Простая реализация 4-проводного подключения датчика RTD для высокоточных измерений температуры

Журнал РАДИОЛОЦМАН, сентябрь 2019

Процессы производства широкого спектра продуктов требуют высокоточных и надежных методов измерения температуры. Температура часто измеряется путем непосредственного контакта с датчиком, например, при погружении датчика в жидкость или при контакте с поверхностью механизма. Помимо термисторов и термопар, особенно хорошо подходят для измерений резистивные датчики температуры (RTD) из-за их малого времени отклика и превосходной чувствительности, достигающей нескольких сотен мкВ/°C. Они также могут использоваться для измерения в очень широком диапазоне температур от –200 °C до +800 °C с почти линейной характеристикой. Выпускаются различные варианты RTD, например, с двумя, тремя или четырьмя проводами, что обеспечивает высокую гибкость применения.

Для генерации измерительного напряжения RTD нуждается в токе возбуждения. В зависимости от типа RTD, уровни напряжений варьируются от нескольких десятков до нескольких сотен милливольт. Точность измерительной системы зависит не только от датчиков температуры, но и от выбора подходящих средств измерения, конфигурации системы и а также типа измерительной схемы. В зависимости от количества проводов, датчики RTD могут использоваться с 2-, 3- или 4-проводными схемами измерений. Сравнение этих различных измерительных схем показано на Рисунке 1.

Рисунок 1.	Сравнение 2-, 3- и 4-проводных измерений.

В 2-проводной схеме измерений два провода, через которые на RTD подается ток возбуждения I, используются также для измерения напряжения на датчике. Из-за низкого сопротивления датчика даже сравнительно небольшие сопротивления проводов R_L создают относительно высокие погрешности измерений. В 3- или 4-проводных измерительных системах эту ошибку можно минимизировать, поскольку возбуждение датчика происходит через отдельные провода, а измерительные провода датчика размещаются непосредственно на входах измерительного устройства, которые обычно имеют высокий импеданс.

К сожалению, из-за низкого падения напряжения на RTD сигналы очень зашумлены. Следовательно, необходимо по возможности избегать длинных измерительных проводов. Снизить шумы можно путем усиления, разместив усилитель как можно ближе к источнику сигнала или RTD. Кроме того, для дальнейшей обработки данных следует использовать чувствительные аналого-цифровые преобразователи (АЦП) с хорошим отношением сиuнал/шум. Для приложений прецизионных измерений идеально подходят такие Σ-Δ АЦП, как выпускаемые Analog Devices 24-битные приборы семейства AD7124 с малошумящим аналоговым интерфейсом. Входы этих микросхем могут быть выборочно сконфигурированы как дифференциальные или несимметричные/ псевдодифференциальные. Семейство AD7124 также имеет встроенный цифровой фильтр и программируемый усилительный каскад, что делает его идеальным для низковольтных приложений. Схема на Рисунке 2, демонстрирует пример конфигурации для 4-проводного измерения с использованием AD7124.

Рисунок 2.	4-проводное подключение датчика RTD к микросхеме AD7124.

Аналоговые выводы AIN2 и AIN3 микросхемы AD7124 сконфигурированы как дифференциальные входы и измеряют напряжение RTD. Ток возбуждения RTD создается с помощью внутреннего напряжения аналогового питания AVDD и подается через AIN0. Одновременно ток возбуждения проходит через прецизионный опорный резистор R_REF1, создавая падение напряжения, используемое опорными выводами REFIN1(+) и REFIN1(–). Это падение напряжения прямо пропорционально падению напряжения на RTD. Такая логометрическая конфигурация гарантирует, что изменения тока возбуждения не влияют на общую точность системы. R_REF2 служит напряжением смещения, которое требуется для правильной работы активных внутренних аналоговых буферов АЦП. Буферы необходимы для фильтрации данных перед аналого-цифровым преобразованием, обеспечивающей сглаживание и снижение шумов. В качестве альтернативы, было бы также возможно все аналоговые и опорные входы подключить с дискретными RC-фильтрами. Калибровка измерительной системы (калибровка нуля и полной шкалы) для минимизации ошибок усиления и смещения перед началом измерений при использовании AD7124 также выполняется очень просто.

Заключение

При наличии такого аналогового интерфейса, который имеют АЦП семейства AD7124, создать систему измерения температуры на основе RTD сравнительно легко. В этих АЦП очень хорошо сочетаются высокая точность, низкое энергопотребление и низкие шумы, что необходимо для высокоточных измерений и для малопотребляющих портативных устройств. Кроме того, высокий уровень интеграции и гибкость AD7124 упрощают архитектуру конструкции и помогают сократить цикл проектирования измерительных приложений, использующих различные типов датчиков.

Материалы по теме