適合高精度測量應(yīng)用的完全集成式4線RTD溫度測量系統(tǒng)的簡單實(shí)現(xiàn)

對于各種各樣的產(chǎn)品，制造過程需要高度精確和可靠的溫度測量技術(shù)。通常通過與傳感器直接接觸來測量溫度，例如通過將傳感器浸入到液體中或通過與機(jī)器的表面接觸來測量溫度。除熱敏電阻和熱電偶之外，由于其快速響應(yīng)時(shí)間和高達(dá)幾百μV/°C的出色靈敏度，電阻溫度檢測器(RTD)尤其適用。它們也可用于–200°C至+800°C超寬范圍內(nèi)的測量，且具有近線性行為。RTD提供多種版本，例如2線、3線或4線版本，且具有高度應(yīng)用靈活性。

為了產(chǎn)生測量電壓，RTD需要激勵(lì)電流。根據(jù)RTD類型，電壓電平從幾十到幾百mV不等。測量系統(tǒng)的精度不僅取決于溫度傳感器，還取決于選擇合適的測量儀器、系統(tǒng)配置以及測量電路類型。根據(jù)導(dǎo)線數(shù)量，RTD傳感器可用于2線、3線或4線測量電路。這些不同測量電路的對比如圖1所示。

在2線測量電路中，為RTD提供激勵(lì)電流(I)的兩根導(dǎo)線也用于測量傳感器電壓。由于傳感器電阻很低，即使是較低的導(dǎo)線電阻，RL也會(huì)產(chǎn)生相對較高的測量不精確性。在3線或4線測量系統(tǒng)中，由于傳感器激勵(lì)通過單獨(dú)的導(dǎo)線發(fā)生，并且傳感器的測量導(dǎo)線直接放置在通常具有高阻抗的測量器件輸入端上，可最大限度降低此誤差。

遺憾的是，由于RTD上的壓降較低，信號(hào)非常容易受到噪聲的影響。因此，應(yīng)盡可能避免使用較長的測量導(dǎo)線?？赏ㄟ^將電壓放大盡可能靠近信號(hào)源或RTD來降低噪聲。此外，具有良好信噪比(SNR)的敏感型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)適用于進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。ADI公司的∑-Δ ADC，如AD7124系列，提供一款完成集成的

24位、低噪聲模擬前端(AFE)，非常適合高精度測量應(yīng)用。輸入可以選擇性地配置為差分輸入或單端/偽差分輸入。AD7124系列還集成了數(shù)字濾波器和可編程放大器級(jí)，使其非常適合低壓應(yīng)用。圖2所示電路為使用AD7124的4線測量配置示例。

圖1. 2線、3線和4線測量對比

圖2.使用AD7124進(jìn)行4線RTD溫度測量配置

AD7124上的模擬引腳AIN2和AIN3配置為差分輸入且用于測量RTD電壓。RTD激勵(lì)電流從模擬電源電壓AVDD汲取，并通過AIN0提供。激勵(lì)電流同時(shí)流過基準(zhǔn)電阻RREF1，作為精密電阻工作，然后會(huì)導(dǎo)致通過基準(zhǔn)引腳REFIN1(+)和REFIN1(–)檢測到的壓降。所造成的壓降與RTD上的壓降成正比。此比率式配置確保激勵(lì)電流的變化對系統(tǒng)總體精度沒有影響。由于ADC的有源內(nèi)部模擬緩沖器，RREF2會(huì)產(chǎn)生正常運(yùn)行所需的失調(diào)電壓。在模數(shù)轉(zhuǎn)換之前，需要緩沖器對讀數(shù)進(jìn)行濾波，從而提供抗混疊特性并降低噪聲。或者，也可以將所有模擬輸入和基準(zhǔn)輸入與分立RC濾波器相連。在使用AD7124開始簡單測量之前，校準(zhǔn)測量系統(tǒng)（零電平和滿量程校準(zhǔn)）可最大限度降低增益和偏置誤差。

結(jié)論

通過AD7124系列等AFE，可以相對輕松地實(shí)現(xiàn)RTD溫度測量系統(tǒng)。它們提供非常好的高精度、低功耗和低噪聲組合，適用于高精度測量應(yīng)用和節(jié)能型便攜式設(shè)備。此外，這些ADC的集成度和靈活性簡化了設(shè)計(jì)架構(gòu)，有助于縮短使用不同類型傳感器的測量應(yīng)用（例如，溫度、電流、電壓等）的設(shè)計(jì)周期。

作者簡介

Thomas Brand于2015年加入德國慕尼黑的ADI公司，當(dāng)時(shí)他還在攻讀碩士。畢業(yè)后，他參加了ADI公司的培訓(xùn)生項(xiàng)目。2017年，他成為一名現(xiàn)場應(yīng)用工程師。Thomas為中歐的大型工業(yè)客戶提供支持，并專注于工業(yè)以太網(wǎng)領(lǐng)域。他畢業(yè)于德國莫斯巴赫的聯(lián)合教育大學(xué)電氣工程專業(yè)，之后在德國康斯坦茨應(yīng)用科學(xué)大學(xué)獲得國際銷售碩士學(xué)位。