优化 RTD 温度传感系统

温度测量在许多不同的终端应用中发挥着重要作用，例如工业自动化、仪器仪表、CbM 和医疗设备。无论是监测环境条件还是校正系统漂移性能，高准确度和精度都非常重要。可以使用多种类型的温度传感器，例如热电偶、电阻温度检测器 (RTD)、电子带隙传感器和热敏电阻。与设计一起选择的温度传感器取决于测量的温度范围和所需的精度。对于 –200°C 至 +850°C 范围内的温度，RTD 提供了高精度和良好稳定性的完美组合。

实现高精度、高稳定性的温度测量的主要挑战包括：

· 电流和电压选择。RTD 传感器是一种无源设备，本身不会产生电输出。激励电流或电压用于测量传感器的电阻，方法是让小电流通过传感器产生电压。

· 是否使用 2 线、3 线还是 4 线传感器。

· 调节 RTD 信号。

· 调整上述变量，以便转换器或其他构建块在其规格范围内使用。

· 在系统中连接多个 RTD，确定哪些块可以在不同的传感器之间共享，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，传感器的电阻会根据温度以精确定义的方式发生变化。最广泛使用的 RTD 是铂 Pt100 和 Pt1000，它们有 2 线、3 线和 4 线配置。其他 RTD 类型由镍和铜制成。

表 1. 常见 RTD 类型

RTD 类型材料范围

最常见的 Pt100 RTD 有两种不同的形状：绕线和薄膜。每种类型都按照几种标准曲线和公差制造。最常见的标准曲线是 DIN 曲线。DIN 代表“Deutsches Institut für Normung”，即“德国标准化协会”。该曲线定义了铂 100 Ω 传感器的电阻与温度特性、标准公差和工作温度范围。这定义了 RTD 的精度，从 0°C 温度下 100 Ω 基极电阻开始。DIN RTD 有不同的标准公差等级。这些公差如表 2 所示，它们也适用于低功耗应用中有用的 Pt1000 RTD。

表 2. RTD 精度——A 级、B 级、1/3 DIN

在选择 RTD 传感器时，必须考虑 RTD 本身及其精度。温度范围因元件类型而异，校准温度(通常为 0°C)下的精度随温度而变化。因此，定义测量的温度范围很重要，并考虑到任何低于或高于校准温度的温度都会有更大的公差和更低的精度。

RTD 按照其在 0°C 时的标称电阻进行分类。Pt100 传感器的温度系数约为 0.385 Ω/°C，而 Pt1000 的温度系数比 Pt100 大 10 倍。许多系统设计人员使用这些系数来获得近似的电阻温度转换，但 Callendar-Van Dusen 方程提供了更准确的转换。

温度 t ≤ 0°C 时，方程为

温度 t ≥ 0°C 的方程为

在这里：

t 为 RTD 温度(°C)

R RTD (t) 是温度 (t) 时的 RTD 电阻

R 0为0°C时的RTD电阻(本例中，R 0 = 100 Ω)A = 3.9083 × 10 −3

B = −5.775 × 10 −7

碳原子数 = −4.183 × 10 −12

RTD 接线配置

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

2 线配置是最简单但最不准确的配置，因为引线电阻的误差及其随温度的变化会导致显着的测量误差。因此，这种配置仅适用于引线较短或使用高电阻传感器(例如 Pt1000)的应用，这两种情况都可以最大限度地减少引线电阻对精度的影响。

3 线是最常用的配置，因为它具有使用三个引脚的优势，这在连接器尺寸最小化的设计中非常有用(需要三个连接端子，而 4 线 RTD 则需要 4 线端子)。与 2 线配置相比，3 线的精度也有显著提高。3 线中的引线电阻误差可以使用不同的校准技术进行补偿，本文稍后将介绍这些技术。

4 线是最昂贵但最准确的配置。在这种配置中，由于引线电阻以及温度变化的影响而导致的误差被消除。因此，4 线配置可实现最佳性能。

RTD 配置电路

高精度和准确的 RTD 传感器测量需要精确的信号调节、模数转换、线性化和校准。RTD 测量系统的典型设计由图 2 所示的不同阶段组成。虽然信号链看起来简单明了，但其中涉及多个复杂因素，设计人员必须考虑复杂的组件选择、连接图、误差分析和其他模拟信号调节挑战，这些挑战会影响整个系统电路板尺寸和物料清单 (BOM) 成本，因为参与的模块数量较多。从好的方面来看，ADI 的产品组合中有很多集成解决方案可供选择。这种完整的系统解决方案可帮助设计人员简化设计，同时减小电路板尺寸、缩短上市时间，以及整个 RTD 测量系统的成本。

图 1：RTD 接线配置。(来源：Analog Devices)

图 2：典型的 RTD 测量信号链模块

三种 RTD 接线配置具有不同的接线技术，需要将 RTD 与其他外部组件以及 ADC 的要求(例如激励电流和灵活的多路复用器)连接或连接。本节将更深入地了解并重点介绍每种 RTD 配置的电路设计和注意事项。

Sigma-Delta ADC

在设计 RTD 系统时，Sigma-delta (Σ-Δ) ADC 具有多种优势。首先，由于 Sigma-delta ADC 对模拟输入进行过采样，因此外部滤波被最小化，只需一个简单的 RC 滤波器即可。它们在滤波器类型和输出数据速率的选择方面具有灵活性。内置数字滤波可用于抑制主电源供电设计中主电源的任何干扰。24 位高分辨率 ADC(例如 AD7124-4 / AD7124-8 )的峰峰值分辨率最高为 21.7 位。其他优势包括

· 模拟输入的共模范围较宽

· 参考输入的共模范围较宽

· 能够支持比例配置

· 缓冲参考和模拟输入

· 一些 Σ-Δ ADC 集成度较高，包括

· 可编程增益放大器 (PGA)

· 励磁电流

· 参考/模拟输入缓冲器

· 校准功能

它们大大简化了 RTD 设计，同时减少了 BOM、系统成本、电路板空间并缩短了上市时间。

本文使用 AD7124-4/AD7124-8 作为 ADC。这些是低噪声、低电流精密 ADC，带有集成 PGA、激励电流、模拟输入和基准缓冲器。

比率测量

对于使用电阻式传感器(如 RTD 或热敏电阻)的系统，比率式配置是一种合适且经济高效的解决方案。采用比率式方法，参考电压和传感器电压来自同一激励源。因此，激励源不需要准确。图 3 显示了 4 线 RTD 应用中比率式配置的示例。恒定激励电流为 RTD 和精密电阻 R REF供电，并在 R REF上产生电压是 RTD 测量的参考电压。激励电流的任何变化都不会影响测量的准确性。因此，使用比率法可以使用噪声较大、稳定性较差的激励电流。由于激励电流具有更好的抗噪性，因此比电压激励更受青睐。选择激励源值时要考虑的主要因素将在本文后面讨论。

图 3. 4 线 RTD 比率测量

共享 IOUT/AIN 引脚

许多 RTD 系统设计人员使用集成多路复用器和激励电流的 sigma-delta ADC，以实现多通道测量，并灵活地将激励电流路由到每个传感器。诸如 AD7124 之类的 ADC 允许单个引脚同时用作激励电流和模拟输入引脚(见图 4)。IOUT 和 AIN 之间的共享引脚只需要每个 3 线 RTD 传感器两个引脚，从而增加了通道数。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，可能会给 RTD 电阻值增加误差，因为 R 与 RTD 串联——因此，可以使用有限的 R 值。这就是为什么通常建议为每个激励电流源配备一个专用引脚，以避免 RTD 测量中可能出现的误差。

图 4. 具有共享 IOUT/AIN 引脚的 3 线 RTD

在第 1 部分中，我们介绍了温度测量挑战、RTD 类型、不同配置以及 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。