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(xiàng)式函數(shù)；

　　TCOLD為PT1000實(shí)測(cè)的熱電偶的冷端溫度，單位為°C。

　　圖7所示為圖4的開發(fā)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括經(jīng)認(rèn)證的精密校準(zhǔn)器，F(xiàn)luke®-724，作為溫度模擬器代替K型OMEGA熱電偶。

　　詳細(xì)圖片（PDF， 3.1MB）

　　圖7. 圖4開發(fā)系統(tǒng)

　　Fluke-724校準(zhǔn)器提供與K型熱電偶在-200°C至+1300°C范圍內(nèi)輸出相對(duì)應(yīng)的精密電壓，送至基于PT1000的冷端補(bǔ)償模塊。基于MAX11200的DAS動(dòng)態(tài)選擇熱電偶或PRTD測(cè)量值，并通過USB端口將數(shù)據(jù)送至筆記本計(jì)算機(jī)。專門開發(fā)的DAS軟件采集并處理熱電偶和PT1000輸出產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

　　表5列出了-200°C至+1300°C溫度范圍內(nèi)的測(cè)量和計(jì)算值，采用式5和6。

　　表5. -200°C至+1300°C范圍的測(cè)量計(jì)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(tǒng)在非常寬的溫度范圍內(nèi)可達(dá)到±0.3°C數(shù)量級(jí)的精度。式5中的線性逼近法在很窄的-50°C至+350°C范圍內(nèi)僅能實(shí)現(xiàn)1°C至4°C的精度。

　　注意，式6需要相對(duì)復(fù)雜的線性化計(jì)算算法。

　　大約十年之前，在DAS系統(tǒng)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)此類算法會(huì)受到技術(shù)和成本的限制。當(dāng)今的現(xiàn)代化處理器速度快、性價(jià)比高，解決了這些難題。
 

　　總結(jié)

　　zui近幾年，適用于-270°C至+1750°C溫度范圍的高性價(jià)比、熱電偶溫度檢測(cè)技術(shù)取得較大進(jìn)展。在改進(jìn)溫度測(cè)量和范圍的同時(shí)，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(cè)量系統(tǒng)需要低噪聲ADC （如MAX11200）。熱電偶、PRTD和ADC集成至電路時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)非常適用于便攜式檢測(cè)應(yīng)用的高性能溫度測(cè)量系統(tǒng)。

　　MAX11200具有較高的無噪聲分辨率、集成緩沖器和GPIO驅(qū)動(dòng)器，可直接連接任何傳統(tǒng)的熱電偶及高分辨率PRTD （如PT1000），無需額外的儀表放大器或電流源。更少的接線和更低的熱誤差進(jìn)一步降低系統(tǒng)復(fù)雜性和成本，使設(shè)計(jì)者能夠?qū)崿F(xiàn)DAS與熱電偶及冷端補(bǔ)償模塊的簡(jiǎn)單接口。

　　四、常見液位計(jì)的種類及應(yīng)用

　　液位計(jì)接觸式測(cè)量

　　接觸式測(cè)量是從鋼帶浮子液位計(jì)為開端，以各種方式測(cè)量浮子距離而演化到各種現(xiàn)代化儀表如伺服式、磁致伸縮式等等熱電技術(shù)，鋼帶浮子式：zui早期的液位計(jì)，現(xiàn)今都面臨著更新?lián)Q代。

　　浮子受浮力浮在介質(zhì)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(dòng)鋼帶運(yùn)行。理論精度在2-3mm左右，電廠鍋爐、汽輪機(jī)、電氣、熱控、水處理等熱電行業(yè)技術(shù)免費(fèi)交流平臺(tái)！ 安裝復(fù)雜，可靠性較低，由于機(jī)械部件多，很容易發(fā)生鋼帶卡死不動(dòng)的情況。

　　磁致伸縮型

　　探棒上端電子部件產(chǎn) 生低壓電流脈沖，開始計(jì)時(shí)，產(chǎn)生磁場(chǎng)沿磁致伸縮線向下傳播，浮子隨著液位變化沿測(cè)量竿上下移動(dòng)，浮子內(nèi)有磁鐵，也產(chǎn)生磁場(chǎng)，兩個(gè)磁場(chǎng)相遇，磁致伸縮線扭曲形成扭應(yīng)力波脈沖，脈沖速度已知，計(jì)算脈沖傳播時(shí)間即對(duì)應(yīng)液位變化。

　　精度zui高能夠達(dá)到1mm，磁致伸縮液位精度較高，可測(cè)油水分界面但由于其接觸的測(cè)量方式和較高的安裝、維護(hù)要求導(dǎo)致市場(chǎng)普及不廣。

　　由于其受介質(zhì)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(cè)試儀表，結(jié)果搭建一套完善的靜壓測(cè)量系統(tǒng)價(jià)格很高。

　　伺服式液位計(jì)

　　伺服式液位計(jì)是zui近比較成功的新型液位計(jì)，主要應(yīng)用在輕油品的高精度測(cè)量中。與雷達(dá)液位計(jì)形成比較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)。 基本原理同鋼帶式液位計(jì)，但具有的力傳感器以及伺服系統(tǒng)，形成閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過考慮鋼帶自身重力，地調(diào)節(jié)浮子高度以達(dá)到平衡浮力和重力，得到的當(dāng)前液面到罐頂高度，以得到液位值。熱電技術(shù)聯(lián)盟精度高，能夠達(dá)到1mm，滿足計(jì)量級(jí)要求使用于平靜的輕質(zhì)無腐蝕性液體。

　　靜壓式液位計(jì)

　　靜壓式液位計(jì)比較特殊，其利用均勻液體的壓強(qiáng)與高度成正比的關(guān)系通過測(cè)量液體底部的壓力來折算液位高度。

　　P=ρgh （P 壓強(qiáng)）