發布日期：2022-10-09 點擊率：70
從醫療保健、儀器儀表、HVAC 和汽車應用到物聯網 (IoT)，溫度是現實世界中使用最廣泛的傳感參數。在許多應用中，以適當的準確度、精度和可重復性平衡來了解溫度對許多應用來說至關重要。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的、可重復的和特征化的電阻-溫度傳遞函數，因此 RTD 廣泛用于科學和儀器應用中。
然而，要想充分發揮這種看似簡單的雙端傳感器的性能潛力，設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，許多應用需要多個 RTD，因此連接方法和關聯電路也必須符合應用。
設計人員需要的是 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用。
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，其具有已知的標稱電阻，并且電阻作為溫度的函數隨溫度呈正向變化（即正溫度系數或 PTC）。RTD 可以制造成許多不同的標稱電阻值，最常見的是 Pt100 和 Pt1000（有時寫成 PT100 和 PT1000），在 0?C 下的標稱電阻分別為 100 Ω 和 1000 Ω。
這種傳感器的常用構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用和可互換性需求，國際標準 DIN EN 60751 (2008) 詳細定義了鉑溫度傳感器的電氣特性。該標準包含電阻-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。（圖片來源：WIKA Alexander Wiegand SE & Co. KG）
標準鉑 RTD 的工作溫度范圍為 -200?C 至 +800?C。RTD 的關鍵屬性包括高穩定性、可重復性和精度，前提是它們由電流或電壓源適當激勵，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，其中電壓讀數經過線性化以實現最高的精度。
RTD 的電阻會隨溫度發生相當大的變化，這使得 RTD 更適合用于高精度測量。對于標準 Pt100 器件，電阻會從 -200?C 時的約 25 Ω 變為 +800?C 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，其值取決于鉑中的雜質及雜質含量。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，并通過調節來達到正確的溫度系數和穩定性。傳感器元件由保護涂層覆蓋，可提供電氣、機械和氣候保護，并符合所有相關的 IEC 和 DIN 性能和合規性標準。采用 0603 封裝的 100 Ω 器件尺寸小，因此在自然通風條件下的響應非常快，不到 2 秒即可達到最終電阻值的 90% 以內。
RTD 相當線性，但仍有一個單調的曲線偏差。對于需要一度或幾度精度的應用，由于偏差很小，因此可能不必對 RTD 傳遞函數進行線性化（圖 2）。例如，在 -20?C 和 +120?C 之間，差值小于 ±0.4?C。
圖 2：Pt100 RTD 電阻與溫度的關系，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到十分之一度或更高的精密應用中，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。為實現高度精確的線性化，可使用 Callendar-Van Dusen 公式：
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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。
對于 α = 0.00385055，DIN RTD 標準將 Callendar-Van Dusen 系數值 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。）
作為無源雙端子電阻器，RTD 接口激勵和感應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，同時還串聯一個通常與該 RTD 具有相同標稱值的已知穩定電阻器 (RREF)（圖 3）。這形成了一個標準分壓器電路。其中會測量 RTD 和串聯電阻器兩端的電壓，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 信號調節電路使用 RTD 與一個已知的基準電阻器 (RREF) 和一個電流源串聯；通過測量 RTD 兩端的電壓以及基準電阻器兩端的電壓，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確性來源，包括電源電壓變化、基準電阻溫度系數、連接引線的阻抗 (IR) 壓降，甚至銅連接引線的溫度系數（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。比率計式結構（例如電橋）本身就具有眾所周知的非線性關系，這與任何電橋元件的非線性無關。因此，必須在校正 RTD 元件非線性的計算中考慮該關系，但這會使算法復雜化并增加處理負載。
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變化。根據應用及 RTD 與 AFE 之間的距離，設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，只有當連接 Pt100 RTD 和 AFE 電路的導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果。在這種情況下，導線電阻與 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線的線規。由于物理安裝配置和限制，這些導線往往較細。當然，可以使用計算來校正電壓降。但是，這增加了復雜性，尤其是當引線電阻受溫度影響時。
對于更長到約 30 米 (m) 內的距離，可使用三線方法。在這種配置中，電路通過開爾文連接監測電流回路的一側，測量回路電阻中的電壓降，然后對此壓降進行補償。此方法假定非開爾文引線中的壓降與開爾文引線側的壓降相同。
四線方法使用完整的開爾文檢測來監視 RTD 電流回路的兩側。無論兩條電流源導線之間的差異如何，此方法都可以精確地消除引線電阻的影響。它的使用距離可達數百米，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 處提供常規的開爾文連接。然而，這種配置在現代安裝中并不經常使用，因為經過適當的設置和校準，四線甚至三線方法就可以提供相當的結果。
請注意，選擇使用兩線、三線或四線連接與 RTD 無關，只要有空間并可以進行必要的物理連接，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置中，線束的質量可能會引入熱漂移和其他熱時間常數。一般而言，讓感測配置的熱質量相對于被感測質量盡可能小，這是一種很好的做法。
與連接引線和信號完整性有關的問題不僅僅限于基本的 DC 電阻。噪聲往往是一個令人擔憂的問題，盡管與大多數噪聲信號相比，溫度是變化相對緩慢的現象，但如果噪聲正好發生在 RTD 上的電壓被采樣或轉換時，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。
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，就應該采用相同的對地阻抗進行平衡（有時稱為縱向平衡）。原因是這些并聯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換為不平衡信號，這些信號不會被 AFE 的差分輸入拒絕。
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行選擇就是一個顯而易見的問題。與往常一樣，我們需要進行權衡，并且沒有唯一的“正確”答案，因為這取決于應用的具體情況。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時間都是相同或幾乎相同，并且它們的電阻溫度系數也相同。
Pt100 RTD 的標稱電阻較低，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用。
由于 Pt1000 RTD 的電阻更高，因此根據歐姆定律 (V = IR)，要在其兩端產生給定電壓，所需的激勵電流更小。在 0?C 下，適度的 1 mA 電流將產生 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，這可以增加電池續航時間。其次，RTD 的自發熱減少，這對讀數的精度有很大影響。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熱的激勵電流水平，這與在 RTD 兩端產生足夠的壓降，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，它在工業上得到了廣泛的應用，其中引線長度、低功耗運行和自發熱不是主要的應用因素。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構，而 Pt1000 RTD 一般只提供薄膜式器件。
請注意，對于更高精度的應用，可能需要采取其他措施來最小化 RTD 自發熱誤差。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，自發熱誤差越小。但是，這種方法還需要一個稍微更復雜的接口，以正確管理脈沖時序和工作周期，以及將電壓讀數與脈沖同步。
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域中沒有嚴重的寄生效應。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、引線補償等；當使用多個 RTD 時，復雜性還會增加，而情況常常如此。
為了解決與 RTD 連接相關的問題，IC 供應商開發了應用特定的 IC，便于簡化前端面向 RTD 的模擬側以及調節后的輸出上的連接，甚至還進一步包括一個與處理器兼容的完整數字接口。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技術，可同時提供低失調電壓（典型值為 20 μV，最大值為 90 μV）、時間和溫度變化范圍內的近零漂移，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，最大靜態電流為 35 μA，因而非常適合電池供電的應用。
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電源更負的電源，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）。在輸出和額外的負電源之間添加一個下拉電阻，可將輸出降低至本來可達到的值以下。
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數字轉換器，并且針對 Pt100 和 Pt1000 RTD 進行了優化（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，同時在處理器側提供 SPI 兼容接口。
圖 6：Maxim Integrated 的 MAX31865 RTD 轉數字轉換器包括模擬接口、數字化儀，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 電阻與基準電阻之比轉換為數字形式，在所有工作條件和極端條件下的標稱溫度分辨率為 0.03125?C，精度為 0.5?C。
許多溫度測量應用都需要使用多個 RTD 以及其他溫度傳感器，來構成完整的測試裝置。對于這些應用，Analog Devices 的 LTC2983 傳感器轉數字高精度數字溫度測量系統 IC 支持多種傳感器和選件。該器件可處理多達 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 可根據特定類型的傳感器和所需的激勵進行編程，然后為這些傳感器提供內置的標準系數；它還支持用戶指定的自定義系數。
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 的數字結果，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)。
團隊若希望針對 RTD 數據采集設計創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，允許用戶配置關鍵工作參數，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鍵工作參數。（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，然后根據需要進行調整（圖 9）。該評估板有一個內部 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熱。RTD 兩端的電壓可使用 MCP6S26 可編程增益放大器 (PGA) 進行放大。該 PGA 可提高 RTD 電壓，還允許用戶對放大器增益進行數字編程，并擴大傳感器輸出范圍。此外，差分放大器驅動一個 12 位差分模數轉換器 (ADC)。最后，微控制器使用 SPI 接口讀取轉換器輸出數據，并通過 USB 接口將其發送至主機 PC。
圖 9：此 TMPSNS-RTD1 Pt100 RTD 評估板框圖顯示了從 RTD 激勵/感測經由 SPI 接口的 AFE 及相關信號路徑。（圖片來源：Microchip Technology）
相關的用戶指南包括完整的安裝和設置信息，以及基于 PC 的直觀圖形用戶界面 (GUI) 的分步說明。該 GUI 允許用戶設置參數，例如采樣數、采樣率、PGA 增益、內部 RTD 電流和外部電流（圖 10）。
圖 10：通過應用提供的基于 PC 的 GUI，TMPSNS-RTD1 Pt100 RTD 評估板的用戶可以調整關鍵工作點，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物料清單 (BOM)、原理圖、頂層和底層印刷電路板布局，以及絲印。
溫度測量是一項基本功能，而 RTD 是此應用中一種常見的、廣泛使用的傳感器，即使正確使用方法可能看似復雜。不過，當使用適當的電路進行激勵和檢測時，它能夠在寬溫度范圍內提供高精度和可重復性。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，用戶可構建基于 RTD 的系統，杜絕意外并提供優異的性能。
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