適合高精度測量應用的完全集成式4線RTD溫度測量系統的簡單實現

作者：Thomas Brand，現場應用工程師 ADI公司

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

為了產生測量電壓，RTD需要激勵電流。根據RTD類型，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儀器、系統配置以及測量電路類型。根據導線數量，RTD傳感器可用于2線、3線或4線測量電路。這些不同測量電路的對比如圖1所示。

在2線測量電路中，為RTD提供激勵電流（I）的兩根導線也用于測量傳感器電壓。由于傳感器電阻很低，即使是較低的導線電阻，RL也會產生相對較高的測量不精確性。在3線或4線測量系統中，由于傳感器激勵通過單獨的導線發生，并且傳感器的測量導線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的測量導線?？赏ㄟ^將電壓放大盡可能靠近信號源或RTD來降低噪聲。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線測量配置示例。

圖1. 2線、3線和4線測量對比

圖2.使用AD7124進行4線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AIN0提供。激勵電流同時流過基準電阻RREF1，作為精密電阻工作，然后會導致通過基準引腳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有影響。由于ADC的有源內部模擬緩沖器，RREF2會產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開始簡單測量之前，校準測量系統（零電平和滿量程校準）可最大限度降低增益和偏置誤差。

結論

通過AD7124系列等AFE，可以相對輕松地實現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化了設計架構，有助于縮短使用不同類型傳感器的測量應用（例如，溫度、電流、電壓等）的設計周期。

作者簡介

Thomas Brand于2015年加入德國慕尼黑的ADI公司，當時他還在攻讀碩士。畢業后，他參加了ADI公司的培訓生項目。2017年，他成為一名現場應用工程師。Thomas為中歐的大型工業客戶提供支持，并專注于工業以太網領域。他畢業于德國莫斯巴赫的聯合教育大學電氣工程專業，之后在德國康斯坦茨應用科學大學獲得國際銷售碩士學位。