优化 RTD 温度传感系统：挑战

这个由三部分组成的系列文章讨论了设计基于电阻温度检测器 (RTD) 的温度测量系统的历史和设计挑战。它还涵盖了 RTD 选择和配置权衡。最后，详细介绍了 RTD 系统优化和评估。

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，高精度和精密度都非常重要。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被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结合。

以高精度和良好稳定性进行温度测量的主要挑战包括：

电流和电压选择。RTD 传感器是一种无源器件，其自身不产生电输出。激励电流或电压用于通过使小电流通过传感器以产生电压来测量传感器的电阻。
是否使用 2 线、3 线或 4 线传感器。
调节 RTD 信号。
调整上述变量，以便在其规格范围内使用转换器或其他构建块。
连接系统中的多个 RTD，确定不同传感器之间共享哪些块，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。
热电阻概述

对于 RTD，传感器的电阻以精确定义的方式随温度变化。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

热电阻类型材料范围
Pt100, Pt1000 铂金（数值为 0°C 时的电阻） –200°C 至 +850°C
Pt200, Pt500 铂金（数值为 0°C 时的电阻） –200°C 至 +850°C
Cu10, Cu100 铜（数字为 0°C 时的电阻） –100°C 至 +260°C
镍120 镍（数值为 0°C 时的电阻） –80°C 至 +260°C
最常见的 Pt100 RTD 可以采用两种不同的形状：绕线和薄膜。每种类型都建立在几个标准化的曲线和公差范围内。最常见的标准化曲线是 DIN 曲线。DIN 代表“Deutsches Institut für Normung”，意思是“德国标准化研究所”。该曲线定义了铂 100 Ω 传感器的电阻与温度特性、标准化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 的基极电阻开始。DIN RTD 有不同的标准公差等级。这些容差如表 2 所示，它们也适用于在低功率应用中有用的 Pt1000 RTD。

表 2. RTD 精度—A 级、B 级、1/3 DIN

传感器类型 DIN等级公差
@ 0°C 公差
@ 50°C 公差
@ 100°C
Pt100 RTD
薄膜 B级 ±0.30°C ±0.55°C ±0.80°C
Pt100 RTD
薄膜 A级 ±0.15°C ±0.25°C ±0.35°C
Pt100 RTD
绕线/薄膜
1/3 B级

±0.1°C

±0.18°C

±0.27°C

选择 RTD 传感器时，必须同时考虑 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）表示的精度随温度变化。因此，定义被测量的温度范围并考虑到任何低于或高于校准温度的温度都将具有更宽的容差和更低的精度，这一点很重要。

RTD 按其在 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，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对温度转换的近似阻力，但 Callendar-Van Dusen 方程提供了更准确的转换。

温度 t ≤ 0°C 的方程为

温度 t ≥ 0°C 的方程为

在哪里：

t 是 RTD 温度 (°C)

R RTD (t) 是温度 (t) 下的 RTD 电阻

R 0是 0°C 时的 RTD 电阻（在这种情况下，R 0 = 100 Ω） A = 3.9083 × 10 -3

B = -5.775 × 10 -7

C = −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，这会影响系统精度。市场上有三种不同的 RTD 接线配置，其中每种配置各有优缺点，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的设计中很有用（需要三个连接端子，而 4 线 RTD 需要 4 线端子）。与 2 线配置相比，3 线还具有显着的精度改进。3 线制中的引线电阻误差可以使用本文稍后介绍的不同校准技术进行补偿。

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了。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理、模数转换、线性化和校准。RTD 测量系统的典型设计由不同的阶段组成，如图 2 所示。虽然信号链看起来简单明了，但涉及到几个复杂的因素，设计人员必须考虑复杂的组件选择、连接图、误差分析和其他由于贡献块的数量较多，模拟信号调节挑战会影响整体系统板尺寸和物料清单 (BOM) 成本。从好的方面来说，ADI 的产品组合中有大量集成解决方案可用。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、

图 1：RTD 接线配置。（来源：模拟设备公司）

图 2：典型的 RTD 测量信号链块。（来源：模拟设备公司）

三种 RTD 接线配置具有将 RTD 与 ADC 接口或连接所需的不同接线技术，以及其他外部组件，以及来自 ADC 的要求，例如激励电流和灵活的多路复用器。本节涵盖对每个 RTD 配置电路设计和注意事项的更深入理解和重点。

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 Σ-Δ ADC 对模拟输入过采样，外部滤波被最小化，唯一的要求是简单的 RC 滤波器。它们在选择滤波器类型和选择输出数据速率方面提供了灵活性。内置数字滤波可用于抑制主电源操作设计中来自主电源的任何干扰。AD7124-4 / AD7124-8等 24 位高分辨率 ADC的峰峰值分辨率最大为 21.7 位。其他好处是

模拟输入的宽共模范围
参考输入的宽共模范围
能够支持比例配置
缓冲参考和模拟输入
一些 Σ-Δ ADC 是高度集成的，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
它们显着简化了 RTD 设计，同时减少了 BOM、系统成本、电路板空间和上市时间。

在本文中，AD7124-4/AD7124-8 用作 ADC。这些是具有集成 PGA、激励电流、模拟输入和参考缓冲器的低噪声、低电流精密 ADC。

比例测量

对于使用电阻式传感器（如 RTD 或热敏电阻）的系统，比率配置是一种合适且经济高效的解决方案。使用比例方法，参考电压和传感器电压来自相同的激励源。因此，激励源不需要是准确的。图 3 显示了 4 线 RTD 应用中比例配置的示例。恒定激励电流为 RTD 和精密电阻器 R REF供电，并在 R REF两端产生电压作为 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，使用比率方法允许使用噪声更大、稳定性更差的励磁电流。励磁电流优于电压励磁，因为它具有更好的抗噪性。选择激励源值时要考虑的主要因素将在本文后面讨论。

共享 IOUT/AIN 引脚

许多 RTD 系统设计人员使用具有集成多路复用器和激励电流的 sigma-delta ADC，允许多通道测量和激励电流到每个传感器的灵活路由。AD7124 等 ADC 允许单个引脚同时作为激励电流和模拟输入引脚工作（见图 4）。在 IOUT 和 AIN 之间共享引脚每个 3 线 RTD 传感器只需要两个引脚，这会增加通道数。然而，在这种配置中，抗混叠或电磁干扰 (EMI) 滤波中电阻 R 的较大值会增加 RTD 电阻值的误差，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使用专用引脚以避免 RTD 测量中可能出现的错误。
相关实战：https://www.99qibang.cn/information/3b13edcc85fe4dd18674255c56671c7b.html
https://www.99qibang.cn/information/67dc7d5f68314407ab1f15a2608c7f7c.html

优化 RTD 温度传感系统：挑战相关推荐

光格科技产品系列之分布式光纤温度传感
光格科技AT800系列分布式光纤温度传感产品采用R-OTDR技术实现温度监测和定位,是一种实时.在线.连续的温度测量系统.系统能准确探测测温点的温度,具有实时在线.测温精度高.本征安全和不受电磁干扰等 ...
欧洲麦当劳正试用RFID温度传感标签，保证食品质量
一家欧洲麦当劳正试用RFID解决方案,旨在提供制造端到消费端的新鲜食品,药物等温度敏感物品的实时温度及位置数据.该系统是由挪威公司TAG传感提供的,该温度记录仪内置了NFC HF或EPC Gen2 U ...
【学习笔记】《基于φ-OTDR的分布式扰动传感系统定位算法研究-北交-通信与信息系统-吴》重点笔记
目录一.绪论 1.1 引言 1.2 分布式光纤传感技术 1.2.1 基于瑞利散射的分布式光纤传感技术 1.2.2 基于拉曼散射的分布式光纤传感技术 1.2.3 基于布里渊散射的分布式光纤传感技术 1 ...
如何设计高精度温度传感电路
在大多数的工业用测量控制监测体系中,温度测量传感电路的设计都是一个重要的组成部分.它广泛应用于很多特定的环境控制处理计算中.一些最常见的传感器可以用于测量绝对温度或者温度变化,例如是电阻式的温度检测器 ...
morlet包络检波matlab,布里渊光纤传感系统中的信号处理的研究
布里渊光纤传感系统中的信号处理的研究2012年5月 TP247崔琳毕卫红2012年5月光学工程 TheResearchingonSignalProcessingMethodsofBrillouin ...
先滑窗后时空联合处理MATLAB,时空联合优化重建方法及系统与流程
本发明属于图像三维重建技术领域,尤其涉及一种基于扫描光场显微成像系统的时空联合优化重建方法及系统. 背景技术: 三维成像一直是显微成像研究领域中的热点前沿,对科学家探索生命奥秘.疾病机理均有重大意义. ...
美团运筹优化实战——智能配送系统阅读笔记
前言美团是运筹优化算法在实际落地中做得十分出色的公司,在之前发布的算法年货电子书中,有一篇即:美团智能配送系统的运筹优化实战.下面本文将对这篇文章阅读后,整理出一份思考笔记,记录运筹优化算法落地方案 ...
虹科方案 | 制药环境中冰箱温度记录的最佳实践——全集成温度监测系统
有效监测冰箱温度是药店.医疗中心和制药实验室的一项重要要求.保持准确的冰箱温度记录对所有储存处方药和疫苗的设施来说是必不可少的,但实现这一目标的最佳方法是什么? ● 制药机构需要在特定的温度下储存疫苗 ...
ZigBee无线温度传感网络设计
0 引言随着信息化时代的到来,ZigBee无线模块广泛应用在军事.智能家居.医疗监护环境监测和远程工业控制领域.事实证明,无论是工厂.办公楼还是家居都需要无线传感网络的支持.为了满足社会对无线传感器 ...
队内基本伺服系统与传感系统
提示:要过的开心! 目录前言一.伺服系统 1.电机 1.1交流电机 1.2直流电机 1.3重要参数 2.编码器 3.电子调速器(电调) 二.传感系统 1.激光测距仪 2.码盘 3.陀螺仪 3.激光 ...

优化 RTD 温度传感系统：挑战

优化 RTD 温度传感系统：挑战相关推荐

最新文章

热门文章