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全集成式4线RTD温度测量系统应用解析

对于各种各样的产品,制造过程需要高度精确和可靠的温度测量技术。通常通过与传感器直接接触来测量温度,例如通过将传感器浸入到液体中或通过与机器的表面接触来测量温度。除热敏电阻和热电偶之外,由于其快速响应时间和高达几百?V/°C的出色灵敏度,电阻温度检测器(RTD)尤其适用。它们也可用于–200°C至+800°C超宽范围内的测量,且具有近线性行为。RTD提供多种版本,例如2线、3线或4线版本,且具有高度应用灵活性。

为了产生测量电压,RTD需要激励电流。根据RTD类型,电压电平从几十到几百mV不等。测量系统的精度不仅取决于温度传感器,还取决于选择合适的测量仪器、系统配置以及测量电路类型。根据导线数量,RTD传感器可用于2线、3线或4线测量电路。这些不同测量电路的对比如图1所示。

在2线测量电路中,为RTD提供激励电流(I)的两根导线也用于测量传感器电压。由于传感器电阻很低,即使是较低的导线电阻,RL也会产生相对较高的测量不精确性。在3线或4线测量系统中,由于传感器激励通过单独的导线发生,并且传感器的测量导线直接放置在通常具有高阻抗的测量器件输入端上,可最大限度降低此误差。

遗憾的是,由于RTD上的压降较低,信号非常容易受到噪声的影响。因此,应尽可能避免使用较长的测量导线。可通过将电压放大尽可能靠近信号源或RTD来降低噪声。此外,具有良好信噪比(SNR)的敏感型模数转换器(ADC)适用于进一步的数据处理。ADI公司的∑-Δ ADC,如AD7124系列,提供一款完成集成的24位、低噪声模拟前端(AFE),非常适合高精度测量应用。输入可以选择性地配置为差分输入或单端/伪差分输入。AD7124系列还集成了数字滤波器和可编程放大器级,使其非常适合低压应用。图2所示电路为使用AD7124的4线测量配置示例。

 

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图1. 2线、3线和4线测量对比

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图2.使用AD7124进行4线RTD温度测量配置

AD7124上的模拟引脚AIN2和AIN3配置为差分输入且用于测量RTD电压。RTD激励电流从模拟电源电压AVDD汲取,并通过AIN0提供。激励电流同时流过基准电阻RREF1,作为精密电阻工作,然后会导致通过基准引脚REFIN1(+)和REFIN1(–)检测到的压降。所造成的压降与RTD上的压降成正比。此比率式配置确保激励电流的变化对系统总体精度没有影响。由于ADC的有源内部模拟缓冲器,RREF2会产生正常运行所需的失调电压。在模数转换之前,需要缓冲器对读数进行滤波,从而提供抗混叠特性并降低噪声。或者,也可以将所有模拟输入和基准输入与分立RC滤波器相连。在使用AD7124开始简单测量之前,校准测量系统(零电平和满量程校准)可最大限度降低增益和偏置误差。

结论

通过AD7124系列等AFE,可以相对轻松地实现RTD温度测量系统。它们提供非常好的高精度、低功耗和低噪声组合,适用于高精度测量应用和节能型便携式设备。此外,这些ADC的集成度和灵活性简化了设计架构,有助于缩短使用不同类型传感器的测量应用(例如,温度、电流、电压等)的设计周期。

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