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從醫療保健、儀器儀表、HVAC 和汽車(chē)應用到物聯(lián)網(wǎng) (IoT)，溫度是現實(shí)世界中使用最廣泛的傳感參數。在許多應用中，以適當的準確度、精度和可重復性平衡來(lái)了解溫度對許多應用來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。電阻溫度檢測器 (RTD) 是一種廣泛選用的溫度傳感器，這是一種精密的金屬元件，通常由純鉑或近乎純鉑制成�；阢K的傳感器具有完全詳細的、可重復的和特征化的電阻-溫度傳遞函數，因此 RTD 廣泛用于科學(xué)和儀器應用中。 然而，要想充分發(fā)揮這種看似簡(jiǎn)單的雙端傳感器的性能潛力，設計人員必須了解各種激勵方法以及電阻測量方法，以便確定溫度。此外，許多應用需要多個(gè) RTD，因此連接方法和關(guān)聯(lián)電路也必須符合應用。 設計人員需要的是 RTD 專(zhuān)用元器件，以處理和克服 RTD 固有的特性。本文展示了如何利用德州儀器、Maxim Integrated和Analog Devices的IC以及Microchip Technology的評估板來(lái)簡(jiǎn)化其應用。 RTD 傳感器的工作原理 與熱敏電阻有些類(lèi)似，RTD 的工作原理看似簡(jiǎn)單，其實(shí)不然。RTD 是鉑絲或薄膜，有時(shí)還添加了銠等其他貴金屬，其具有已知的標稱(chēng)電阻，并且電阻作為溫度的函數隨溫度呈正向變化（即正溫度系數或 PTC）。RTD 可以制造成許多不同的標稱(chēng)電阻值，最常見(jiàn)的是 Pt100 和 Pt1000（有時(shí)寫(xiě)成 PT100 和 PT1000），在 0⁰C 下的標稱(chēng)電阻分別為 100 Ω 和 1000 Ω。 這種傳感器的常用構造方法包括將鉑絲繞在玻璃或陶瓷骨架上，或使用鉑薄膜制造（圖 1）。由于鉑溫度傳感器的廣泛應用和可互換性需求，國際標準 DIN EN 60751 (2008) 詳細定義了鉑溫度傳感器的電氣特性。該標準包含電阻-溫度表格、容差、曲線(xiàn)和溫度范圍。 
圖 1：這些 RTD 使用（從左到右）薄膜、玻璃和陶瓷制造技術(shù)。（圖片來(lái)源：WIKA Alexander Wiegand SE & Co. KG） 標準鉑 RTD 的工作溫度范圍為 -200⁰C 至 +800⁰C。RTD 的關(guān)鍵屬性包括高穩定性、可重復性和精度，前提是它們由電流或電壓源適當激勵，電阻使用合適的模擬前端 (AFE) 電路，以?xún)蓚�(gè)端子間的電壓來(lái)測量，其中電壓讀數經(jīng)過(guò)線(xiàn)性化以實(shí)現最高的精度。 RTD 的電阻會(huì )隨溫度發(fā)生相當大的變化，這使得 RTD 更適合用于高精度測量。對于標準 Pt100 器件，電阻會(huì )從 -200⁰C 時(shí)的約 25 Ω 變?yōu)?+800⁰C 時(shí)的約 +375 Ω。在 0°C 和 +100°C 之間，平均斜率稱(chēng)為 alpha (α) 或溫度系數，其值取決于鉑中的雜質(zhì)及雜質(zhì)含量。最廣泛使用的兩個(gè) alpha 值是 0.00385055 和 0.00392。 RTD 的具體型號有數千種，來(lái)源眾多。例如 Vishay Beyschlag 的 PTS060301B100RP100，這是一款 100 Ω 鉑 RTD，基本精度為 ±0.3%，溫度系數為 ±3850 ppm/°C，采用 0603 SMT 封裝。該傳感器屬于 100 Ω、500 Ω 和 1000 Ω PTS 系列無(wú)鉛 SMT RTD，分別采用 0603、0805 和 1206 封裝。這些器件使用沉積在高級陶瓷基底上的一層均勻鉑膜制成，并通過(guò)調節來(lái)達到正確的溫度系數和穩定性。傳感器元件由保護涂層覆蓋，可提供電氣、機械和氣候保護，并符合所有相關(guān)的 IEC 和 DIN 性能和合規性標準。采用 0603 封裝的 100 Ω 器件尺寸小，因此在自然通風(fēng)條件下的響應非�？�，不到 2 秒即可達到最終電阻值的 90% 以?xún)取?br /> RTD 線(xiàn)性化 RTD 相當線(xiàn)性，但仍有一個(gè)單調的曲線(xiàn)偏差。對于需要一度或幾度精度的應用，由于偏差很小，因此可能不必對 RTD 傳遞函數進(jìn)行線(xiàn)性化（圖 2）。例如，在 -20⁰C 和 +120⁰C 之間，差值小于 ±0.4⁰C。
圖 2：Pt100 RTD 電阻與溫度的關(guān)系，顯示 0°C 至 +100°C 的直線(xiàn)逼近。(圖片源：Maxim Integrated) 不過(guò)，RTD 通常用于需要精度達到十分之一度或更高的精密應用中，從而需要線(xiàn)性化。線(xiàn)性化可通過(guò)軟件中的計算或查找表來(lái)實(shí)現。為實(shí)現高度精確的線(xiàn)性化，可使用 Callendar-Van Dusen 公式：
其中 T = 溫度 (°C)；R(T) = T 下的電阻；R0 = T = 0°C 時(shí)的電阻；A、B 和 C 是 RTD 特定常數。 對于 α = 0.00385055，DIN RTD 標準將 Callendar-Van Dusen 系數值 A、B 和 C 定義為： A = 3.90830 x 10-3， B = -5.77500 x 10-7，以及 從 -200°C 到 0°C，C = -4.18301 x 10-12 ；從 0°C 到 +850°C，C = 0（這樣做的好處是將多項式簡(jiǎn)化為更簡(jiǎn)單的二階方程。） RTD 連接 作為無(wú)源雙端子電阻器，RTD 接口激勵和感應電路在原理上很簡(jiǎn)單，激勵源可以是電壓，也可以是電流。在最基本的電壓源形式中，RTD 引線(xiàn)連接到激勵源，同時(shí)還串聯(lián)一個(gè)通常與該 RTD 具有相同標稱(chēng)值的已知穩定電阻器 (RREF)（圖 3）。這形成了一個(gè)標準分壓器電路。其中會(huì )測量 RTD 和串聯(lián)電阻器兩端的電壓，然后使用簡(jiǎn)單的分壓器計算來(lái)得出 RTD 電阻。通過(guò)測量已知電阻器兩端的電壓以及 RTD 兩端的電壓，可以提高精度。
圖 3：這種簡(jiǎn)化的 RTD 信號調節電路使用 RTD 與一個(gè)已知的基準電阻器 (RREF) 和一個(gè)電流源串聯(lián)；通過(guò)測量 RTD 兩端的電壓以及基準電阻器兩端的電壓，來(lái)計算 RTD 電阻。(圖片源：Maxim Integrated) 這種配置雖然簡(jiǎn)單，但有許多潛在的不準確性來(lái)源，包括電源電壓變化、基準電阻溫度系數、連接引線(xiàn)的阻抗 (IR) 壓降，甚至銅連接引線(xiàn)的溫度系數（約為 +0.4%/˚C）。為了部分克服這些誤差源，通常以比率計式惠斯通電橋配置使用 RTD。 不過(guò)，電橋和電壓激勵方法仍然存在缺陷。比率計式結構（例如電橋）本身就具有眾所周知的非線(xiàn)性關(guān)系，這與任何電橋元件的非線(xiàn)性無(wú)關(guān)。因此，必須在校正 RTD 元件非線(xiàn)性的計算中考慮該關(guān)系，但這會(huì )使算法復雜化并增加處理負載。 由于這些和其他原因，RTD 幾乎總是搭配電流源使用。這樣可以完全控制激勵情況，并提供機會(huì )更直接地補償連接引線(xiàn)中的電壓降和溫度相關(guān)變化。根據應用及 RTD 與 AFE 之間的距離，設計人員可以使用兩線(xiàn)、三線(xiàn)、四線(xiàn)或帶回路的四線(xiàn)連接（圖 4）。
圖 4：RTD 和 AFE 之間的互連可以使用兩線(xiàn)、三線(xiàn)或四線(xiàn)；后者可以是成對的四線(xiàn)連接，也可以是用于兩線(xiàn)的單獨回路。（圖片來(lái)源：Texas Instruments） 兩線(xiàn)連接最簡(jiǎn)單、體積最小且成本最低。但是，只有當連接 Pt100 RTD 和 AFE 電路的導線(xiàn)具有非常低的電阻，低于幾毫歐 (mΩ) 時(shí)，它才適用于獲取精確的結果。在這種情況下，導線(xiàn)電阻與 RTD 電阻相比毫不起眼。通常，這將距離限制為約 25 厘米 (cm)，但這也取決于這些導線(xiàn)的線(xiàn)規。由于物理安裝配置和限制，這些導線(xiàn)往往較細。當然，可以使用計算來(lái)校正電壓降。但是，這增加了復雜性，尤其是當引線(xiàn)電阻受溫度影響時(shí)。 對于更長(cháng)到約 30 米 (m) 內的距離，可使用三線(xiàn)方法。在這種配置中，電路通過(guò)開(kāi)爾文連接監測電流回路的一側，測量回路電阻中的電壓降，然后對此壓降進(jìn)行補償。此方法假定非開(kāi)爾文引線(xiàn)中的壓降與開(kāi)爾文引線(xiàn)側的壓降相同。 四線(xiàn)方法使用完整的開(kāi)爾文檢測來(lái)監視 RTD 電流回路的兩側。無(wú)論兩條電流源導線(xiàn)之間的差異如何，此方法都可以精確地消除引線(xiàn)電阻的影響。它的使用距離可達數百米，但材料和線(xiàn)材體積影響最大。 最后，帶回路的四線(xiàn)方法讓設計人員能夠選擇如何測量回路中的損耗�；芈愤B接線(xiàn)的電阻可以作為簡(jiǎn)單的電阻來(lái)測量，且獨立于實(shí)際 RTD 回路之外，同時(shí)假設兩條額外的引線(xiàn)與 RTD 引線(xiàn)完全相同。這種方法在安裝和計算方面似乎比直接開(kāi)爾文配置更令人頭疼，但在有些實(shí)際情況下，很難在 RTD 處提供常規的開(kāi)爾文連接。然而，這種配置在現代安裝中并不經(jīng)常使用，因為經(jīng)過(guò)適當的設置和校準，四線(xiàn)甚至三線(xiàn)方法就可以提供相當的結果。 請注意，選擇使用兩線(xiàn)、三線(xiàn)或四線(xiàn)連接與 RTD 無(wú)關(guān)，只要有空間并可以進(jìn)行必要的物理連接，選擇任何連接都可以與任何 RTD 一起使用。但是，在物理尺寸較小的設置中，線(xiàn)束的質(zhì)量可能會(huì )引入熱漂移和其他熱時(shí)間常數。一般而言，讓感測配置的熱質(zhì)量相對于被感測質(zhì)量盡可能小，這是一種很好的做法。 與連接引線(xiàn)和信號完整性有關(guān)的問(wèn)題不僅僅限于基本的 DC 電阻。噪聲往往是一個(gè)令人擔憂(yōu)的問(wèn)題，盡管與大多數噪聲信號相比，溫度是變化相對緩慢的現象，但如果噪聲正好發(fā)生在 RTD 上的電壓被采樣或轉換時(shí)，其仍然會(huì )破壞 AFE 處的信號。在極端情況下，噪聲會(huì )使前端飽和，并使其“失明”幾毫秒 (ms)，直到脫離飽和狀態(tài)。 由于這個(gè)和其他原因，如果 RTD 的感測引線(xiàn)長(cháng)度大于一米左右，就應該采用相同的對地阻抗進(jìn)行平衡（有時(shí)稱(chēng)為縱向平衡）。原因是這些并聯(lián)引線(xiàn)可能會(huì )具有共模電壓 (CMV) 和噪聲，但是 AFE 的差分前端會(huì )將這些拒之門(mén)外。然而，如果引線(xiàn)是不平衡的，則電路會(huì )將一些共模信號轉換為不平衡信號，這些信號不會(huì )被 AFE 的差分輸入拒絕。 Pt100 與 Pt1000 RTD 選擇 由于最常見(jiàn)的 RTD 在 0°C 時(shí)具有 100 Ω 或 1000 Ω 電阻，因此如何在它們之間進(jìn)行選擇就是一個(gè)顯而易見(jiàn)的問(wèn)題。與往常一樣，我們需要進(jìn)行權衡，并且沒(méi)有唯一的“正確”答案，因為這取決于應用的具體情況。請注意，對于 Pt100 和 Pt1000 RTD，特性曲線(xiàn)的線(xiàn)性、工作溫度范圍和響應時(shí)間都是相同或幾乎相同，并且它們的電阻溫度系數也相同。 Pt100 RTD 的標稱(chēng)電阻較低，因此如前所述，只能采用兩線(xiàn)配置用于短距離應用，因為引線(xiàn)電阻相對于 RTD 會(huì )很明顯。相比之下，引線(xiàn)電阻相對于 Pt1000 電阻就要小得多，這使得 Pt1000 更適合較長(cháng)的兩線(xiàn)應用。 由于 Pt1000 RTD 的電阻更高，因此根據歐姆定律 (V = IR)，要在其兩端產(chǎn)生給定電壓，所需的激勵電流更小。在 0⁰C 下，適度的 1 mA 電流將產(chǎn)生 1 V 的壓降，并且隨著(zhù)溫度升高，電壓會(huì )從該值開(kāi)始增加。 不過(guò)，由于 RTD 電壓可能會(huì )在較高溫度下超出 AFE 前端的范圍，因此可能會(huì )產(chǎn)生較高電壓的不良后果。另外，電流源需要有足夠的順從電壓，以激勵固定值的電流通過(guò)電阻。例如，1 mA 電流通過(guò) 1000 Ω 電阻，就要求電流源的順從電壓略高于 1 V，但是隨著(zhù) RTD 發(fā)熱及其電阻增加，所需的順從電壓也會(huì )成比例地增加。因此，高電阻 RTD 電流源可能需要更高的電壓軌以確保足夠的順從電壓。 在給定壓降下，Pt1000 所需的電流較低，這會(huì )帶來(lái)了兩個(gè)好處。首先，需要的功率更小，這可以增加電池續航時(shí)間。其次，RTD 的自發(fā)熱減少，這對讀數的精度有很大影響。正確的工程實(shí)踐是使用一個(gè)能最大程度上減少傳感器自發(fā)熱的激勵電流水平，這與在 RTD 兩端產(chǎn)生足夠的壓降，從而獲得足夠的分辨率相一致。 這并不意味著(zhù) Pt100 RTD 的地位很低。實(shí)際上，由于歷史遺留原因，它在工業(yè)上得到了廣泛的應用，其中引線(xiàn)長(cháng)度、低功耗運行和自發(fā)熱不是主要的應用因素。作為低阻抗回路，Pt100 RTD 裝置對噪聲拾取的敏感性也比 Pt1000 RTD 低得多，后者固有的回路阻抗要高十倍。 此外，除了電氣方面，還有機械方面的考慮。Pt100 傳感器提供物理屬性不同的繞線(xiàn)式和薄膜式兩種結構，而 Pt1000 RTD 一般只提供薄膜式器件。 請注意，對于更高精度的應用，可能需要采取其他措施來(lái)最小化 RTD 自發(fā)熱誤差。一種方法是讓電流以脈沖方式通過(guò) RTD，然后測量脈沖周期期間的電壓。脈沖的工作周期越短，自發(fā)熱誤差越小。但是，這種方法還需要一個(gè)稍微更復雜的接口，以正確管理脈沖時(shí)序和工作周期，以及將電壓讀數與脈沖同步。 IC 簡(jiǎn)化 RTD 接口 與其他基于電阻器的溫度檢測元器件一樣，RTD 看起來(lái)很簡(jiǎn)單，使用起來(lái)也應如此。畢竟，它是一個(gè)雙端子電阻器，在溫度檢測這個(gè)相對緩慢的領(lǐng)域中沒(méi)有嚴重的寄生效應。但是，與熱敏電阻和許多其他基本傳感器一樣，我們看到這種傳感器的用戶(hù)需要考慮一系列問(wèn)題，包括激勵、線(xiàn)性化、校準、引線(xiàn)補償等；當使用多個(gè) RTD 時(shí)，復雜性還會(huì )增加，而情況常常如此。 為了解決與 RTD 連接相關(guān)的問(wèn)題，IC 供應商開(kāi)發(fā)了應用特定的 IC，便于簡(jiǎn)化前端面向 RTD 的模擬側以及調節后的輸出上的連接，甚至還進(jìn)一步包括一個(gè)與處理器兼容的完整數字接口。例如，對于基本的 RTD 連接，Texas Instruments 的 OPA317IDBVT 運算放大器采用專(zhuān)有的自動(dòng)校準技術(shù)，可同時(shí)提供低失調電壓（典型值為 20 μV，最大值為 90 μV）、時(shí)間和溫度變化范圍內的近零漂移，以及近零偏置電流。因此，該運算放大器不會(huì )對 RTD“增加負載”或造成影響，而是“隱形”且一致的。該運算放大器采用 1.8 V（±0.9 V）至 5.5 V（±2.75 V）的單端或雙極電源供電，最大靜態(tài)電流為 35 μA，因而非常適合電池供電的應用。 該運算放大器的特性之一是，它可以配置為處理非常近地的信號，“冷”RTD 同樣如此，即在低電流水平下運行，從而兩端具有低電壓。相比之下，當輸入和輸出信號接近 0 V（接近單電源運算放大器的輸出擺幅下限）時(shí)，許多單電源運算放大器會(huì )遇到問(wèn)題。雖然一個(gè)好的單電源運算放大器可能會(huì )擺動(dòng)至接近單電源接地，但可能不會(huì )真正達到接地。通過(guò)添加另一個(gè)電阻器和額外一個(gè)比運算放大器的負電源更負的電源，可以使 OPA317IDBVT 的輸出在單電壓電源上擺動(dòng)至接地或略低一點(diǎn)（圖 5）。在輸出和額外的負電源之間添加一個(gè)下拉電阻，可將輸出降低至本來(lái)可達到的值以下。
圖 5：通過(guò)添加一個(gè)下拉電阻 (RP) 和一個(gè)額外的負電源，OPA317IDBVT 可以處理接近地電位的信號。（圖片來(lái)源：Texas Instruments） Maxim Integrated 的 MAX31865 不僅僅是模擬接口運算放大器，還是一款易于使用的電阻轉數字轉換器，并且針對 Pt100 和 Pt1000 RTD 進(jìn)行了優(yōu)化（圖 6）。該 IC 采用微型 20 引腳 TQFN 和 SOIC 封裝，可配置為兩線(xiàn)、三線(xiàn)和四線(xiàn) RTD 接口，同時(shí)在處理器側提供 SPI 兼容接口。
圖 6：Maxim Integrated 的 MAX31865 RTD 轉數字轉換器包括模擬接口、數字化儀，以及適用于兩線(xiàn)、三線(xiàn)和四線(xiàn) RTD 的 SPI 輸出。(圖片源：Maxim Integrated) 單個(gè)外部電阻可設置所用 RTD 的靈敏度，而精密的 15 位三角積分 ADC 可將 RTD 電阻與基準電阻之比轉換為數字形式，在所有工作條件和極端條件下的標稱(chēng)溫度分辨率為 0.03125⁰C，精度為 0.5⁰C。 許多溫度測量應用都需要使用多個(gè) RTD 以及其他溫度傳感器，來(lái)構成完整的測試裝置。對于這些應用，Analog Devices 的 LTC2983 傳感器轉數字高精度數字溫度測量系統 IC 支持多種傳感器和選件。該器件可處理多達 20 個(gè)傳感器通道，這些通道可以是兩線(xiàn)、三線(xiàn)和四線(xiàn) RTD、熱電偶、熱敏電阻，甚至二極管的混合通道（圖 7）。該 IC 可根據特定類(lèi)型的傳感器和所需的激勵進(jìn)行編程，然后為這些傳感器提供內置的標準系數；它還支持用戶(hù)指定的自定義系數。
圖 7：Analog Devices 的 LTC2983 有 20 個(gè)通用輸入，可按需要在熱電偶，兩線(xiàn)、三線(xiàn)或四線(xiàn) RTD、熱敏電阻和用作溫度傳感器的二極管之間混用。（圖片來(lái)源：Analog Devices） 該器件通過(guò) SPI 接口提供單位為 °C 或 °F 的數字結果，精度為 0.1°C，分辨率為 0.001°C。它采用 2.85 V 至 5.25 V 的單電源供電，并包括適合每種溫度傳感器的激勵電流源和故障檢測電路，以及適用于任何熱電偶的冷端補償 (CJC)。 團隊若希望針對 RTD 數據采集設計創(chuàng )建量身定制的完整電路，但又不希望“全部重來(lái)”，可選用 Microchip Technology 推出的 TMPSNS-RTD1 Pt100 RTD 評估板。該評估板支持兩個(gè) RTD，允許用戶(hù)配置關(guān)鍵工作參數，包括 RTD 電流（圖 8）。
圖 8：Microchip Technology 的 TMPSNS-RTD1 Pt100 RTD 評估板支持兩個(gè) RTD，并讓用戶(hù)能夠配置關(guān)鍵工作參數。（圖片來(lái)源：Microchip Technology） 此評估板框圖顯示了如何逐個(gè)功能建立完整的 RTD 接口通道，以便用戶(hù)可以了解電路，然后根據需要進(jìn)行調整（圖 9）。該評估板有一個(gè)內部 RTD，并且還可以連接一個(gè)外部?jì)删�(xiàn)、三線(xiàn)或四線(xiàn) Pt100 RTD，以及一個(gè)低電流電流源，以最大程度地降低自發(fā)熱。RTD 兩端的電壓可使用 MCP6S26 可編程增益放大器 (PGA) 進(jìn)行放大。該 PGA 可提高 RTD 電壓，還允許用戶(hù)對放大器增益進(jìn)行數字編程，并擴大傳感器輸出范圍。此外，差分放大器驅動(dòng)一個(gè) 12 位差分模數轉換器 (ADC)。最后，微控制器使用 SPI 接口讀取轉換器輸出數據，并通過(guò) USB 接口將其發(fā)送至主機 PC。
圖 9：此 TMPSNS-RTD1 Pt100 RTD 評估板框圖顯示了從 RTD 激勵/感測經(jīng)由 SPI 接口的 AFE 及相關(guān)信號路徑。（圖片來(lái)源：Microchip Technology） 相關(guān)的用戶(hù)指南包括完整的安裝和設置信息，以及基于 PC 的直觀(guān)圖形用戶(hù)界面 (GUI) 的分步說(shuō)明。該 GUI 允許用戶(hù)設置參數，例如采樣數、采樣率、PGA 增益、內部 RTD 電流和外部電流（圖 10）。
圖 10：通過(guò)應用提供的基于 PC 的 GUI，TMPSNS-RTD1 Pt100 RTD 評估板的用戶(hù)可以調整關(guān)鍵工作點(diǎn)，并評估由此獲得的性能。（圖片來(lái)源：Microchip Technology） 為了完善文檔，用戶(hù)指南包括完整的詳細物料清單 (BOM)、原理圖、頂層和底層印刷電路板布局，以及絲印。 結語(yǔ) 溫度測量是一項基本功能，而 RTD 是此應用中一種常見(jiàn)的、廣泛使用的傳感器，即使正確使用方法可能看似復雜。不過(guò)，當使用適當的電路進(jìn)行激勵和檢測時(shí)，它能夠在寬溫度范圍內提供高精度和可重復性。與任何高性能傳感器一樣，必須了解器件特性才能獲得最佳性能。如上所述，使用不同功能集成水平的 IC，用戶(hù)可構建基于 RTD 的系統，杜絕意外并提供優(yōu)異的性能。 來(lái)源：Digi-Key 作者：Bill Schweber |
