常见问题解答:如何在SPICE中构建铂RTD传感器模型

2023-09-19 09:11:47 来源:EETOP

简介/概述

KWIK(技术诀窍与综合知识)电路应用笔记提供应对特定设计挑战的分步指南。对于给定的一组应用电路要求,本文说明了如何利用通用公式应对这些要求,并使它们轻松扩展到其他类似的应用规格。该传感器模型支持对电阻温度检测器(RTD)的电气和物理特性进行SPICE仿真。SPICE模型使用了描述RTD(其将温度转化为电阻)物理行为特性的参数。它还提供了一个典型的激励和信号调理电路,利用该电路可演示RTD模型的行为。

RTD概述

RTD是阻性元件,其电阻随温度变化而变化。RTD的行为已为人所熟知,可用于进行精密温度测量,精度可达0.1°C以下。RTD通常由一段缠绕在陶瓷或玻璃芯周围的导线构成,但也可以由镀在衬底上的厚膜电阻构成。使用的电阻丝通常是铂,但也可以是镍或铜。PT100是一种常见的RTD,由铂制成,在0°C时电阻为100 Ω。另外还有在0°C时电阻为20050010002000 ΩRTD元件。铂RTD电阻与温度的关系由Callendar-Van Dusen (CVD)方程来描述。方程1描述了PT100 RTD0°C以下的RTD电阻,方程2描述了其在0°C以上的RTD电阻。

对于T < 0

  image.png

对于T > 0

image.png

Callendar-Van Dusen方程中的系数由IEC-60751标准定义。R0RTD0°C时的电阻。对于PT100 RTDR0100 Ω。对于IEC 60751标准PT100 RTD,系数为:

image.png

-200°C850°CPT100 RTD的电阻变化如图1所示。

image.png

1.–200°C850°CPT100 RTD电阻

设计描述

RTD模型(图2)使用LTSPICE进行仿真,但也与PSPICE兼容。利用该模型,用户可以模拟参考激励电流的传感器负载,并将信号调理电路连接到RTD。这样就可以对所有共模、差分和源阻抗效应进行仿真。该模型假设RTD电阻随温度而变化。仅对标称传感器规格进行建模。T1是模型使用的参数,表示描述RTD行为的方程中的温度。这与SPICE中使用的表示全局温度的变量temp不同。这种方法使模型能够仅演示RTD的行为,而不会影响电路中其他元器件的性能。

设计技巧/注意事项

1.使用一个电流源激励传感器模型,电流源的作用是让RTD电阻可以作为电压来测量

2.RTD传感器输出连接到用于共模、差分、满量程和精度仿真的任意高输入阻抗信号调理电路。

3.SPICE参数步进(.step param)与直流分析(.op)结合使用,从作用于传感器模型的最小温度扫描到最大温度。

设计步骤

1.运行SPICE仿真(使用扫描参数),确认RTD输出电压与给定温度的预期输出一致。请注意,Vrtd = (Vrtd+) – (Vrtd-)

2.将传感器模型连接到激励电流和信号调理电路以模拟完整应用。

设计仿真

仿真使用1mA激励电流进行-200°C850°CRTD温度扫描。表1显示了RTD输出电压的仿真值与计算值示例(使用Callendar-Van Dusen方程)。

1.仿真结果与理想结果

温度()

RTD输出电压(mV)

温度()

-200

18.520080

18.520080

0

100.000000

100.000000

850

390.481125

390.481125


image.png

2.显示RTD模型和仿真参数的原理图

image.png

3.使用PT100 SPICE RTD传感器模型和1mA激励电流的仿真电压与温度的关系图

传感器模型的典型应用电路如图4所示。Vc由对4.096V基准电压进行分压而生成,所选的Vc值应在AD8538运算放大器的直流共模范围内,当将其作用于高精度(0.1%) 3.01kΩ电阻时,产生大约1mARTD激励电流。AD8538设置的高环路增益迫使通过RTD模型的激励电流为:

image.png

两个499Ω电阻为AD8538的输入和输出引脚提供ESD保护,1nF电容用于EMIRFI滤波,2.2nF电容用于确保环路稳定性。RTD输出电压由AD8422仪表放大器进行调理,在该仪表放大器的RG端子之间放置一个2.21kΩ电阻,以将其增益设置为9.959。选择该增益值是为了将AD8422的输出电压保持在同样使用4.096V基准电压的ADC的输入范围内。AD8422输入端的电阻和电容的作用是在实际应用中对注入线缆的噪声进行差分和共模滤波。用于增益和滤波的电阻和电容值根据AD8422的数据手册进行选择。图5显示了应用电路的仿真输出电压与温度的关系图。虽然此应用电路使用2线RTD模型,但它可以轻松调整为3线或4线RTD模型,如图6所示。V1rtdV4rtd0V电压源,原理图将其包括在内,这样节点标签不会冲突(SPICE仿真工具不支持两个不同节点名称指示相同节点)。0V电压源对仿真结果没有影响(表现为短路),而且有助于使RTD模型更好地模拟RTD传感器在实际应用中的物理接线方式。同样,这些模型可针对PT200PT500PT1000PT2000 RTD进行调整,只需将原理图中的R0值设置为所需RTD的相应值(0°C时的电阻)即可。表2显示,在整个温度范围内,RTD电压都位于AD8422线性运行所需的输入范围内,并且应用电路的总输出电压位于使用4.096V基准电压的ADC的输入范围内。请注意,LT1461可用于提供此基准电压,但出于简化原理图的原因,图中未将其包括在内。

2.仿真结果与理想结果

RTD温度,T1 (°C)

V (rtd+, rtd-) (mV)

Vout (V)

-200

18.520080

0.186543

0

100.000000

1.007521

850

390.481125

3.934359


image.png

4.显示激励和信号调理电路的PT100 2线RTD应用电路

image.png

5. 2线RTD应用电路的仿真输出电压与温度的关系图

image.png

6.调整2线RTD模型以适应3线和4线RTD应用

设计器件

3.串联基准电压源

产品型号

(V)典型值

初始精度(%)最大值

温度系数
  (ppm/V)
最大值

(Vp-p)典型值

Iout拉电流
  (A)
最大值

(V)最小值/最大值

LT1461ACS8-4

4.096

0.04

3

32u

32u

50m

50m

4.06/20


4.仪表放大器

产品型号

(V)最大值

(A)最大值

(V/V)
 
最小值/最大值

带宽低增益
  (Hz)
典型值

(V/rt-Hz)典型值

Vs范围
  (V)
最小值/最大值

AD8422

60u

1n

1/1000

2.2M

8n

4.6/36

 

5.运算放大器(根据需要用于基准电压源和DAC输出缓冲器)

产品型号

Vos
  (V)
最大值

Ibias
  (A)
最大值

GBP
  (Hz)
典型值

Vnoise
  (V/rt-Hz)
典型值

Iq/放大器
  (A)
典型值

Vs范围
  (V)
最小值/最大值

AD8538

13u

25p

430k

50n

180u

2.7/5.0

 

参考资料

传感器信号调理实用设计技术

Walt Kester编辑,ADI公司,1999年,ISBN-0-916550-20-6

Education-library/practical-design-techniques-sensor- signal-conditioning.html

仪表放大器钻石图工具

钻石图工具是一个网络应用程序,可生成特定配置的输出电压范围与输入共模电压关系图,也被称为钻石图,适用于ADI仪表放大器

LTSpice®是一款高性能SPICE III仿真软件、原理图采集工具和波形查看器,集成增强功能和模型,简化了开关稳压器、线性稳压器和信号链电路的仿真。

致谢

ADI公司主要顾问:

Tim Green,精密技术与平台部线性产品小组高级应用工程师


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