Projekt czujnika temperatury: Detektory temperatury rezystancyjne (RTD)

To jest czwarta część serii, w której przyglądamy się wszystkim głównym typom czujników temperatury, które możesz użyć w projekcie elektronicznym. Rozważamy różne sposoby implementacji tych różnych czujników w projekcie. Na końcu serii postawimy czujniki i metody ich implementacji w bezpośredniej konkurencji, używając rzeczywistych warunków. To testowanie w realnych warunkach pozwoli nam lepiej zrozumieć, jak różne czujniki zachowują się i reagują na zmieniające się warunki, jak również jak liniowo i dokładnie mogą mierzyć temperaturę.

Tak jak w przypadku moich projektów, pliki projektowe do tego projektu zostały udostępnione na licencji open-source MIT na GitHubie. Możesz swobodnie używać obwodów lub projektu, jak chcesz, nawet w projektach komercyjnych. Znajdziesz tam szczegóły dotyczące omawianych detektorów temperatury oporowych, a także szeroki zakres innych detektorów temperatury oporowych w mojej ogromnej otwartej bibliotece Altium Designer. Znajdziesz tam również szczegóły dotyczące wszystkich innych typów czujników temperatury i ogromną gamę różnych komponentów zawartych w tej bibliotece.

W tej części serii przyglądamy się detektorom temperatury oporowej (RTD), które należą do najdokładniejszych elementów pomiaru temperatury, do których mamy łatwy dostęp. Świadomie używam tutaj słowa „elementy”, ponieważ układy scalone i urządzenia mikroelektromechaniczne (MEMS), na które spojrzymy w nadchodzących artykułach, mogą być bardziej precyzyjne i mieć bardziej liniowe wyjście. Czujnik RTD to w zasadzie rodzaj rezystora, którego wartość zmienia się w bardzo precyzyjnym tempie wraz ze zmianą temperatury.

Czujniki temperatury są niezbędne w wielu branżach. Nawet na twojej płytce PCB czujnik temperatury może być używany do zapewnienia dokładności danych otrzymanych z innych czujników, jak również do ochrony twojej płytki przed przegrzaniem. W tej serii przyjrzymy się różnym typom czujników i najlepszym sposobom ich wykorzystania. Będziemy omawiać:

• Termistory o negatywnym współczynniku temperatury (NTC)
• Termistory o pozytywnym współczynniku temperatury (PTC)
• Detektory temperatury oporowej (RTD)
• Analogowe układy scalone czujników temperatury
• Cyfrowe układy scalone czujników temperatury
• Termopary

W wprowadzeniu do tej serii na temat czujników temperatury zbudowaliśmy dwa szablony projektów, które pozwolą nam na standardowe ustawienie testowe dla różnych czujników temperatury, każdy z takim samym interfejsem i rozmieszczeniem złącz. Jeden z tych projektów jest przeznaczony dla cyfrowych czujników temperatury, a drugi dla analogowych czujników temperatury. W tym artykule wykorzystamy oba, używając cyfrowego szablonu projektu dla wysokorozdzielczego przetwornika ADC oraz analogowego szablonu dla wszystkich innych implementacji.

Będziemy budować dwie płyty główne dla tych kart czujników na końcu serii, jedną zaprojektowaną do testowania pojedynczej karty w celach weryfikacyjnych, a drugą zaprojektowaną do interfejsu ze stosiem kart. Ta druga płyta główna, z wieloma zamontowanymi na niej czujnikami, będzie używana, gdy będziemy oceniać wydajność wszystkich implementacji czujników względem siebie.

Detektory Temperatury Rezystancyjne (RTD)

Detektory temperatury oporowej, zwane również RTD (od ang. Resistance Temperature Detectors), mają podobne zastosowanie do termistora, ale są generalnie bardziej dokładne. Podczas gdy termistor o dokładności 1% jest uważany za precyzyjny i akceptowalny, czujnik RTD o tolerancji 0,1% nie jest rzadkością. Koszty czujnika RTD są znacznie wyższe niż termistora, ale to jest kompromis za lepszą precyzję. Oprócz ściślejszych tolerancji RTD w porównaniu do termistorów, które omówiliśmy w artykule o termistorach NTC, czujnik RTD ma również znacznie bardziej liniową krzywą temperatury, co ułatwia wykorzystanie zmierzonego oporu.

Detektory temperatury oparte na niklu mają tendencję do posiadania niższej maksymalnej temperatury pomiaru niż ich odpowiedniki z platyny. Detektory platynowe są zdolne do pomiaru temperatury znacznie wykraczającej poza punkt topnienia cyny, dlatego często znajduje się, że w aplikacjach wysokotemperaturowych są one montowane na kablu za pomocą złącz zaciskanych lub wbudowane w urządzenie sondy, a nie tylko jako komponent montowany powierzchniowo. Wiele detektorów temperatury oporu może również dobrze funkcjonować w dolnym zakresie temperatur, z istotną ilością opcji na rynku dla temperatur pracy znacznie poniżej tego, co ogólnie znajduje się w naturalnym środowisku. Komponenty RTD montowane powierzchniowo będą zwykle miały zakres temperatur pracy podobny do większości innych części montowanych powierzchniowo (około -55°C do 175°C). Jednakże, komponenty RTD montowane na przewodach mogą pracować w zakresie od -200°C do 850°C.

W przeciwieństwie do termistorów, które określają oporność przy 25°C jako swoją oporność specyfikacyjną, czujniki RTD używają oporności przy 0°C jako swojej oporności specyfikacyjnej.

Podobnie jak w przypadku termistorów, zmniejszenie prądu przepływającego przez detektor jest kluczowe, aby móc dokładnie zmierzyć precyzyjną temperaturę, bez wpływania na wynik poprzez efekty samonagrzewania. Zazwyczaj chcesz utrzymać prąd przepływający przez RTD w zakresie od 0,1 mA do 1,5 mA. RTD zwykle mają znacznie niższe wartości oporu niż termistor, więc wyższy przepływ prądu może spowodować poważny problem z samonagrzewaniem, jeśli nie zostanie to sprawdzone. Oznacza to, że najprawdopodobniej będziesz musiał zastosować alternatywną metodę niż prosty dzielnik napięcia, aby dokonać dokładnego pomiaru.

Implementacja czujnika RTD: Dzielnik napięcia

Prosty obwód, taki jak dzielnik napięcia, nie jest zalecany do użycia z czujnikiem RTD. Niska rezystancja detektora oznacza, że doświadczysz małego efektu samonagrzewania, co spowoduje, że twoje pomiary będą niedokładne, szczególnie przy użyciu czujnika o oporze 100 omów, taki jak ten, na którym się tutaj skupimy. Moglibyśmy zaimplementować dzielnik napięcia dla RTD o oporze 1 kilooma, którego zamierzamy użyć; jednakże, to nie będzie tak zabawne! Z RTD o oporze 100 omów, mamy nadzieję, że będziemy mogli zobaczyć, jak dzielnik napięcia daje znacznie gorsze wyniki i pokazać, dlaczego używanie alternatywnych topologii jest znacznie lepszym pomysłem, pomimo ich dodatkowej złożoności. Przy 0°C, powinniśmy spodziewać się przepływu prądu przez czujnik RTD na poziomie około 16,5 mA, dwa razy więcej niż byłoby to idealne maksimum, i jestem ciekaw, jak to wpłynie na odczuwaną temperaturę.

Płytka obwodu dla tej implementacji jest tak prosta, jak można się spodziewać, z dodaniem tylko dwóch dodatkowych komponentów w porównaniu z szablonem projektu.

Ponownie, jest to dość kiepski pomysł na implementację RTD. Będzie generować zbyt dużo ciepła, aby móc wykorzystać swoją precyzję i tolerancje. Pozostaw proste dzielniki napięcia urządzeniom typu termistor.

Implementacja RTD: Podstawowy Mostek Wheatstone'a

Jednym z najdokładniejszych sposobów pomiaru rezystancji jest użycie mostka Wheatstone'a. Mostek Wheatstone'a wykorzystuje dwie zrównoważone gałęzie w obwodzie mostka do pomiaru nieznanej rezystancji jednego z rezystorów w jednej z czterech gałęzi. Jeśli ta nieznana rezystancja to urządzenie takie jak czujnik RTD, możemy dokonać niezwykle dokładnego pomiaru rezystancji tego urządzenia. Ten obwód zapewnia zmianę napięcia w miarę zmiany rezystancji, pozwalając mikrokontrolerowi lub innemu urządzeniu monitorującemu mierzyć rezystancję nieznanego elementu - w tym przypadku RTD.

Planuję użyć mikrokontrolera na płytach głównych, które będziemy budować później w tej serii. Będą one wyposażone w różnicowe wejścia oraz 16-bitowy przetwornik ADC podłączony do tych pinów. Oznacza to, że możemy bezpośrednio połączyć mostek Wheatstone'a z różnicowymi wejściami ADC mikrokontrolera. Nie zapewni to nam takiej precyzji, jak wzmocniony mostek Wheatstone'a, o którym będziemy dyskutować później w tym artykule. Jednak oznacza to również, że nie wprowadzimy do systemu żadnych błędów czy stronniczości związanych z wzmacniaczem, co zmniejsza wymagania dotyczące testowania i kalibracji fabrycznej urządzenia. Da nam to również szansę na przyjrzenie się surowemu wyjściu mostka Wheatstone'a z czujnikiem RTD.

Jeśli rozdzielczość wyjścia jest wystarczająca dla aplikacji, a dostępny jest przetwornik ADC z różnicowymi wejściami, jest to prosta implementacja. Dodanie wzmacniacza operacyjnego lub wzmacniacza instrumentalnego pozwala zwiększyć różnicowe napięcie wyjściowe mostka Wheatstone'a, zapewniając bardziej użyteczne napięcie, które jest bardziej odpowiednie dla typowej rozdzielczości przetworników ADC i kompatybilne z przetwornikami ADC, które nie mają różnicowych wejść.

Most Wheatstone'a będzie miał zero woltów na wyjściach, gdy będzie idealnie zrównoważony. Ponieważ jest to obwód zrównoważony, będziemy musieli użyć rezystorów o wysokiej precyzji, aby to osiągnąć. Ponadto, ponieważ jest to używane jako czujnik temperatury, musimy użyć rezystorów o niskim współczynniku temperaturowym, aby zminimalizować błędy. Wszystkie rezystory, których używam, mają tolerancję 0,1% i współczynnik temperaturowy 25 ppm/°C.

Dla RTD, ustawionego jak powyżej, oznacza to, że mostek jest zrównoważony przy temperaturze 0°C, ponieważ obie strony mostka mają ten sam potencjał przy 0°C. Przy maksymalnej temperaturze pomiarowej czujnika, około 150°C, powinniśmy spodziewać się różnicy potencjałów około 0,344 V. Przy minimalnej temperaturze pomiarowej -50°C, powinniśmy zobaczyć różnicę potencjałów około -0,106 V. Pamiętaj, że te wartości napięcia są względem siebie; w rzeczywistości nie tworzymy negatywnego potencjału napięcia względem ziemi. Zobaczysz, że jest to bardzo mały zakres napięć. Większy zakres można by osiągnąć, używając mniejszych wartości rezystorów na „górze” mostka. Jednakże, robiąc to przekroczymy ilość prądu, którą chcemy przepuścić przez RTD. Dopasowanie dodatkowego rezystora szeregowo z zasilaniem 5 V mogłoby temu zaradzić, redukując ogólny przepływ prądu.

Nawet przy tej niskiej zmianie napięcia w zakresie pomiaru temperatury, przetwornik ADC w NXP Kinetis, którego planuję użyć na płytach gospodarza, powinien nadal dostarczać około 0,02°C kroków dla rozdzielczości ADC. Jest to wystarczająca rozdzielczość dla większości praktycznych zastosowań.

Możesz zauważyć, że zasilam ten obwód napięciem 5 V, a nie czystym 3,3 V, którego używaliśmy do wszystkiego innego. Użycie zasilania 5 V z portu USB, który zasila płytę, daje nam trochę większy zakres napięcia na wyjściu. Ponieważ mostek Wheatstone'a jest zrównoważony, wszelkie zakłócenia wspólnego trybu są automatycznie odrzucane przez obwód, więc obecność trochę szumu na zasilaniu z USB nie jest dużym problemem, nawet bez dużego filtrowania na płycie.

Możesz również zauważyć, że ta płyta ma inną kolejność kanałów analogowych; po prostu łatwiej było umieścić te wyjścia analogowe na nowym stosie, ponieważ zamierzamy mieć więcej niż dziesięć wejść analogowych do mikrokontrolera. Nie ma znaczenia, jeśli wejścia są w innej kolejności niż kolejność w artykule.

W przypadku tej płytki PCB umieściłem inne elementy rezystancyjne mostka po drugiej stronie przerwy termicznej na płycie. Nie spodziewam się, aby ciepło generowane przez te komponenty wpływało na mierzoną temperaturę, i to utrzymuje spójność płyt z komponentem czujnika temperatury zawsze umieszczonym samodzielnie w obrębie przerwy termicznej.

Implementacja RTD: Wzmacniacz operacyjny z kompensacją błędu

Więc co, jeśli Twój mikrokontroler nie posiada różnicowego przetwornika ADC, a może nawet nie ma przetwornika ADC o wysokiej rozdzielczości? Aby uzyskać najwyższą precyzję pomiaru, wolę używać przetwornika analogowo-cyfrowego o rozdzielczości 24 bitów lub lepszej z wbudowanym programowalnym wzmacniaczem o zmiennym wzmocnieniu. Przyjrzymy się tej opcji później w tym artykule.

Chociaż mostek Wheatstone'a to fantastyczny sposób na pomiar nieznanej rezystancji, RTD nadal posiada pewną nieliniowość, która wpłynie na pomiary. Istnieje alternatywa, niskokosztowy schemat, którego możemy użyć do pomiaru rezystancji RTD oraz do zlinearyzowania wyjścia czujnika, aby zapewnić bardziej dokładny pomiar. W poniższym układzie R4 dostarcza napięcie wzbudzenia nieco poniżej 1 mA do naszego RTD (R5). Aby zlinearyzować wyjście, R3 dostarcza prąd wzbudzenia, który wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, co pomaga kompensować wszelką nieliniowość elementu RTD.

Komponenty wybrane do tego schematu mają na celu zapewnienie wyjścia 1,65 V przy 0°C; jednak w rzeczywistości otrzymamy wartość nieco odbiegającą od zamierzonej z powodu konieczności użycia komponentów o standardowych wartościach. Celem jest zapewnienie wzmocnienia około 25 mV/°C, więc przy maksymalnym zakresie pomiarowym czujnika 150°C, maksymalizujemy zakres napięcia wejściowego dla przetwornika ADC mikrokontrolera, dostarczając sygnał 3,3 V. W rzeczywistości, przy użyciu komponentów z realnego świata, otrzymamy napięcie wejściowe około 3,27 V przy 150°C.

Ten obwód powinien zapewnić nam bardzo mały błąd temperatury na całym zakresie działania czujnika.

Wzmacniacz operacyjny używany w tym obwodzie wymaga ujemnego napięcia zasilania, aby móc wykrywać i generować sygnał na pełnym zakresie temperatur, które będziemy mierzyć. Ujemne napięcia są obecnie często postrzegane jako nieco „straszne” dla nowych lub mniej doświadczonych inżynierów, ale w rzeczywistości są bardzo łatwe do wygenerowania, jeśli potrzebujesz tylko dostarczyć małą ilość prądu, jak to ma miejsce w naszym przypadku. W poprzednich artykułach projektowych używałem urządzenia TPS60403 z dużym powodzeniem i użyję go ponownie tutaj, ponieważ jest to tak prosty sposób na wygenerowanie ujemnego napięcia.

To daje nam ładną małą płytę drukowaną, która faktycznie wygląda, jakby miała coś robić, w porównaniu do niektórych naszych innych płyt, które mają na sobie tylko kilka rezystorów.

Implementacja RTD: Wzmacniacz Instrumentacyjny z Liniową Kompensacją

Chociaż powyższy obwód jest doskonałą opcją dla implementacji zlinearyzowanego RTD przy niskich kosztach, możemy pójść o krok dalej z niewielkim dodatkowym wydatkiem. Zmieniając wzmacniacz operacyjny na wzmacniacz instrumentacyjny, możemy buforować wejście taniej, niż gdybyśmy dodali wzmacniacz buforowy do wzmacniacza operacyjnego. Wzmacniacz instrumentacyjny ma bardzo wysoką impedancję wejściową, dzięki czemu nie wpłynie na pomiar czujnika w żaden mierzalny sposób.

Nasz obwód jest bardzo podobny do poprzedniego projektu powyżej, przy czym R3 dostarcza prąd polaryzacji do RTD (R5), który wzrasta wraz ze wzrostem jego temperatury. R4 zapewnia nominalny prąd wzbudzenia około 0,9 mA, co, jak wspomniano wcześniej, znajduje się w odpowiednim zakresie dla RTD.

Podobnie jak w poprzedniej implementacji, musimy również wygenerować ujemne napięcie zasilania dla wzmacniacza instrumentalnego. Uprościmy sprawę i użyjemy tego samego obwodu zasilania ujemnym napięciem dla tej implementacji, co użyliśmy dla wzmacniacza operacyjnego.

Implementacja RTD: Cyfryzowany Mostek Wheatstone'a

Wzmocniony obwód omówiony powyżej to świetny sposób, aby zobaczyć i zrozumieć, co się dzieje, ale liczba dodatkowych rezystorów i wzmacniaczy, które potrzebujemy, wprowadzi dodatkowy błąd i stronniczość do naszego pomiaru. Programowalny wzmacniacz o zmiennym wzmocnieniu dla przetwornika analogowo-cyfrowego (PGA-ADC) to w zasadzie ten sam obwód, który dostępny jest w pojedynczym opakowaniu w komplecie z ADC. Ma jednak tę przewagę, że jest fabrycznie przycięty i skompensowany, co zapewnia bardziej precyzyjne wzmocnienie i konwersję. Implementując to samodzielnie za pomocą wielu oddzielnych komponentów, kończymy z tolerancją na nakładanie się, która w idealnym świecie byłaby niezauważalna. Ale potencjalnie, to mogłoby być mniej niż doskonałe, w zależności od tego, które wartości rezystorów umieścimy z którym typem wzmacniacza.

Cyfrowo zrealizowany mostek Wheatstone'a to w zasadzie ten sam obwód, który używaliśmy przy podstawowej implementacji mostka, z tą różnicą, że kondensator rozłączający między wyjściami mostka został usunięty. Zamiast tego, kondensator zostanie zamontowany w sekcji filtrującej wejścia ADC. Mostek nie jest również już bezpośrednio połączony z ziemią, ponieważ ADC posiada wewnętrzny przełącznik łączący go z ziemią. Zapewnia to, że wszystkie nasze połączenia kończą się na ADC. Dodałem również kondensator rozłączający, C6, między zasilaniem 5 V a ziemią mostka.

Używam urządzenia Texas Instruments ADS1220IPWR, które jest moim ulubionym PGA-ADC do mostków Wheatstone'a. To 24-bitowy ADC, który zapewnia znacznie większą rozdzielczość, niż wymagamy dla tej aplikacji. Jednak pomyślałem, że interesujące byłoby przyjrzenie się pełnym danym rozdzielczości, które dostarczy. Chociaż karta katalogowa zawiera wiele przykładów implementacji dla połączeń dwu-, trzy- i czteroprzewodowych dla RTD, nie zamierzamy używać żadnego z nich w tym przykładzie. Dla celów tego projektu po prostu podłączymy różnicowe wyjścia mostka Wheatstone'a bezpośrednio do wejść. Ponieważ przykłady implementacji są dobrze udokumentowane w karcie katalogowej ADS1220, nie widzę żadnej korzyści w ponownym demonstrowaniu ich tutaj. Zamiast tego, jestem bardziej zainteresowany pokazaniem odczytów wychodzących z surowego mostka Wheatstone'a, aby umożliwić bezpośrednie porównanie z wcześniej omawianymi obwodami. W ten sposób możemy porównać i skontrastować ich skuteczność.

Schemat dla ADC jest dość typowy dla połączenia z mostkiem Wheatstone'a. Użyjemy wewnętrznego przełącznika, aby połączyć REFN1 z masą, przy czym ADC będzie zasilane 5 V (AVDD) i również będzie dostarczane z wejściem referencyjnym 5 V (REFP1). Zmiany temperatury, przez które będziemy przeprowadzać płytę, nie będą obejmować żadnych znaczących natychmiastowych zmian temperatury lub wahań, więc możemy zaimplementować dość agresywny filtr, aby odrzucić wszelkie zakłócenia wspólnego trybu.

W tej implementacji, trzymam podniesione dwie linie wyboru układu. Kiedy w przeszłości używałem ADS1120, odkryłem, że przerwanie z pinu DRDY jest bardzo użyteczne do powiadamiania mikrokontrolera, kiedy może dokonać odczytu. Użycie tej funkcji jest znacznie łatwiejsze niż ciągłe odpytywanie ADC z równoważnikiem "Czy już jesteśmy? Czy już?". Pin DRDY pozwala nam dokonać odczytu z ADC, jak tylko konwersja zostanie zakończona, zapewniając, że znacznik czasu na danych będzie jak najbardziej dokładny. Linia wyboru układu dla pinu DRDY będzie po prostu połączona z linią wejściową przerwania na mikrokontrolerze, którego używamy do tego urządzenia.

Taniej alternatywą dla ADS1220 jest seria ADS1120, która posiada taki sam układ wyprowadzeń i funkcjonalność, ale oferuje tylko rozdzielczość 16-bitową. 16-bitowy wzmacniacz ADC, taki jak ta seria urządzeń, będzie więcej niż wystarczający dla typowych aplikacji pomiaru temperatury i znacznie przewyższy możliwości detektora.

Inne opcje: Przetwornik IC RTD

Oprócz mierzenia temperatury poprzez odczyt napięcia z dzielnika napięcia lub mostka Wheatstone'a, możemy również użyć wzmacniacza czujnika temperatury, takiego jak te, które przyjrzymy się do użycia z termoparami. Te układy scalone zapewnią Ci cyfrowy odczyt temperatury, a nie poziom napięcia, i zwykle integrują całe układy wzmacniające i kompensacyjne, które są potrzebne do zapewnienia najdokładniejszego pomiaru temperatury, jaki może dostarczyć czujnik. Koszt tej opcji może być znaczącym czynnikiem, ale tak samo jest z kosztem użycia PGA-ADC, jak omówiono powyżej. Użycie PGA-ADC zapewnia lepsze doświadczenie edukacyjne i demonstracyjne dla tego artykułu, więc nie będziemy szczegółowo przyglądać się przetwornikowi IC RTD.

Podsumowanie

Pomimo zbudowania czterech różnych płyt obwodów dla tej części naszej serii o czujnikach temperatury, dotknęliśmy tylko niektórych z wielu różnych sposobów, w jakie można wykorzystać czujnik RTD. Mając do wyboru czujniki dwu-, trzy- i czteroprzewodowe, a także możliwość implementacji tych schematów z czujnikami montowanymi na płytce, istnieje szeroki zakres różnych sposobów interfejsu z RTD. RTD należą do bardziej wszechstronnych czujników temperatury dostępnych na rynku, z doskonałą precyzją i wartościami tolerancji oraz ogromnym zakresem pomiaru temperatury dostępnym w niektórych urządzeniach.

Jak już wielokrotnie mówiłem, Texas Instruments ADS1220 to jeden z moich ulubionych wysokorozdzielczych przetworników ADC. Jeśli jesteś zainteresowany zobaczeniem innych topologii pomiaru temperatury przy użyciu RTD, w takim przypadku karta katalogowa ADS1220 zawiera implementacje dla wszystkich różnych okablowań RTD, które możesz dostosować do własnych potrzeb ADC/wzmacniania, jeśli urządzenie ADS1220 jest poza budżetem twojego projektu.

Szczegóły każdej z tych płyt testowych wraz z innymi realizacjami czujników temperatury można znaleźć na GitHubie. Te płyty są udostępnione na licencji open-source MIT, więc możesz śmiało je zbudować samodzielnie, zaimplementować ich obwody w swoich własnych projektach lub użyć ich w dowolny sposób, jaki chcesz.

Upewnij się, że przyjrzysz się innym projektom z tej serii, jeśli interesują Cię czujniki temperatury, ponieważ możesz znaleźć tańszą alternatywę dla użycia RTD lub inną opcję, która może działać w Twoim projekcie. Na końcu tej serii zobaczysz porównanie między wszystkimi różnymi typami czujników, więc będziesz mógł bezpośrednio porównać, jak różne implementacje czujników sprawdzają się w różnych warunkach względem siebie.

Chcesz dowiedzieć się więcej o tym, jak Altium może pomóc Ci w następnym projekcie PCB? Porozmawiaj z ekspertem w Altium.