Введение в схемы формирования сигнала датчика RTD

В предыдущих статьях этой серии мы обсуждали основные принципы работы резистивных температурных детекторов (RTD) и то, как характеризуется их отклик. В этой статье будут обсуждаться основы различных схем формирования сигнала для приложений RTD.

Для преобразования изменений сопротивления RTD в сигнал напряжения можно использовать простой резистивный делитель напряжения. На рисунке 1 показана типичная принципиальная схема платинового термометра сопротивления. Pt1000 на рисунке обозначает платиновый термометр сопротивления с номинальным сопротивлением 1000 Ом при 0 °C.

Как и большинство резистивных датчиков, датчики RTD изменяются на относительно небольшой процент в ответ на изменения измеряемой физической величины. Учитывая это, температурный коэффициент Pt1000 составляет около 3,85 Ом/°C. Посмотрим, насколько велики изменения напряжения в узле А.

Предположим, что нам нужно измерить температуру с разрешением 0,2 °C, что может быть довольно жестким требованием. Если температура изменяется от 0 °C до 0,2 °C, сопротивление датчика увеличивается с 1000 Ом до 1000,77 Ом. Это, следовательно, изменяет напряжение узла A с 1,5 В до 1,500577 В, как рассчитано ниже:

\[V_{A}=\frac{R_{rtd}}{R_{rtd}+R_{1}}\times V_{exc}=\frac{1000.77\times3}{1000.77+1000}=1.500577V\]

Следовательно, изменение температуры на 0,2 °С меняет напряжение узла А примерно на 577 мкВ. Мы можем напрямую измерить ВА, чтобы определить значение сопротивления и температуру термометра сопротивления; однако наша измерительная система должна иметь достаточное разрешение, чтобы обнаружить изменения в пределах долей милливольта в сигнале 1,5 В. Разделив 1,5 В на минимально необходимый размер шага (577 мкВ), мы можем оценить свободный от шумов счет аналого-цифрового преобразователя, который дает:

\[Noise\,Free\,Counts=\frac{1.5V}{577 \mu V}\approx2600\,counts\]

Это соответствует разрешению без помех примерно log2(2600) = 11,34 бит. Обратите внимание, что это дает нам лишь приблизительное значение разрешения АЦП. Фактические требования более строгие и зависят от диапазона температур, для которого предназначен термометр. Кроме того, мы смоделировали РДТ с постоянным температурным коэффициентом 3,85 Ом/°C, тогда как РДТ на самом деле являются нелинейными устройствами.

Бесшумное разрешение в 11 бит может быть легко достигнуто с помощью современных дельта-сигма-преобразователей (ΔΣ). Таким образом, мы можем использовать схему на рисунке 1 вместе с ΔΣ-преобразователем для непосредственного оцифровки напряжения на RTD.

Однако несколько десятилетий назад такие высокопроизводительные преобразователи данных не были доступны или экономичны; и разработчики схем использовали такие методы, как мостовые схемы Уитстона для измерений RTD. Хотя мостовые схемы по-прежнему широко используются в других областях, например, в приложениях для измерения силы и давления, они редко используются для измерений RTD. Несмотря на это, для полноты картины ниже мы кратко обсудим, как мостовая схема может снизить требования к аналого-цифровому преобразователю (АЦП).

Базовый мост Уитстона для измерения Pt1000 показан на рисунке 2.

Выходное напряжение представляет собой разность напряжений между двумя ветвями. Фактически, мостовая схема меняет несимметричное измерение с простой ветви делителя напряжения на дифференциальное измерение. В этом случае выходное напряжение равно 0 В, когда мост сбалансирован (при 0 °C). Если температура увеличивается на 0,2 °C, выходное напряжение увеличивается до 577 мкВ, как рассчитано ниже:

\[V_{OUT}=V_{A}-V_{B}=\frac{1000.77\times3}{1000.77+1000}-\frac{1000\times3}{1000+1000}=577\мю В\]

В этом случае полезный сигнал, отражающий изменения сопротивления RTD, не находится поверх сильного сигнала постоянного тока. Выходные данные содержат только тот сигнал, который мы хотим измерить. Для определения бесшумового разрешения АЦП следует рассмотреть максимальное и минимальное значения VOUT во всем температурном диапазоне термометра. Предположим, что нам нужно измерить диапазон от -40 °C до 150 °C. В этом температурном диапазоне сопротивление RTD изменяется от 842,47 Ом до 1573,25 Ом. Мы можем использовать эту информацию для определения максимального и минимального значения VOUT, рассчитанного в таблице 1 ниже: