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

對于各種各樣的產(chǎn)品，制造過(guò)程需要高度精確和可靠的溫度測量技術(shù)。通常通過(guò)與傳感器直接接觸來(lái)測量溫度，例如通過(guò)將傳感器浸入到液體中或通過(guò)與機器的表面接觸來(lái)測量溫度。除熱敏電阻和熱電偶之外，由于其快速響應時(shí)間和高達幾百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超寬范圍內的測量，且具有近線(xiàn)性行為。RTD提供多種版本，例如2線(xiàn)、3線(xiàn)或4線(xiàn)版本，且具有高度應用靈活性。

為了產(chǎn)生測量電壓，RTD需要激勵電流。根據RTD類(lèi)型，電壓電平從幾十到幾百mV不等。測量系統的精度不僅取決于溫度傳感器，還取決于選擇合適的測量?jì)x器、系統配置以及測量電路類(lèi)型。根據導線(xiàn)數量，RTD傳感器可用于2線(xiàn)、3線(xiàn)或4線(xiàn)測量電路。這些不同測量電路的對比如圖1所示。

在2線(xiàn)測量電路中，為RTD提供激勵電流(I)的兩根導線(xiàn)也用于測量傳感器電壓。由于傳感器電阻很低，即使是較低的導線(xiàn)電阻，RL也會(huì )產(chǎn)生相對較高的測量不精確性。在3線(xiàn)或4線(xiàn)測量系統中，由于傳感器激勵通過(guò)單獨的導線(xiàn)發(fā)生，并且傳感器的測量導線(xiàn)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，信號非常容易受到噪聲的影響。因此，應盡可能避免使用較長(cháng)的測量導線(xiàn)?？赏ㄟ^(guò)將電壓放大盡可能靠近信號源或RTD來(lái)降低噪聲。此外，具有良好信噪比(SNR)的敏感型模數轉換器(ADC)適用于進(jìn)一步的數據處理。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系列還集成了數字濾波器和可編程放大器級，使其非常適合低壓應用。圖2所示電路為使用AD7124的4線(xiàn)測量配置示例。

圖1. 2線(xiàn)、3線(xiàn)和4線(xiàn)測量對比

圖2.使用AD7124進(jìn)行4線(xiàn)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激勵電流從模擬電源電壓AVDD汲取，并通過(guò)AIN0提供。激勵電流同時(shí)流過(guò)基準電阻RREF1，作為精密電阻工作，然后會(huì )導致通過(guò)基準引腳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電流的變化對系統總體精度沒(méi)有影響。由于A(yíng)DC的有源內部模擬緩沖器，RREF2會(huì )產(chǎn)生正常運行所需的失調電壓。在模數轉換之前，需要緩沖器對讀數進(jìn)行濾波，從而提供抗混疊特性并降低噪聲?；蛘?，也可以將所有模擬輸入和基準輸入與分立RC濾波器相連。在使用AD7124開(kāi)始簡(jiǎn)單測量之前，校準測量系統（零電平和滿(mǎn)量程校準）可最大限度降低增益和偏置誤差。

結論

通過(guò)AD7124系列等AFE，可以相對輕松地實(shí)現RTD溫度測量系統。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用和節能型便攜式設備。此外，這些ADC的集成度和靈活性簡(jiǎn)化了設計架構，有助于縮短使用不同類(lèi)型傳感器的測量應用（例如，溫度、電流、電壓等）的設計周期。

作者簡(jiǎn)介

Thomas Brand于2015年加入德國慕尼黑的ADI公司，當時(shí)他還在攻讀碩士。畢業(yè)后，他參加了ADI公司的培訓生項目。2017年，他成為一名現場(chǎng)應用工程師。Thomas為中歐的大型工業(yè)客戶(hù)提供支持，并專(zhuān)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(zhuān)業(yè)，之后在德國康斯坦茨應用科學(xué)大學(xué)獲得國際銷(xiāo)售碩士學(xué)位。