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RTD 传感器的工作原理

2020-9-28 12:21:50 显示全部楼层
无需复杂的接口,即可获得 RTD 温度传感器的好处                         
作者:Bill Schweber        /Digi-Key

从医疗保健、仪器仪表、HVAC 和汽车应用到物联网 (IoT),温度是现实世界中使用最广泛的传感参数。在许多应用中,以适当的准确度、精度和可重复性平衡来了解温度对许多应用来说至关重要。电阻温度检测器 (RTD) 是一种广泛选用的温度传感器,这是一种精密的金属元件,通常由纯铂或近乎纯铂制成。基于铂的传感器具有完全详细的、可重复的和特征化的电阻-温度传递函数,因此 RTD 广泛用于科学和仪器应用中。
然而,要想充分发挥这种看似简单的双端传感器的性能潜力,设计人员必须了解各种激励方法以及电阻测量方法,以便确定温度。此外,许多应用需要多个 RTD,因此连接方法和关联电路也必须符合应用。
设计人员需要的是 RTD 专用元器件,以处理和克服 RTD 固有的特性。本文介绍如何使用来自 Texas Instruments、Maxim Integrated 和 Analog Devices 的 IC 以及来自 Microchip Technology 的评估板来简化应用。

RTD 传感器的工作原理

与热敏电阻有些类似,RTD 的工作原理看似简单,其实不然。RTD 是铂丝或薄膜,有时还添加了铑等其他贵金属,其具有已知的标称电阻,并且电阻作为温度的函数随温度呈正向变化(即正温度系数或 PTC)。RTD 可以制造成许多不同的标称电阻值,最常见的是 Pt100 和 Pt1000(有时写成 PT100 和 PT1000),在 0⁰C 下的标称电阻分别为 100 Ω 和 1000 Ω。
这种传感器的常用构造方法包括将铂丝绕在玻璃或陶瓷骨架上,或使用铂薄膜制造(图 1)。由于铂温度传感器的广泛应用和可互换性需求,国际标准 DIN EN 60751 (2008) 详细定义了铂温度传感器的电气特性。该标准包含电阻-温度表格、容差、曲线和温度范围。
图 1:这些 RTD 使用(从左到右)薄膜、玻璃和陶瓷制造技术。(图片来源:WIKA Alexander Wiegand SE & Co. KG)
标准铂 RTD 的工作温度范围为 -200⁰C 至 +800⁰C。RTD 的关键属性包括高稳定性、可重复性和精度,前提是它们由电流或电压源适当激励,电阻使用合适的模拟前端 (AFE) 电路,以两个端子间的电压来测量,其中电压读数经过线性化以实现最高的精度。
RTD 的电阻会随温度发生相当大的变化,这使得 RTD 更适合用于高精度测量。对于标准 Pt100 器件,电阻会从 -200⁰C 时的约 25 Ω 变为 +800⁰C 时的约 +375 Ω。在 0°C 和 +100°C 之间,平均斜率称为 alpha (α) 或温度系数,其值取决于铂中的杂质及杂质含量。最广泛使用的两个 alpha 值是 0.00385055 和 0.00392。
RTD 的具体型号有数千种,来源众多。例如 Vishay Beyschlag 的 PTS060301B100RP100,这是一款 100 Ω 铂 RTD,基本精度为 ±0.3%,温度系数为 ±3850 ppm/°C,采用 0603 SMT 封装。该传感器属于 100 Ω、500 Ω 和 1000 Ω PTS 系列无铅 SMT RTD,分别采用 0603、0805 和 1206 封装。这些器件使用沉积在高级陶瓷基底上的一层均匀铂膜制成,并通过调节来达到正确的温度系数和稳定性。传感器元件由保护涂层覆盖,可提供电气、机械和气候保护,并符合所有相关的 IEC 和 DIN 性能和合规性标准。采用 0603 封装的 100 Ω 器件尺寸小,因此在自然通风条件下的响应非常快,不到 2 秒即可达到最终电阻值的 90% 以内。

RTD 线性化
RTD 相当线性,但仍有一个单调的曲线偏差。对于需要一度或几度精度的应用,由于偏差很小,因此可能不必对 RTD 传递函数进行线性化(图 2)。例如,在 -20⁰C 和 +120⁰C 之间,差值小于 ±0.4⁰C。
图 2:Pt100 RTD 电阻与温度的关系,显示 0°C 至 +100°C 的直线逼近。(图片来源:Maxim Integrated)
不过,RTD 通常用于需要精度达到十分之一度或更高的精密应用中,从而需要线性化。线性化可通过软件中的计算或查找表来实现。为实现高度精确的线性化,可使用 Callendar-Van Dusen 公式:

其中 T = 温度 (°C);R(T) = T 下的电阻;R0 = T = 0°C 时的电阻;A、B 和 C 是 RTD 特定常数。
对于 α = 0.00385055,DIN RTD 标准将 Callendar-Van Dusen 系数值 A、B 和 C 定义为:
A = 3.90830 x 10-3,
B = -5.77500 x 10-7,以及
从 -200°C 到 0°C,C = -4.18301 x 10-12 ;从 0°C 到 +850°C,C = 0(这样做的好处是将多项式简化为更简单的二阶方程。)

RTD 连接
作为无源双端子电阻器,RTD 接口激励和感应电路在原理上很简单,激励源可以是电压,也可以是电流。在最基本的电压源形式中,RTD 引线连接到激励源,同时还串联一个通常与该 RTD 具有相同标称值的已知稳定电阻器 (RREF)(图 3)。这形成了一个标准分压器电路。其中会测量 RTD 和串联电阻器两端的电压,然后使用简单的分压器计算来得出 RTD 电阻。通过测量已知电阻器两端的电压以及 RTD 两端的电压,可以提高精度。
图 3:这种简化的 RTD 信号调节电路使用 RTD 与一个已知的基准电阻器 (RREF) 和一个电流源串联;通过测量 RTD 两端的电压以及基准电阻器两端的电压,来计算 RTD 电阻。(图片来源:Maxim Integrated)
这种配置虽然简单,但有许多潜在的不准确性来源,包括电源电压变化、基准电阻温度系数、连接引线的阻抗 (IR) 压降,甚至铜连接引线的温度系数(约为 +0.4%/˚C)。为了部分克服这些误差源,通常以比率计式惠斯通电桥配置使用 RTD。
不过,电桥和电压激励方法仍然存在缺陷。比率计式结构(例如电桥)本身就具有众所周知的非线性关系,这与任何电桥元件的非线性无关。因此,必须在校正 RTD 元件非线性的计算中考虑该关系,但这会使算法复杂化并增加处理负载。
由于这些和其他原因,RTD 几乎总是搭配电流源使用。这样可以完全控制激励情况,并提供机会更直接地补偿连接引线中的电压降和温度相关变化。根据应用及 RTD 与 AFE 之间的距离,设计人员可以使用两线、三线、四线或带回路的四线连接(图 4)。
图 4:RTD 和 AFE 之间的互连可以使用两线、三线或四线;后者可以是成对的四线连接,也可以是用于两线的单独回路。(图片来源:Texas Instruments)
两线连接最简单、体积最小且成本最低。但是,只有当连接 Pt100 RTD 和 AFE 电路的导线具有非常低的电阻,低于几毫欧 (mΩ) 时,它才适用于获取精确的结果。在这种情况下,导线电阻与 RTD 电阻相比毫不起眼。通常,这将距离限制为约 25 厘米 (cm),但这也取决于这些导线的线规。由于物理安装配置和限制,这些导线往往较细。当然,可以使用计算来校正电压降。但是,这增加了复杂性,尤其是当引线电阻受温度影响时。
对于更长到约 30 米 (m) 内的距离,可使用三线方法。在这种配置中,电路通过开尔文连接监测电流回路的一侧,测量回路电阻中的电压降,然后对此压降进行补偿。此方法假定非开尔文引线中的压降与开尔文引线侧的压降相同。
四线方法使用完整的开尔文检测来监视 RTD 电流回路的两侧。无论两条电流源导线之间的差异如何,此方法都可以精确地消除引线电阻的影响。它的使用距离可达数百米,但材料和线材体积影响最大。
最后,带回路的四线方法让设计人员能够选择如何测量回路中的损耗。回路连接线的电阻可以作为简单的电阻来测量,且独立于实际 RTD 回路之外,同时假设两条额外的引线与 RTD 引线完全相同。这种方法在安装和计算方面似乎比直接开尔文配置更令人头疼,但在有些实际情况下,很难在 RTD 处提供常规的开尔文连接。然而,这种配置在现代安装中并不经常使用,因为经过适当的设置和校准,四线甚至三线方法就可以提供相当的结果。
请注意,选择使用两线、三线或四线连接与 RTD 无关,只要有空间并可以进行必要的物理连接,选择任何连接都可以与任何 RTD 一起使用。但是,在物理尺寸较小的设置中,线束的质量可能会引入热漂移和其他热时间常数。一般而言,让感测配置的热质量相对于被感测质量尽可能小,这是一种很好的做法。
与连接引线和信号完整性有关的问题不仅仅限于基本的 DC 电阻。噪声往往是一个令人担忧的问题,尽管与大多数噪声信号相比,温度是变化相对缓慢的现象,但如果噪声正好发生在 RTD 上的电压被采样或转换时,其仍然会破坏 AFE 处的信号。在极端情况下,噪声会使前端饱和,并使其“失明”几毫秒 (ms),直到脱离饱和状态。
由于这个和其他原因,如果 RTD 的感测引线长度大于一米左右,就应该采用相同的对地阻抗进行平衡(有时称为纵向平衡)。原因是这些并联引线可能会具有共模电压 (CMV) 和噪声,但是 AFE 的差分前端会将这些拒之门外。然而,如果引线是不平衡的,则电路会将一些共模信号转换为不平衡信号,这些信号不会被 AFE 的差分输入拒绝。

Pt100 与 Pt1000 RTD 选择
由于最常见的 RTD 在 0°C 时具有 100 Ω 或 1000 Ω 电阻,因此如何在它们之间进行选择就是一个显而易见的问题。与往常一样,我们需要进行权衡,并且没有唯一的“正确”答案,因为这取决于应用的具体情况。请注意,对于 Pt100 和 Pt1000 RTD,特性曲线的线性、工作温度范围和响应时间都是相同或几乎相同,并且它们的电阻温度系数也相同。
Pt100 RTD 的标称电阻较低,因此如前所述,只能采用两线配置用于短距离应用,因为引线电阻相对于 RTD 会很明显。相比之下,引线电阻相对于 Pt1000 电阻就要小得多,这使得 Pt1000 更适合较长的两线应用。
由于 Pt1000 RTD 的电阻更高,因此根据欧姆定律 (V = IR),要在其两端产生给定电压,所需的激励电流更小。在 0⁰C 下,适度的 1 mA 电流将产生 1 V 的压降,并且随着温度升高,电压会从该值开始增加。
不过,由于 RTD 电压可能会在较高温度下超出 AFE 前端的范围,因此可能会产生较高电压的不良后果。另外,电流源需要有足够的顺从电压,以激励固定值的电流通过电阻。例如,1 mA 电流通过 1000 Ω 电阻,就要求电流源的顺从电压略高于 1 V,但是随着 RTD 发热及其电阻增加,所需的顺从电压也会成比例地增加。因此,高电阻 RTD 电流源可能需要更高的电压轨以确保足够的顺从电压。
在给定压降下,Pt1000 所需的电流较低,这会带来了两个好处。首先,需要的功率更小,这可以增加电池续航时间。其次,RTD 的自发热减少,这对读数的精度有很大影响。正确的工程实践是使用一个能最大程度上减少传感器自发热的激励电流水平,这与在 RTD 两端产生足够的压降,从而获得足够的分辨率相一致。
这并不意味着 Pt100 RTD 的地位很低。实际上,由于历史遗留原因,它在工业上得到了广泛的应用,其中引线长度、低功耗运行和自发热不是主要的应用因素。作为低阻抗回路,Pt100 RTD 装置对噪声拾取的敏感性也比 Pt1000 RTD 低得多,后者固有的回路阻抗要高十倍。
此外,除了电气方面,还有机械方面的考虑。Pt100 传感器提供物理属性不同的绕线式和薄膜式两种结构,而 Pt1000 RTD 一般只提供薄膜式器件。
请注意,对于更高精度的应用,可能需要采取其他措施来最小化 RTD 自发热误差。一种方法是让电流以脉冲方式通过 RTD,然后测量脉冲周期期间的电压。脉冲的工作周期越短,自发热误差越小。但是,这种方法还需要一个稍微更复杂的接口,以正确管理脉冲时序和工作周期,以及将电压读数与脉冲同步。

IC 简化 RTD 接口
与其他基于电阻器的温度检测元器件一样,RTD 看起来很简单,使用起来也应如此。毕竟,它是一个双端子电阻器,在温度检测这个相对缓慢的领域中没有严重的寄生效应。但是,与热敏电阻和许多其他基本传感器一样,我们看到这种传感器的用户需要考虑一系列问题,包括激励、线性化、校准、引线补偿等;当使用多个 RTD 时,复杂性还会增加,而情况常常如此。
为了解决与 RTD 连接相关的问题,IC 供应商开发了应用特定的 IC,便于简化前端面向 RTD 的模拟侧以及调节后的输出上的连接,甚至还进一步包括一个与处理器兼容的完整数字接口。例如,对于基本的 RTD 连接,Texas Instruments 的 OPA317IDBVT 运算放大器采用专有的自动校准技术,可同时提供低失调电压(典型值为 20 μV,最大值为 90 μV)、时间和温度变化范围内的近零漂移,以及近零偏置电流。因此,该运算放大器不会对 RTD“增加负载”或造成影响,而是“隐形”且一致的。该运算放大器采用 1.8 V(±0.9 V)至 5.5 V(±2.75 V)的单端或双极电源供电,最大静态电流为 35 μA,因而非常适合电池供电的应用。
该运算放大器的特性之一是,它可以配置为处理非常近地的信号,“冷”RTD 同样如此,即在低电流水平下运行,从而两端具有低电压。相比之下,当输入和输出信号接近 0 V(接近单电源运算放大器的输出摆幅下限)时,许多单电源运算放大器会遇到问题。虽然一个好的单电源运算放大器可能会摆动至接近单电源接地,但可能不会真正达到接地。通过添加另一个电阻器和额外一个比运算放大器的负电源更负的电源,可以使 OPA317IDBVT 的输出在单电压电源上摆动至接地或略低一点(图 5)。在输出和额外的负电源之间添加一个下拉电阻,可将输出降低至本来可达到的值以下。
图 5:通过添加一个下拉电阻 (RP) 和一个额外的负电源,OPA317IDBVT 可以处理接近地电位的信号。(图片来源:Texas Instruments)
Maxim Integrated 的 MAX31865 不仅仅是模拟接口运算放大器,还是一款易于使用的电阻转数字转换器,并且针对 Pt100 和 Pt1000 RTD 进行了优化(图 6)。该 IC 采用微型 20 引脚 TQFN 和 SOIC 封装,可配置为两线、三线和四线 RTD 接口,同时在处理器侧提供 SPI 兼容接口。
图 6:Maxim Integrated 的 MAX31865 RTD 转数字转换器包括模拟接口、数字化仪,以及适用于两线、三线和四线 RTD 的 SPI 输出。(图片来源:Maxim Integrated)
单个外部电阻可设置所用 RTD 的灵敏度,而精密的 15 位三角积分 ADC 可将 RTD 电阻与基准电阻之比转换为数字形式,在所有工作条件和极端条件下的标称温度分辨率为 0.03125⁰C,精度为 0.5⁰C。
许多温度测量应用都需要使用多个 RTD 以及其他温度传感器,来构成完整的测试装置。对于这些应用,Analog Devices 的 LTC2983 传感器转数字高精度数字温度测量系统 IC 支持多种传感器和选件。该器件可处理多达 20 个传感器通道,这些通道可以是两线、三线和四线 RTD、热电偶、热敏电阻,甚至二极管的混合通道(图 7)。该 IC 可根据特定类型的传感器和所需的激励进行编程,然后为这些传感器提供内置的标准系数;它还支持用户指定的自定义系数。
图 7:Analog Devices 的 LTC2983 有 20 个通用输入,可按需要在热电偶,两线、三线或四线 RTD、热敏电阻和用作温度传感器的二极管之间混用。(图片来源:Analog Devices)
该器件通过 SPI 接口提供单位为 °C 或 °F 的数字结果,精度为 0.1°C,分辨率为 0.001°C。它采用 2.85 V 至 5.25 V 的单电源供电,并包括适合每种温度传感器的激励电流源和故障检测电路,以及适用于任何热电偶的冷端补偿 (CJC)。
团队若希望针对 RTD 数据采集设计创建量身定制的完整电路,但又不希望“全部重来”,可选用 Microchip Technology 推出的 TMPSNS-RTD1 Pt100 RTD 评估板。该评估板支持两个 RTD,允许用户配置关键工作参数,包括 RTD 电流(图 8)。
图 8:Microchip Technology 的 TMPSNS-RTD1 Pt100 RTD 评估板支持两个 RTD,并让用户能够配置关键工作参数。(图片来源:Microchip Technology)
此评估板框图显示了如何逐个功能建立完整的 RTD 接口通道,以便用户可以了解电路,然后根据需要进行调整(图 9)。该评估板有一个内部 RTD,并且还可以连接一个外部两线、三线或四线 Pt100 RTD,以及一个低电流电流源,以最大程度地降低自发热。RTD 两端的电压可使用 MCP6S26 可编程增益放大器 (PGA) 进行放大。该 PGA 可提高 RTD 电压,还允许用户对放大器增益进行数字编程,并扩大传感器输出范围。此外,差分放大器驱动一个 12 位差分模数转换器 (ADC)。最后,微控制器使用 SPI 接口读取转换器输出数据,并通过 USB 接口将其发送至主机 PC。
图 9:此 TMPSNS-RTD1 Pt100 RTD 评估板框图显示了从 RTD 激励/感测经由 SPI 接口的 AFE 及相关信号路径。(图片来源:Microchip Technology)
相关的用户指南包括完整的安装和设置信息,以及基于 PC 的直观图形用户界面 (GUI) 的分步说明。该 GUI 允许用户设置参数,例如采样数、采样率、PGA 增益、内部 RTD 电流和外部电流(图 10)。
图 10:通过应用提供的基于 PC 的 GUI,TMPSNS-RTD1 Pt100 RTD 评估板的用户可以调整关键工作点,并评估由此获得的性能。(图片来源:Microchip Technology)
为了完善文档,用户指南包括完整的详细物料清单 (BOM)、原理图、顶层和底层印刷电路板布局,以及丝印。

总结
温度测量是一项基本功能,而 RTD 是此应用中一种常见的、广泛使用的传感器,即使正确使用方法可能看似复杂。不过,当使用适当的电路进行激励和检测时,它能够在宽温度范围内提供高精度和可重复性。与任何高性能传感器一样,必须了解器件特性才能获得最佳性能。如上所述,使用不同功能集成水平的 IC,用户可构建基于 RTD 的系统,杜绝意外并提供优异的性能。
   

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