|
從醫(yī)療保健、儀器儀表、HVAC 和汽車應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng) (IoT)，溫度是現(xiàn)實世界中使用最廣泛的傳感參數(shù)。在許多應(yīng)用中，以適當(dāng)?shù)臏?zhǔn)確度、精度和可重復(fù)性平衡來了解溫度對許多應(yīng)用來說至關(guān)重要。電阻溫度檢測器 (RTD) 是一種廣泛選用的溫度傳感器，這是一種精密的金屬元件，通常由純鉑或近乎純鉑制成。基于鉑的傳感器具有完全詳細(xì)的、可重復(fù)的和特征化的電阻-溫度傳遞函數(shù)，因此 RTD 廣泛用于科學(xué)和儀器應(yīng)用中。 然而，要想充分發(fā)揮這種看似簡單的雙端傳感器的性能潛力，設(shè)計人員必須了解各種激勵方法以及電阻測量方法，以便確定溫度。此外，許多應(yīng)用需要多個 RTD，因此連接方法和關(guān)聯(lián)電路也必須符合應(yīng)用。 設(shè)計人員需要的是 RTD 專用元器件，以處理和克服 RTD 固有的特性。本文展示了如何利用德州儀器、Maxim Integrated和Analog Devices的IC以及Microchip Technology的評估板來簡化其應(yīng)用。 RTD 傳感器的工作原理 與熱敏電阻有些類似，RTD 的工作原理看似簡單，其實不然。RTD 是鉑絲或薄膜，有時還添加了銠等其他貴金屬，其具有已知的標(biāo)稱電阻，并且電阻作為溫度的函數(shù)隨溫度呈正向變化（即正溫度系數(shù)或 PTC）。RTD 可以制造成許多不同的標(biāo)稱電阻值，最常見的是 Pt100 和 Pt1000（有時寫成 PT100 和 PT1000），在 0⁰C 下的標(biāo)稱電阻分別為 100 Ω 和 1000 Ω。 這種傳感器的常用構(gòu)造方法包括將鉑絲繞在玻璃或陶瓷骨架上，或使用鉑薄膜制造（圖 1）。由于鉑溫度傳感器的廣泛應(yīng)用和可互換性需求，國際標(biāo)準(zhǔn) DIN EN 60751 (2008) 詳細(xì)定義了鉑溫度傳感器的電氣特性。該標(biāo)準(zhǔn)包含電阻-溫度表格、容差、曲線和溫度范圍。 
圖 1：這些 RTD 使用（從左到右）薄膜、玻璃和陶瓷制造技術(shù)。（圖片來源：WIKA Alexander Wiegand SE & Co. KG） 標(biāo)準(zhǔn)鉑 RTD 的工作溫度范圍為 -200⁰C 至 +800⁰C。RTD 的關(guān)鍵屬性包括高穩(wěn)定性、可重復(fù)性和精度，前提是它們由電流或電壓源適當(dāng)激勵，電阻使用合適的模擬前端 (AFE) 電路，以兩個端子間的電壓來測量，其中電壓讀數(shù)經(jīng)過線性化以實現(xiàn)最高的精度。 RTD 的電阻會隨溫度發(fā)生相當(dāng)大的變化，這使得 RTD 更適合用于高精度測量。對于標(biāo)準(zhǔn) Pt100 器件，電阻會從 -200⁰C 時的約 25 Ω 變?yōu)?+800⁰C 時的約 +375 Ω。在 0°C 和 +100°C 之間，平均斜率稱為 alpha (α) 或溫度系數(shù)，其值取決于鉑中的雜質(zhì)及雜質(zhì)含量。最廣泛使用的兩個 alpha 值是 0.00385055 和 0.00392。 RTD 的具體型號有數(shù)千種，來源眾多。例如 Vishay Beyschlag 的 PTS060301B100RP100，這是一款 100 Ω 鉑 RTD，基本精度為 ±0.3%，溫度系數(shù)為 ±3850 ppm/°C，采用 0603 SMT 封裝。該傳感器屬于 100 Ω、500 Ω 和 1000 Ω PTS 系列無鉛 SMT RTD，分別采用 0603、0805 和 1206 封裝。這些器件使用沉積在高級陶瓷基底上的一層均勻鉑膜制成，并通過調(diào)節(jié)來達(dá)到正確的溫度系數(shù)和穩(wěn)定性。傳感器元件由保護(hù)涂層覆蓋，可提供電氣、機械和氣候保護(hù)，并符合所有相關(guān)的 IEC 和 DIN 性能和合規(guī)性標(biāo)準(zhǔn)。采用 0603 封裝的 100 Ω 器件尺寸小，因此在自然通風(fēng)條件下的響應(yīng)非常快，不到 2 秒即可達(dá)到最終電阻值的 90% 以內(nèi)。 RTD 線性化 RTD 相當(dāng)線性，但仍有一個單調(diào)的曲線偏差。對于需要一度或幾度精度的應(yīng)用，由于偏差很小，因此可能不必對 RTD 傳遞函數(shù)進(jìn)行線性化（圖 2）。例如，在 -20⁰C 和 +120⁰C 之間，差值小于 ±0.4⁰C。
圖 2：Pt100 RTD 電阻與溫度的關(guān)系，顯示 0°C 至 +100°C 的直線逼近。(圖片源：Maxim Integrated) 不過，RTD 通常用于需要精度達(dá)到十分之一度或更高的精密應(yīng)用中，從而需要線性化。線性化可通過軟件中的計算或查找表來實現(xiàn)。為實現(xiàn)高度精確的線性化，可使用 Callendar-Van Dusen 公式：
其中 T = 溫度 (°C)；R(T) = T 下的電阻；R0 = T = 0°C 時的電阻；A、B 和 C 是 RTD 特定常數(shù)。 對于 α = 0.00385055，DIN RTD 標(biāo)準(zhǔn)將 Callendar-Van Dusen 系數(shù)值 A、B 和 C 定義為： A = 3.90830 x 10-3， B = -5.77500 x 10-7，以及 從 -200°C 到 0°C，C = -4.18301 x 10-12 ；從 0°C 到 +850°C，C = 0（這樣做的好處是將多項式簡化為更簡單的二階方程。） RTD 連接 作為無源雙端子電阻器，RTD 接口激勵和感應(yīng)電路在原理上很簡單，激勵源可以是電壓，也可以是電流。在最基本的電壓源形式中，RTD 引線連接到激勵源，同時還串聯(lián)一個通常與該 RTD 具有相同標(biāo)稱值的已知穩(wěn)定電阻器 (RREF)（圖 3）。這形成了一個標(biāo)準(zhǔn)分壓器電路。其中會測量 RTD 和串聯(lián)電阻器兩端的電壓，然后使用簡單的分壓器計算來得出 RTD 電阻。通過測量已知電阻器兩端的電壓以及 RTD 兩端的電壓，可以提高精度。
圖 3：這種簡化的 RTD 信號調(diào)節(jié)電路使用 RTD 與一個已知的基準(zhǔn)電阻器 (RREF) 和一個電流源串聯(lián)；通過測量 RTD 兩端的電壓以及基準(zhǔn)電阻器兩端的電壓，來計算 RTD 電阻。(圖片源：Maxim Integrated) 這種配置雖然簡單，但有許多潛在的不準(zhǔn)確性來源，包括電源電壓變化、基準(zhǔn)電阻溫度系數(shù)、連接引線的阻抗 (IR) 壓降，甚至銅連接引線的溫度系數(shù)（約為 +0.4%/˚C）。為了部分克服這些誤差源，通常以比率計式惠斯通電橋配置使用 RTD。 不過，電橋和電壓激勵方法仍然存在缺陷。比率計式結(jié)構(gòu)（例如電橋）本身就具有眾所周知的非線性關(guān)系，這與任何電橋元件的非線性無關(guān)。因此，必須在校正 RTD 元件非線性的計算中考慮該關(guān)系，但這會使算法復(fù)雜化并增加處理負(fù)載。 由于這些和其他原因，RTD 幾乎總是搭配電流源使用。這樣可以完全控制激勵情況，并提供機會更直接地補償連接引線中的電壓降和溫度相關(guān)變化。根據(jù)應(yīng)用及 RTD 與 AFE 之間的距離，設(shè)計人員可以使用兩線、三線、四線或帶回路的四線連接（圖 4）。
圖 4：RTD 和 AFE 之間的互連可以使用兩線、三線或四線；后者可以是成對的四線連接，也可以是用于兩線的單獨回路。（圖片來源：Texas Instruments） 兩線連接最簡單、體積最小且成本最低。但是，只有當(dāng)連接 Pt100 RTD 和 AFE 電路的導(dǎo)線具有非常低的電阻，低于幾毫歐 (mΩ) 時，它才適用于獲取精確的結(jié)果。在這種情況下，導(dǎo)線電阻與 RTD 電阻相比毫不起眼。通常，這將距離限制為約 25 厘米 (cm)，但這也取決于這些導(dǎo)線的線規(guī)。由于物理安裝配置和限制，這些導(dǎo)線往往較細(xì)。當(dāng)然，可以使用計算來校正電壓降。但是，這增加了復(fù)雜性，尤其是當(dāng)引線電阻受溫度影響時。 對于更長到約 30 米 (m) 內(nèi)的距離，可使用三線方法。在這種配置中，電路通過開爾文連接監(jiān)測電流回路的一側(cè)，測量回路電阻中的電壓降，然后對此壓降進(jìn)行補償。此方法假定非開爾文引線中的壓降與開爾文引線側(cè)的壓降相同。 四線方法使用完整的開爾文檢測來監(jiān)視 RTD 電流回路的兩側(cè)。無論兩條電流源導(dǎo)線之間的差異如何，此方法都可以精確地消除引線電阻的影響。它的使用距離可達(dá)數(shù)百米，但材料和線材體積影響最大。 最后，帶回路的四線方法讓設(shè)計人員能夠選擇如何測量回路中的損耗。回路連接線的電阻可以作為簡單的電阻來測量，且獨立于實際 RTD 回路之外，同時假設(shè)兩條額外的引線與 RTD 引線完全相同。這種方法在安裝和計算方面似乎比直接開爾文配置更令人頭疼，但在有些實際情況下，很難在 RTD 處提供常規(guī)的開爾文連接。然而，這種配置在現(xiàn)代安裝中并不經(jīng)常使用，因為經(jīng)過適當(dāng)?shù)脑O(shè)置和校準(zhǔn)，四線甚至三線方法就可以提供相當(dāng)?shù)慕Y(jié)果。 請注意，選擇使用兩線、三線或四線連接與 RTD 無關(guān)，只要有空間并可以進(jìn)行必要的物理連接，選擇任何連接都可以與任何 RTD 一起使用。但是，在物理尺寸較小的設(shè)置中，線束的質(zhì)量可能會引入熱漂移和其他熱時間常數(shù)。一般而言，讓感測配置的熱質(zhì)量相對于被感測質(zhì)量盡可能小，這是一種很好的做法。 與連接引線和信號完整性有關(guān)的問題不僅僅限于基本的 DC 電阻。噪聲往往是一個令人擔(dān)憂的問題，盡管與大多數(shù)噪聲信號相比，溫度是變化相對緩慢的現(xiàn)象，但如果噪聲正好發(fā)生在 RTD 上的電壓被采樣或轉(zhuǎn)換時，其仍然會破壞 AFE 處的信號。在極端情況下，噪聲會使前端飽和，并使其“失明”幾毫秒 (ms)，直到脫離飽和狀態(tài)。 由于這個和其他原因，如果 RTD 的感測引線長度大于一米左右，就應(yīng)該采用相同的對地阻抗進(jìn)行平衡（有時稱為縱向平衡）。原因是這些并聯(lián)引線可能會具有共模電壓 (CMV) 和噪聲，但是 AFE 的差分前端會將這些拒之門外。然而，如果引線是不平衡的，則電路會將一些共模信號轉(zhuǎn)換為不平衡信號，這些信號不會被 AFE 的差分輸入拒絕。 Pt100 與 Pt1000 RTD 選擇 由于最常見的 RTD 在 0°C 時具有 100 Ω 或 1000 Ω 電阻，因此如何在它們之間進(jìn)行選擇就是一個顯而易見的問題。與往常一樣，我們需要進(jìn)行權(quán)衡，并且沒有唯一的“正確”答案，因為這取決于應(yīng)用的具體情況。請注意，對于 Pt100 和 Pt1000 RTD，特性曲線的線性、工作溫度范圍和響應(yīng)時間都是相同或幾乎相同，并且它們的電阻溫度系數(shù)也相同。 Pt100 RTD 的標(biāo)稱電阻較低，因此如前所述，只能采用兩線配置用于短距離應(yīng)用，因為引線電阻相對于 RTD 會很明顯。相比之下，引線電阻相對于 Pt1000 電阻就要小得多，這使得 Pt1000 更適合較長的兩線應(yīng)用。 由于 Pt1000 RTD 的電阻更高，因此根據(jù)歐姆定律 (V = IR)，要在其兩端產(chǎn)生給定電壓，所需的激勵電流更小。在 0⁰C 下，適度的 1 mA 電流將產(chǎn)生 1 V 的壓降，并且隨著溫度升高，電壓會從該值開始增加。 不過，由于 RTD 電壓可能會在較高溫度下超出 AFE 前端的范圍，因此可能會產(chǎn)生較高電壓的不良后果。另外，電流源需要有足夠的順從電壓，以激勵固定值的電流通過電阻。例如，1 mA 電流通過 1000 Ω 電阻，就要求電流源的順從電壓略高于 1 V，但是隨著 RTD 發(fā)熱及其電阻增加，所需的順從電壓也會成比例地增加。因此，高電阻 RTD 電流源可能需要更高的電壓軌以確保足夠的順從電壓。 在給定壓降下，Pt1000 所需的電流較低，這會帶來了兩個好處。首先，需要的功率更小，這可以增加電池續(xù)航時間。其次，RTD 的自發(fā)熱減少，這對讀數(shù)的精度有很大影響。正確的工程實踐是使用一個能最大程度上減少傳感器自發(fā)熱的激勵電流水平，這與在 RTD 兩端產(chǎn)生足夠的壓降，從而獲得足夠的分辨率相一致。 這并不意味著 Pt100 RTD 的地位很低。實際上，由于歷史遺留原因，它在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用，其中引線長度、低功耗運行和自發(fā)熱不是主要的應(yīng)用因素。作為低阻抗回路，Pt100 RTD 裝置對噪聲拾取的敏感性也比 Pt1000 RTD 低得多，后者固有的回路阻抗要高十倍。 此外，除了電氣方面，還有機械方面的考慮。Pt100 傳感器提供物理屬性不同的繞線式和薄膜式兩種結(jié)構(gòu)，而 Pt1000 RTD 一般只提供薄膜式器件。 請注意，對于更高精度的應(yīng)用，可能需要采取其他措施來最小化 RTD 自發(fā)熱誤差。一種方法是讓電流以脈沖方式通過 RTD，然后測量脈沖周期期間的電壓。脈沖的工作周期越短，自發(fā)熱誤差越小。但是，這種方法還需要一個稍微更復(fù)雜的接口，以正確管理脈沖時序和工作周期，以及將電壓讀數(shù)與脈沖同步。 IC 簡化 RTD 接口 與其他基于電阻器的溫度檢測元器件一樣，RTD 看起來很簡單，使用起來也應(yīng)如此。畢竟，它是一個雙端子電阻器，在溫度檢測這個相對緩慢的領(lǐng)域中沒有嚴(yán)重的寄生效應(yīng)。但是，與熱敏電阻和許多其他基本傳感器一樣，我們看到這種傳感器的用戶需要考慮一系列問題，包括激勵、線性化、校準(zhǔn)、引線補償?shù)龋划?dāng)使用多個 RTD 時，復(fù)雜性還會增加，而情況常常如此。 為了解決與 RTD 連接相關(guān)的問題，IC 供應(yīng)商開發(fā)了應(yīng)用特定的 IC，便于簡化前端面向 RTD 的模擬側(cè)以及調(diào)節(jié)后的輸出上的連接，甚至還進(jìn)一步包括一個與處理器兼容的完整數(shù)字接口。例如，對于基本的 RTD 連接，Texas Instruments 的 OPA317IDBVT 運算放大器采用專有的自動校準(zhǔn)技術(shù)，可同時提供低失調(diào)電壓（典型值為 20 μV，最大值為 90 μV）、時間和溫度變化范圍內(nèi)的近零漂移，以及近零偏置電流。因此，該運算放大器不會對 RTD“增加負(fù)載”或造成影響，而是“隱形”且一致的。該運算放大器采用 1.8 V（±0.9 V）至 5.5 V（±2.75 V）的單端或雙極電源供電，最大靜態(tài)電流為 35 μA，因而非常適合電池供電的應(yīng)用。 該運算放大器的特性之一是，它可以配置為處理非常近地的信號，“冷”RTD 同樣如此，即在低電流水平下運行，從而兩端具有低電壓。相比之下，當(dāng)輸入和輸出信號接近 0 V（接近單電源運算放大器的輸出擺幅下限）時，許多單電源運算放大器會遇到問題。雖然一個好的單電源運算放大器可能會擺動至接近單電源接地，但可能不會真正達(dá)到接地。通過添加另一個電阻器和額外一個比運算放大器的負(fù)電源更負(fù)的電源，可以使 OPA317IDBVT 的輸出在單電壓電源上擺動至接地或略低一點（圖 5）。在輸出和額外的負(fù)電源之間添加一個下拉電阻，可將輸出降低至本來可達(dá)到的值以下。
圖 5：通過添加一個下拉電阻 (RP) 和一個額外的負(fù)電源，OPA317IDBVT 可以處理接近地電位的信號。（圖片來源：Texas Instruments） Maxim Integrated 的 MAX31865 不僅僅是模擬接口運算放大器，還是一款易于使用的電阻轉(zhuǎn)數(shù)字轉(zhuǎn)換器，并且針對 Pt100 和 Pt1000 RTD 進(jìn)行了優(yōu)化（圖 6）。該 IC 采用微型 20 引腳 TQFN 和 SOIC 封裝，可配置為兩線、三線和四線 RTD 接口，同時在處理器側(cè)提供 SPI 兼容接口。
圖 6：Maxim Integrated 的 MAX31865 RTD 轉(zhuǎn)數(shù)字轉(zhuǎn)換器包括模擬接口、數(shù)字化儀，以及適用于兩線、三線和四線 RTD 的 SPI 輸出。(圖片源：Maxim Integrated) 單個外部電阻可設(shè)置所用 RTD 的靈敏度，而精密的 15 位三角積分 ADC 可將 RTD 電阻與基準(zhǔn)電阻之比轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，在所有工作條件和極端條件下的標(biāo)稱溫度分辨率為 0.03125⁰C，精度為 0.5⁰C。 許多溫度測量應(yīng)用都需要使用多個 RTD 以及其他溫度傳感器，來構(gòu)成完整的測試裝置。對于這些應(yīng)用，Analog Devices 的 LTC2983 傳感器轉(zhuǎn)數(shù)字高精度數(shù)字溫度測量系統(tǒng) IC 支持多種傳感器和選件。該器件可處理多達(dá) 20 個傳感器通道，這些通道可以是兩線、三線和四線 RTD、熱電偶、熱敏電阻，甚至二極管的混合通道（圖 7）。該 IC 可根據(jù)特定類型的傳感器和所需的激勵進(jìn)行編程，然后為這些傳感器提供內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)；它還支持用戶指定的自定義系數(shù)。
圖 7：Analog Devices 的 LTC2983 有 20 個通用輸入，可按需要在熱電偶，兩線、三線或四線 RTD、熱敏電阻和用作溫度傳感器的二極管之間混用。（圖片來源：Analog Devices） 該器件通過 SPI 接口提供單位為 °C 或 °F 的數(shù)字結(jié)果，精度為 0.1°C，分辨率為 0.001°C。它采用 2.85 V 至 5.25 V 的單電源供電，并包括適合每種溫度傳感器的激勵電流源和故障檢測電路，以及適用于任何熱電偶的冷端補償 (CJC)。 團(tuán)隊若希望針對 RTD 數(shù)據(jù)采集設(shè)計創(chuàng)建量身定制的完整電路，但又不希望“全部重來”，可選用 Microchip Technology 推出的 TMPSNS-RTD1 Pt100 RTD 評估板。該評估板支持兩個 RTD，允許用戶配置關(guān)鍵工作參數(shù)，包括 RTD 電流（圖 8）。
圖 8：Microchip Technology 的 TMPSNS-RTD1 Pt100 RTD 評估板支持兩個 RTD，并讓用戶能夠配置關(guān)鍵工作參數(shù)。（圖片來源：Microchip Technology） 此評估板框圖顯示了如何逐個功能建立完整的 RTD 接口通道，以便用戶可以了解電路，然后根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整（圖 9）。該評估板有一個內(nèi)部 RTD，并且還可以連接一個外部兩線、三線或四線 Pt100 RTD，以及一個低電流電流源，以最大程度地降低自發(fā)熱。RTD 兩端的電壓可使用 MCP6S26 可編程增益放大器 (PGA) 進(jìn)行放大。該 PGA 可提高 RTD 電壓，還允許用戶對放大器增益進(jìn)行數(shù)字編程，并擴(kuò)大傳感器輸出范圍。此外，差分放大器驅(qū)動一個 12 位差分模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。最后，微控制器使用 SPI 接口讀取轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)據(jù)，并通過 USB 接口將其發(fā)送至主機 PC。
圖 9：此 TMPSNS-RTD1 Pt100 RTD 評估板框圖顯示了從 RTD 激勵/感測經(jīng)由 SPI 接口的 AFE 及相關(guān)信號路徑。（圖片來源：Microchip Technology） 相關(guān)的用戶指南包括完整的安裝和設(shè)置信息，以及基于 PC 的直觀圖形用戶界面 (GUI) 的分步說明。該 GUI 允許用戶設(shè)置參數(shù)，例如采樣數(shù)、采樣率、PGA 增益、內(nèi)部 RTD 電流和外部電流（圖 10）。
圖 10：通過應(yīng)用提供的基于 PC 的 GUI，TMPSNS-RTD1 Pt100 RTD 評估板的用戶可以調(diào)整關(guān)鍵工作點，并評估由此獲得的性能。（圖片來源：Microchip Technology） 為了完善文檔，用戶指南包括完整的詳細(xì)物料清單 (BOM)、原理圖、頂層和底層印刷電路板布局，以及絲印。 結(jié)語 溫度測量是一項基本功能，而 RTD 是此應(yīng)用中一種常見的、廣泛使用的傳感器，即使正確使用方法可能看似復(fù)雜。不過，當(dāng)使用適當(dāng)?shù)碾娐愤M(jìn)行激勵和檢測時，它能夠在寬溫度范圍內(nèi)提供高精度和可重復(fù)性。與任何高性能傳感器一樣，必須了解器件特性才能獲得最佳性能。如上所述，使用不同功能集成水平的 IC，用戶可構(gòu)建基于 RTD 的系統(tǒng)，杜絕意外并提供優(yōu)異的性能。 來源：Digi-Key 作者：Bill Schweber |
