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工业测温如何做到与体温测量一样简单?RTD测温系统了解下

2020-09-29 10:01

如今为了防控疫情,到哪都要被测体温,已经成了生活中一种新常态。我们仅需“嘀”一下几秒便可完成的测温,在工业环境中却没这么简单。电阻温度检测器(RTD)俗称“热电阻” ,是基于特定金属导体的电阻值会随温度变化的特性用来进行温度测量,只要测量出特定金属导体的阻值,就可以推算出温度。由于 RTD电阻与周围温度之间的关系是高度可预测的,可以进行非常精确和一致的温度测量,所以广泛应用于实验室和工业测温。

通常而言,有多种类型的温度传感器可以用于温度测量系统,具体使用何种温度传感器,取决于所测量的温度范围和所需的精度。温度测量系统的精度则取决于传感器以及传感器所接口的模数转换器(ADC)性能。许多情况下,来自传感器的信号幅度非常小,因而需要高分辨率ADC。本文通过介绍全球高性能模拟技术提供商ADI公司常用的3线和4线电阻温度检测器,以及传感器与ADC接口所需的电路,说明工业环境测温对ADC的性能要求影响。

RTD工作原理与工业测温系统设计要点

热电偶已成为在合理精度内高性价比测量宽温度范围的工业标准方法。如下图所示,热电偶由在一头相连的两根不同金属线组成,相连端称为测量 ("热") 接合点。金属线不相连的另一头接到信号调理电路走线,它一般由铜制成。在热电偶金属和铜走线之间的这一个接合点叫做参考 ("冷") 接合点。在参考接合点处产生的电压取决于测量接合点和参考接合点两处的温度。由于热电偶是一种差分器件而不是绝对式温度测量器件,必须知道参考接合点温度以获得精确的绝对温度读数,这一过程被称为参考接合点温度补偿(冷接合点补偿)。

Figure 1

图1. 热电偶工作原理

温度测量系统以低速测量为主,最高速度通常是每秒100次采样。因此,这种系统需要低带宽ADC,但ADC必须有高分辨率。Σ-Δ型ADC正好适合此类应用,因为利用Σ-Δ结构能够开发出低带宽、高分辨率ADC。采用Σ-Δ型转换器时,对模拟输入连续采样,采样频率比目标频段高很多。它还使用噪声整形,将噪声推到目标频段之外,进入转换过程未使用的区域,从而进一步降低目标频段内的噪声。数字滤波器则会衰减任何处在目标频段之外的信号。

基于ADI AD7124-4/AD7124-8器件构建的集成式RTD测量解决方案,可实现高分辨率、低非线性度误差和低噪声性能,以及极高的50Hz/60Hz抑制能力。AD7124-4/AD7124-8片内集成低噪声PGA(可编程增益阵列),可放大RTD的小信号,增益编程范围为1到128,因而可以直接与传感器接口。增益级具有高输入阻抗,输入漏电流在全功率模式下不超过3.3 nA,在低功耗模式下为1 nA (典型值)。此外,AD7124-4/AD7124-8提供不同的校准模式,通过校准可消除失调和增益误差。

三线制RTD测量系统设计参考

根据RTD热电阻的引出线的数量的不同,RTD可分为两线制、三线制和四线制。两线制RTD的引线是直接在电阻的两端引出两条导线到测温模块上。测温模块采用电桥平衡的原理,RTD作为电桥的一个臂进行测量。由于两线制RTD传感器没有考虑引出导线的电阻,误差较大,仅适用于精度要求不高的场合。为了消除RTD引线对测量结果的影响,许多RTD采用三线制形式。三线制是在两线制的基础上,从电阻的一端引出第三条线,如下图所示:

图2. 两线制RTD与三线制RTD

下图显示了一个3线RTD温度测量系统。AD7124-4/AD7124-8包括该系统所需的全部构建模块。为了全面优化该系统,需要2个完美匹配的电流源。这两个电流源用于抵消RTD的RL1和RL2产生的引线电阻误差。一个激励电流流过精密基准电阻RREF和RTD。另一个电流流过引线电阻RL2,所产生的电压与RL1上的压降相抵消。精密基准电阻上产生的电压用作ADC的基准电压REFIN1(±)。由于仅利用一个激励电流来产生基准电压和RTD上的电压,因此,该电流源的精度、失配和失配漂移对ADC整体传递函数的影响极小。AD7124-4/AD7124-8允许用户选择激励电流值,从而调整系统以使用ADC的大部分输入范围,提高性能。

Figure 1

图3. 3线RTD温度测量系统

RTD的低电平输出电压需要放大,以便利用ADC的大部分输入范围。AD7124-4/AD7124-8的PGA可以设置1到128的增益,允许用户在激励电流值和增益与性能之间进行取舍。出于抗混叠和EMC目的,传感器与ADC之间需要滤波。基准电压缓冲器支持无限的滤波器R、C元件值,这些元件不会影响测量精度。系统还需要校准以消除增益和失调误差,下图显示了此3线B级RTD在执行内部零电平和满量程校准后的实测温度误差,总误差远小于±1°C。

Figure 2

图4. 3线B级RTD校准后的实测温度误差

四线制RTD测量系统设计参考

四线制RTD是在三线制的基础上又增加了一条线,即电阻的两端各有两条线。四线制RTD可以完全消除引线电阻引起的误差,可以实现高精度和高可靠性,相应地,其成本高于3线或2线配置。

图5. 四线制RTD

4线RTD测量仍然只需要一个激励电流源,下图显示了一个4线RTD系统,像3线RTD系统一样,所用的基准输入为REFIN1(±),基准电压缓冲器使能,以支持不受限制的抗混叠或EMC滤波。流经RTD的电流也会流过精密基准电阻RREF,其用于产生ADC的基准电压。这种配置导致基准电压与RTD上产生的电压之间呈比例关系。比率式配置确保激励电流值的波动不会影响系统总体精度。

Figure 3

图6. 4线RTD温度测量系统

下图则显示了一个4线B级RTD在执行内部零电平和满量程校准后的实测RTD温度误差,与3线配置类似,记录到的总误差远小于±1°C。

Figure 4

图7. 4线B级RTD校准后的实测RTD温度误差

本文小结

温度测量系统对ADC和系统的要求非常苛刻,由于RTD传感器产生的模拟信号很弱,必须用增益级予以放大,同时增益级的噪声必须非常低,确保其不会淹没传感器的信号。放大器之后需接一个高分辨率ADC,以将传感器的低电平信号转换为数字信息。此外,在实践中,许多工业客户要求用RTD模块的同一端口连接许多不同类型的RTD传感器,以方便平衡RTD传感器的成本和性能。ADI公司高分辨率与高采样频率的 Σ-Δ架构ADC完美适合此类应用,AD7124系列ADC支持4通道、2线/3线/4线RTD测量,针对不同传感器,使用控制器可以轻松更改配置。除了ADC和增益级之外,ADI公司提供的温度测量系统设计参考中还添加了必要的其它元件,如激励电流和基准电压缓冲器等,能帮助客户实现更为精确便捷的完成工业环境下的测温。

标签:工业测温 温度传感器

[整理编辑:CK365测控网]

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