工業測溫如何做到與體溫測量一樣簡單?RTD測溫系統了解下

2020-09-27 09:31 測控要聞   

導讀如今為了防控疫情,到哪都要被測體溫,已經成了生活中一種新常態。我們僅需“嘀”一下幾秒便可完成的測溫,在工業環境中卻沒這么簡單。電阻溫度檢測器(RTD)俗稱“熱電阻” ,是基于特定金屬導體的電阻值會隨溫度變化的特性用來進行溫度測量,只要測量出特定金屬導體的阻值,就可以推算出溫度。由于 RTD電阻與周圍溫度之間的關系是高度可預測的,可以進行非常精確和一致的溫度測量,所以廣泛應用于實驗室和工業測溫。  

如今為了防控疫情,到哪都要被測體溫,已經成了生活中一種新常態。我們僅需“嘀”一下幾秒便可完成的測溫,在工業環境中卻沒這么簡單。電阻溫度檢測器(RTD)俗稱“熱電阻” ,是基于特定金屬導體的電阻值會隨溫度變化的特性用來進行溫度測量,只要測量出特定金屬導體的阻值,就可以推算出溫度。由于 RTD電阻與周圍溫度之間的關系是高度可預測的,可以進行非常精確和一致的溫度測量,所以廣泛應用于實驗室和工業測溫。

通常而言,有多種類型的溫度傳感器可以用于溫度測量系統,具體使用何種溫度傳感器,取決于所測量的溫度范圍和所需的精度。溫度測量系統的精度則取決于傳感器以及傳感器所接口的模數轉換器(ADC)性能。許多情況下,來自傳感器的信號幅度非常小,因而需要高分辨率ADC。本文通過介紹全球高性能模擬技術提供商ADI公司常用的3線和4線電阻溫度檢測器,以及傳感器與ADC接口所需的電路,說明工業環境測溫對ADC的性能要求影響。

RTD工作原理與工業測溫系統設計要點

熱電偶已成為在合理精度內高性價比測量寬溫度范圍的工業標準方法。如下圖所示,熱電偶由在一頭相連的兩根不同金屬線組成,相連端稱為測量 ("熱") 接合點。金屬線不相連的另一頭接到信號調理電路走線,它一般由銅制成。在熱電偶金屬和銅走線之間的這一個接合點叫做參考 ("冷") 接合點。在參考接合點處產生的電壓取決于測量接合點和參考接合點兩處的溫度。由于熱電偶是一種差分器件而不是絕對式溫度測量器件,必須知道參考接合點溫度以獲得精確的絕對溫度讀數,這一過程被稱為參考接合點溫度補償(冷接合點補償)。

Figure 1

圖1. 熱電偶工作原理

溫度測量系統以低速測量為主,最高速度通常是每秒100次采樣。因此,這種系統需要低帶寬ADC,但ADC必須有高分辨率。Σ-Δ型ADC正好適合此類應用,因為利用Σ-Δ結構能夠開發出低帶寬、高分辨率ADC。采用Σ-Δ型轉換器時,對模擬輸入連續采樣,采樣頻率比目標頻段高很多。它還使用噪聲整形,將噪聲推到目標頻段之外,進入轉換過程未使用的區域,從而進一步降低目標頻段內的噪聲。數字濾波器則會衰減任何處在目標頻段之外的信號。

基于ADI AD7124-4/AD7124-8器件構建的集成式RTD測量解決方案,可實現高分辨率、低非線性度誤差和低噪聲性能,以及極高的50Hz/60Hz抑制能力。AD7124-4/AD7124-8片內集成低噪聲PGA(可編程增益陣列),可放大RTD的小信號,增益編程范圍為1到128,因而可以直接與傳感器接口。增益級具有高輸入阻抗,輸入漏電流在全功率模式下不超過3.3 nA,在低功耗模式下為1 nA (典型值)。此外,AD7124-4/AD7124-8提供不同的校準模式,通過校準可消除失調和增益誤差。

三線制RTD測量系統設計參考

根據RTD熱電阻的引出線的數量的不同,RTD可分為兩線制、三線制和四線制。兩線制RTD的引線是直接在電阻的兩端引出兩條導線到測溫模塊上。測溫模塊采用電橋平衡的原理,RTD作為電橋的一個臂進行測量。由于兩線制RTD傳感器沒有考慮引出導線的電阻,誤差較大,僅適用于精度要求不高的場合。為了消除RTD引線對測量結果的影響,許多RTD采用三線制形式。三線制是在兩線制的基礎上,從電阻的一端引出第三條線,如下圖所示:

圖2. 兩線制RTD與三線制RTD

下圖顯示了一個3線RTD溫度測量系統。AD7124-4/AD7124-8包括該系統所需的全部構建模塊。為了全面優化該系統,需要2個完美匹配的電流源。這兩個電流源用于抵消RTD的RL1和RL2產生的引線電阻誤差。一個激勵電流流過精密基準電阻RREF和RTD。另一個電流流過引線電阻RL2,所產生的電壓與RL1上的壓降相抵消。精密基準電阻上產生的電壓用作ADC的基準電壓REFIN1(±)。由于僅利用一個激勵電流來產生基準電壓和RTD上的電壓,因此,該電流源的精度、失配和失配漂移對ADC整體傳遞函數的影響極小。AD7124-4/AD7124-8允許用戶選擇激勵電流值,從而調整系統以使用ADC的大部分輸入范圍,提高性能。

Figure 1

圖3. 3線RTD溫度測量系統

RTD的低電平輸出電壓需要放大,以便利用ADC的大部分輸入范圍。AD7124-4/AD7124-8的PGA可以設置1到128的增益,允許用戶在激勵電流值和增益與性能之間進行取舍。出于抗混疊和EMC目的,傳感器與ADC之間需要濾波?;鶞孰妷壕彌_器支持無限的濾波器R、C元件值,這些元件不會影響測量精度。系統還需要校準以消除增益和失調誤差,下圖顯示了此3線B級RTD在執行內部零電平和滿量程校準后的實測溫度誤差,總誤差遠小于±1°C。

Figure 2

圖4. 3線B級RTD校準后的實測溫度誤差

四線制RTD測量系統設計參考

四線制RTD是在三線制的基礎上又增加了一條線,即電阻的兩端各有兩條線。四線制RTD可以完全消除引線電阻引起的誤差,可以實現高精度和高可靠性,相應地,其成本高于3線或2線配置。

圖5. 四線制RTD

4線RTD測量仍然只需要一個激勵電流源,下圖顯示了一個4線RTD系統,像3線RTD系統一樣,所用的基準輸入為REFIN1(±),基準電壓緩沖器使能,以支持不受限制的抗混疊或EMC濾波。流經RTD的電流也會流過精密基準電阻RREF,其用于產生ADC的基準電壓。這種配置導致基準電壓與RTD上產生的電壓之間呈比例關系。比率式配置確保激勵電流值的波動不會影響系統總體精度。

Figure 3

圖6. 4線RTD溫度測量系統

下圖則顯示了一個4線B級RTD在執行內部零電平和滿量程校準后的實測RTD溫度誤差,與3線配置類似,記錄到的總誤差遠小于±1°C。

Figure 4

圖7. 4線B級RTD校準后的實測RTD溫度誤差

本文小結

溫度測量系統對ADC和系統的要求非??量?,由于RTD傳感器產生的模擬信號很弱,必須用增益級予以放大,同時增益級的噪聲必須非常低,確保其不會淹沒傳感器的信號。放大器之后需接一個高分辨率ADC,以將傳感器的低電平信號轉換為數字信息。此外,在實踐中,許多工業客戶要求用RTD模塊的同一端口連接許多不同類型的RTD傳感器,以方便平衡RTD傳感器的成本和性能。ADI公司高分辨率與高采樣頻率的 Σ-Δ架構ADC完美適合此類應用,AD7124系列ADC支持4通道、2線/3線/4線RTD測量,針對不同傳感器,使用控制器可以輕松更改配置。除了ADC和增益級之外,ADI公司提供的溫度測量系統設計參考中還添加了必要的其它元件,如激勵電流和基準電壓緩沖器等,能幫助客戶實現更為精確便捷的完成工業環境下的測溫。

標簽:  工業測溫[2]    溫度傳感器[2]
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