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适合高精度测量应用的完全集成式4线RTD温度测量系统的简单实现
2019-12-30 13:50:57
来源:
Thomas Brand,现场应用工程师 ADI公司
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µV/°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。
图1. 2线、3线和4线
测量
对比
图2.使用AD7124进行4线RTD温度
测量
配置
AD7124上的模拟引脚
AI
N2和
AI
N3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
AI
N0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。
作者简介
Thomas Brand于2015年加入德国慕尼黑的ADI公司,当时他还在攻读硕士。毕业后,他参加了ADI公司的培训生项目。2017年,他成为一名现场应用工程师。Thomas为中欧的大型工业客户提供支持,并专注于工业以太网领域。他毕业于德国莫斯巴赫的联合教育大学电气工程专业,之后在德国康斯坦茨应用科学大学获得国际销售硕士学位。
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