优化RTD温度传感系统:挑战

文章作者:杰莱妮·罗德里格斯和玛丽·麦卡锡

这三部分的文章系列讨论历史和设计的挑战，以电阻温度探测器(RTD)为基础的温度测量系统。它还涵盖了RTD的选择和配置的权衡。最后，详细介绍了RTD系统的优化和评价。

温度测量在许多不同的终端应用中扮演着重要的角色，如工业自动化、仪器仪表、煤层气和医疗设备。无论是监测环境条件还是校正系统漂移性能，高的精度和精度都非常重要。有几种类型的温度传感器可以使用，如热电偶、电阻温度探测器(rtd)、电子带隙传感器和热敏电阻。温度传感器的选择和设计取决于被测量的温度范围和所需的精度。对于-200°C到+850°C的温度范围，rtd提供了高精度和良好的稳定性的出色组合。

使温度测量具有高精度和良好的稳定性的主要挑战包括:

• 电流和电压选择。RTD传感器是一种无源器件，它本身不产生电子输出。激励电流或电压是通过使小电流通过传感器产生电压来测量传感器的电阻。
• 是否使用2线、3线或4线传感器。
• 调节RTD信号。
• 调整上述变量，使转换器或其他构建块在其规范内使用。
• 连接系统中的多个rtd，确定不同传感器之间共享哪些块，以及这些选择对系统性能的总体影响。
• 确定设计的预期误差。

RTD概述

对于RTD，传感器的电阻以精确定义的方式随温度的函数变化。最广泛使用的rtd是铂Pt100和Pt1000，有2线、3线和4线配置。其他RTD类型由镍和铜制成。

表1。常见的RTD类型

RTD类型	材料	范围
装Pt100, Pt1000	铂金(数字为0°C电阻)	-200°C + 850°C
Pt200, Pt500	铂金(数字为0°C电阻)	-200°C + 850°C
Cu10, Cu100	铜(数字为0°C电阻)	-100°C + 260°C
Ni120	镍(数字为0°C电阻)	-80°C + 260°C

最常见的Pt100 rtd可以有两种不同的形状:绕线和薄膜。每一种类型是建立几个标准曲线和公差。最常见的标准化曲线是DIN曲线。DIN代表“Deutsches Institut für Normung”，意思是“德国标准化协会”。该曲线定义了铂100Ω传感器的电阻与温度特性、标准公差和操作温度范围。这定义了RTD在0°C温度下从100 Ω的基电阻开始的精度。DIN rtd有不同的标准公差等级。这些公差如表2所示，它们也适用于在低功率应用中有用的Pt1000 rtd。

表2。RTD精度- A级，B级，1/3 DIN

传感器类型	喧嚣类	宽容 @ 0°C	宽容 @ 50°C	宽容 @ 100°C
装Pt100 RTD 薄膜	B类	±0.30°C	±0.55°C	±0.80°C
装Pt100 RTD 薄膜	A类	±0.15°C	±0.25°C	±0.35°C
装Pt100 RTD 绕线/薄膜	1/3 B类	±0.1°C	±0.18°C	±0.27°C

在选择RTD传感器时，必须同时考虑RTD本身及其精度。温度范围随元件类型而变化，在校准温度(通常在0°C)下表示的精度随温度而变化。因此，定义被测量的温度范围是很重要的，并考虑到任何低于或高于校准温度的温度都将具有更宽的公差和更低的精度。

rtd根据其在0°C时的标称电阻进行分类。Pt100的温度系数约为0.385 Ω/℃，Pt1000的温度系数比Pt100大10倍。许多系统设计者使用这些系数来获得温度变化的近似阻力，但卡伦德-范杜森方程提供了更准确的变化。

温度t≤0°C的方程为

温度t≥0°C的方程为

地点:

t为RTD温度(°C)

R_RTD(t)为温度(t)时的RTD电阻

R₀RTD电阻在0°C(在这种情况下，R₀a = 3.9083 × 10⁻³

B =−5.775 × 10⁻⁷

C =−4.183 × 10⁻¹²

RTD线路配置

在选择RTD时需要考虑的另一个传感器参数是其接线配置，这将影响系统的准确性。市场上有三种不同的RTD布线配置，每种配置都有各自的优点和缺点，可能需要不同的技术来减少测量误差。

2线结构是最简单但最不精确的结构，因为引线电阻的误差及其随温度的变化会造成显著的测量误差。因此，这种配置只适用于引线较短或使用高电阻传感器(例如Pt1000)的场合，这两种情况都将引线电阻对精度的影响降到最低。

3线是最常用的配置，因为使用三个引脚的优势，这在连接器尺寸最小的设计中是有用的(3个连接端子vs. 4线RTD的4线端子)。万博投注网址与2线配置相比，3线配置的精度也有显著提高。在3线中引线电阻误差可以使用不同的校准技术来补偿，稍后将在本文中介绍。

4线是最昂贵但最精确的配置。在这种配置中，由于引线电阻引起的误差以及温度变化的影响被消除了。因此，4线配置可以获得最佳性能。

RTD电路配置

高精度和精确的RTD传感器测量需要精确的信号调理，模数转换，线性化，和校准。RTD测量系统的典型设计包括如图2所示的不同阶段。虽然信号链看起来简单直观，但其中涉及到几个复杂的因素，设计者必须考虑复杂的元件选择、连接图、误差分析、以及其他模拟信号调节挑战，这些挑战会影响整个系统板的尺寸，以及由于贡献块的数量更多而导致的材料清单(BOM)成本。乐观的一面是，ADI的产品组合中有大量的集成解决方案。这个完整的系统解决方案帮助设计师简化设计，同时减少电路板尺寸、上市时间和整个RTD测量系统的成本。万博投注网址

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图1:RTD布线配置。(来源:模拟设备)

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图2:典型RTD测量信号链块。(来源:模拟设备)

这三种RTD布线配置具有不同的布线技术，需要将RTD与ADC接口或连接，以及其他外部组件，以及ADC的要求，如激励电流和灵活的多路复用器。本节涵盖了对每个RTD配置电路设计和注意事项的更深入的理解和关注。

法adc

Sigma-delta (Σ-Δ) adc在设计RTD系统时提供了多种好处。首先，由于σ - δ adc对模拟输入进行过采样，外部滤波最小，只需要一个简单的RC滤波器。它们在选择过滤器类型和选择输出数据速率方面提供了灵活性。内建数字滤波可用于拒绝任何干扰，从市电供电的设计。万博投注网址24位，高分辨率adc，如AD7124-4/AD7124-8最大峰值分辨率为21.7位。其他的好处是

• 模拟输入的宽共模范围
• 宽共模范围的参考输入
• 能够支持比率配置
• 缓冲的参考和模拟输入
• 一些σ - δ adc是高度集成的，包括
• 一种可编程增益放大器(PGA)
• 励磁电流
• 参考/模拟输入缓冲区
• 校准功能

它们大大简化了RTD设计，同时减少了BOM、系统成本、电路板空间和上市时间。

本文采用AD7124-4/AD7124-8作为ADC。这些是低噪声，低电流精度adc与集成PGA，励磁电流，模拟输入，和参考缓冲器。

比率计测量

对于使用电阻式传感器(如rtd或热敏电阻)的系统来说，比率配置是一种合适且经济的解决方案。采用比值法，参考电压和传感器电压来自同一励磁源。因此，励磁源不需要精确。图3显示了四线RTD应用程序中的比率配置示例。一个恒定的激励电流提供了RTD和一个精密电阻，R_裁判，通过R产生的电压_裁判为RTD测量的参考电压。励磁电流的任何变化都不会影响测量的准确性。因此，使用比率方法允许使用噪声更大、更不稳定的励磁电流。励磁电流由于具有较好的抗噪性，所以首选过电压励磁。在本文后面将讨论选择励磁源值时要考虑的主要因素。

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图3。四线RTD比率测量。(来源:模拟设备)

共享IOUT /销

许多RTD系统设计人员使用集成多路复用器和励磁电流的sigma-delta adc，允许多通道测量和灵活的励磁电流路由到每个传感器。像AD7124这样的ADC允许单个引脚同时作为激励电流和模拟输入引脚工作(见图4)。在IOUT和AIN之间共享引脚将只需要每个3线RTD传感器两个引脚，这将增加通道计数。然而，在这种配置中，抗混叠或电磁干扰(EMI)滤波中的电阻R值较大，会增加RTD电阻值的误差，因为R与RTD是串联的，因此可以使用有限的R值。这就是为什么通常建议为每个励磁电流源配置一个专用引脚，以避免RTD测量可能出现的误差。

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图4。带有共享IOUT/AIN引脚的3线RTD。(来源:模拟设备)

在第1部分中，我们讨论了温度测量的挑战、RTD类型、不同的配置和RTD配置电路。在第2部分中，我们将介绍三种不同的RTD配置:2线、3线和4线。

这篇文章最初发表于嵌入式．

Jellenie罗德里格斯是Precision Converter Technology Group旗下Analog Devices的应用工程师。她的研究重点是用于直流测量的高精度sigma-delta adc。她于2012年加入ADI，并于2011年毕业于San Sebastian College-Recoletos de Cavite，获得电子工程学士学位。可以通过jellenie.rodriguez@analog.com联系到她。

玛丽·麦卡锡是模拟设备公司的应用工程师。她于1991年加入ADI，并在爱尔兰科克的线性和精密技术应用集团工作，专注于精密sigma-delta转换器。玛丽于1991年毕业于科克大学(University College Cork)，获得电子与电气工程学士学位。可以通过mary.mccarthy@analog.com联系到她。