優(yōu)化 RTD 溫度傳感系統(tǒng)

溫度測(cè)量在許多不同的終端應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用，例如工業(yè)自動(dòng)化、儀器儀表、CbM 和醫(yī)療設(shè)備。無(wú)論是監(jiān)測(cè)環(huán)境條件還是校正系統(tǒng)漂移性能，高準(zhǔn)確度和精度都非常重要?？梢允褂枚喾N類(lèi)型的溫度傳感器，例如熱電偶、電阻溫度檢測(cè)器 (RTD)、電子帶隙傳感器和熱敏電阻。與設(shè)計(jì)一起選擇的溫度傳感器取決于測(cè)量的溫度范圍和所需的精度。對(duì)于 –200°C 至 +850°C 范圍內(nèi)的溫度，RTD 提供了高精度和良好穩(wěn)定性的完美組合。

實(shí)現(xiàn)高精度、高穩(wěn)定性的溫度測(cè)量的主要挑戰(zhàn)包括：

· 電流和電壓選擇。RTD 傳感器是一種無(wú)源設(shè)備，本身不會(huì)產(chǎn)生電輸出。激勵(lì)電流或電壓用于測(cè)量傳感器的電阻，方法是讓小電流通過(guò)傳感器產(chǎn)生電壓。

· 是否使用 2 線、3 線還是 4 線傳感器。

· 調(diào)節(jié) RTD 信號(hào)。

· 調(diào)整上述變量，以便轉(zhuǎn)換器或其他構(gòu)建塊在其規(guī)格范圍內(nèi)使用。

· 在系統(tǒng)中連接多個(gè) RTD，確定哪些塊可以在不同的傳感器之間共享，以及這些選擇對(duì)系統(tǒng)性能的總體影響。

· 確定設(shè)計(jì)的預(yù)期誤差。

RTD 概述

對(duì)于 RTD，傳感器的電阻會(huì)根據(jù)溫度以精確定義的方式發(fā)生變化。最廣泛使用的 RTD 是鉑 Pt100 和 Pt1000，它們有 2 線、3 線和 4 線配置。其他 RTD 類(lèi)型由鎳和銅制成。

表 1. 常見(jiàn) RTD 類(lèi)型

RTD 類(lèi)型材料范圍

最常見(jiàn)的 Pt100 RTD 有兩種不同的形狀：繞線和薄膜。每種類(lèi)型都按照幾種標(biāo)準(zhǔn)曲線和公差制造。最常見(jiàn)的標(biāo)準(zhǔn)曲線是 DIN 曲線。DIN 代表“Deutsches Institut für Normung”，即“德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)”。該曲線定義了鉑 100 Ω 傳感器的電阻與溫度特性、標(biāo)準(zhǔn)公差和工作溫度范圍。這定義了 RTD 的精度，從 0°C 溫度下 100 Ω 基極電阻開(kāi)始。DIN RTD 有不同的標(biāo)準(zhǔn)公差等級(jí)。這些公差如表 2 所示，它們也適用于低功耗應(yīng)用中有用的 Pt1000 RTD。

表 2. RTD 精度——A 級(jí)、B 級(jí)、1/3 DIN

在選擇 RTD 傳感器時(shí)，必須考慮 RTD 本身及其精度。溫度范圍因元件類(lèi)型而異，校準(zhǔn)溫度(通常為 0°C)下的精度隨溫度而變化。因此，定義測(cè)量的溫度范圍很重要，并考慮到任何低于或高于校準(zhǔn)溫度的溫度都會(huì)有更大的公差和更低的精度。

RTD 按照其在 0°C 時(shí)的標(biāo)稱電阻進(jìn)行分類(lèi)。Pt100 傳感器的溫度系數(shù)約為 0.385 Ω/°C，而 Pt1000 的溫度系數(shù)比 Pt100 大 10 倍。許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員使用這些系數(shù)來(lái)獲得近似的電阻溫度轉(zhuǎn)換，但 Callendar-Van Dusen 方程提供了更準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)換。

溫度 t ≤ 0°C 時(shí)，方程為

溫度 t ≥ 0°C 的方程為

在這里：

t 為 RTD 溫度(°C)

R RTD (t) 是溫度 (t) 時(shí)的 RTD 電阻

R 0為0°C時(shí)的RTD電阻(本例中，R 0 = 100 Ω)A = 3.9083 × 10 ?3

B = ?5.775 × 10 ?7

碳原子數(shù) = ?4.183 × 10 ?12

RTD 接線配置

選擇 RTD 時(shí)需要考慮的另一個(gè)傳感器參數(shù)是其接線配置，這將影響系統(tǒng)精度。市場(chǎng)上有三種不同的 RTD 接線配置，每種配置都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，可能需要不同的技術(shù)來(lái)減少測(cè)量誤差。

2 線配置是最簡(jiǎn)單但最不準(zhǔn)確的配置，因?yàn)橐€電阻的誤差及其隨溫度的變化會(huì)導(dǎo)致顯著的測(cè)量誤差。因此，這種配置僅適用于引線較短或使用高電阻傳感器(例如 Pt1000)的應(yīng)用，這兩種情況都可以最大限度地減少引線電阻對(duì)精度的影響。

3 線是最常用的配置，因?yàn)樗哂惺褂萌齻€(gè)引腳的優(yōu)勢(shì)，這在連接器尺寸最小化的設(shè)計(jì)中非常有用(需要三個(gè)連接端子，而 4 線 RTD 則需要 4 線端子)。與 2 線配置相比，3 線的精度也有顯著提高。3 線中的引線電阻誤差可以使用不同的校準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，本文稍后將介紹這些技術(shù)。

4 線是最昂貴但最準(zhǔn)確的配置。在這種配置中，由于引線電阻以及溫度變化的影響而導(dǎo)致的誤差被消除。因此，4 線配置可實(shí)現(xiàn)最佳性能。

RTD 配置電路

高精度和準(zhǔn)確的 RTD 傳感器測(cè)量需要精確的信號(hào)調(diào)節(jié)、模數(shù)轉(zhuǎn)換、線性化和校準(zhǔn)。RTD 測(cè)量系統(tǒng)的典型設(shè)計(jì)由圖 2 所示的不同階段組成。雖然信號(hào)鏈看起來(lái)簡(jiǎn)單明了，但其中涉及多個(gè)復(fù)雜因素，設(shè)計(jì)人員必須考慮復(fù)雜的組件選擇、連接圖、誤差分析和其他模擬信號(hào)調(diào)節(jié)挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)電路板尺寸和物料清單 (BOM) 成本，因?yàn)閰⑴c的模塊數(shù)量較多。從好的方面來(lái)看，ADI 的產(chǎn)品組合中有很多集成解決方案可供選擇。這種完整的系統(tǒng)解決方案可幫助設(shè)計(jì)人員簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，同時(shí)減小電路板尺寸、縮短上市時(shí)間，以及整個(gè) RTD 測(cè)量系統(tǒng)的成本。

圖 1：RTD 接線配置。(來(lái)源：Analog Devices)

圖 2：典型的 RTD 測(cè)量信號(hào)鏈模塊

三種 RTD 接線配置具有不同的接線技術(shù)，需要將 RTD 與其他外部組件以及 ADC 的要求(例如激勵(lì)電流和靈活的多路復(fù)用器)連接或連接。本節(jié)將更深入地了解并重點(diǎn)介紹每種 RTD 配置的電路設(shè)計(jì)和注意事項(xiàng)。

Sigma-Delta ADC

在設(shè)計(jì) RTD 系統(tǒng)時(shí)，Sigma-delta (Σ-Δ) ADC 具有多種優(yōu)勢(shì)。首先，由于 Sigma-delta ADC 對(duì)模擬輸入進(jìn)行過(guò)采樣，因此外部濾波被最小化，只需一個(gè)簡(jiǎn)單的 RC 濾波器即可。它們?cè)跒V波器類(lèi)型和輸出數(shù)據(jù)速率的選擇方面具有靈活性。內(nèi)置數(shù)字濾波可用于抑制主電源供電設(shè)計(jì)中主電源的任何干擾。24 位高分辨率 ADC(例如 AD7124-4 / AD7124-8 )的峰峰值分辨率最高為 21.7 位。其他優(yōu)勢(shì)包括

· 模擬輸入的共模范圍較寬

· 參考輸入的共模范圍較寬

· 能夠支持比例配置

· 緩沖參考和模擬輸入

· 一些 Σ-Δ ADC 集成度較高，包括

· 可編程增益放大器 (PGA)

· 勵(lì)磁電流

· 參考/模擬輸入緩沖器

· 校準(zhǔn)功能

它們大大簡(jiǎn)化了 RTD 設(shè)計(jì)，同時(shí)減少了 BOM、系統(tǒng)成本、電路板空間并縮短了上市時(shí)間。

本文使用 AD7124-4/AD7124-8 作為 ADC。這些是低噪聲、低電流精密 ADC，帶有集成 PGA、激勵(lì)電流、模擬輸入和基準(zhǔn)緩沖器。

比率測(cè)量

對(duì)于使用電阻式傳感器(如 RTD 或熱敏電阻)的系統(tǒng)，比率式配置是一種合適且經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。采用比率式方法，參考電壓和傳感器電壓來(lái)自同一激勵(lì)源。因此，激勵(lì)源不需要準(zhǔn)確。圖 3 顯示了 4 線 RTD 應(yīng)用中比率式配置的示例。恒定激勵(lì)電流為 RTD 和精密電阻 R REF供電，并在 R REF上產(chǎn)生電壓是 RTD 測(cè)量的參考電壓。激勵(lì)電流的任何變化都不會(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。因此，使用比率法可以使用噪聲較大、穩(wěn)定性較差的激勵(lì)電流。由于激勵(lì)電流具有更好的抗噪性，因此比電壓激勵(lì)更受青睞。選擇激勵(lì)源值時(shí)要考慮的主要因素將在本文后面討論。

圖 3. 4 線 RTD 比率測(cè)量

共享 IOUT/AIN 引腳

許多 RTD 系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員使用集成多路復(fù)用器和激勵(lì)電流的 sigma-delta ADC，以實(shí)現(xiàn)多通道測(cè)量，并靈活地將激勵(lì)電流路由到每個(gè)傳感器。諸如 AD7124 之類(lèi)的 ADC 允許單個(gè)引腳同時(shí)用作激勵(lì)電流和模擬輸入引腳(見(jiàn)圖 4)。IOUT 和 AIN 之間的共享引腳只需要每個(gè) 3 線 RTD 傳感器兩個(gè)引腳，從而增加了通道數(shù)。然而，在這種配置中，抗混疊或電磁干擾 (EMI) 濾波中的電阻 R 值較大，可能會(huì)給 RTD 電阻值增加誤差，因?yàn)?R 與 RTD 串聯(lián)——因此，可以使用有限的 R 值。這就是為什么通常建議為每個(gè)激勵(lì)電流源配備一個(gè)專(zhuān)用引腳，以避免 RTD 測(cè)量中可能出現(xiàn)的誤差。

圖 4. 具有共享 IOUT/AIN 引腳的 3 線 RTD

在第 1 部分中，我們介紹了溫度測(cè)量挑戰(zhàn)、RTD 類(lèi)型、不同配置以及 RTD 配置電路。在第 2 部分中，我們將介紹三種不同的 RTD 配置：2 線、3 線和 4 線。