Проект датчика температуры: Датчики температуры сопротивления (RTD)

Это четвертая часть серии, в которой мы рассматриваем все основные типы датчиков температуры, которые вы можете использовать в электронном проекте. Мы изучаем различные способы внедрения этих датчиков в дизайн. В конце серии мы проведем сравнение датчиков и методов их реализации в реальных условиях. Это тестирование в реальных условиях позволит нам лучше понять, как различные датчики ведут себя и реагируют на изменения условий, а также насколько линейно и точно они могут измерять температуру.

Как и в моих проектах, вы можете найти файлы дизайна для этого проекта, опубликованные под открытой лицензией MIT на GitHub. Вы можете свободно использовать схемы или проект как вам угодно, даже для коммерческих проектов. Вы найдете детали о датчиках температуры сопротивления, о которых мы говорим, а также о различных других датчиках температуры сопротивления в моей огромной открытой библиотеке Altium Designer Library. Также вы найдете детали обо всех других типах датчиков температуры и огромном количестве различных компонентов, содержащихся в этой библиотеке.

В этой части серии мы рассматриваем датчики температуры сопротивления (RTD), которые являются одними из самых точных элементов измерения температуры, к которым у нас есть легкий доступ. Я намеренно использую термин «элементы», поскольку интегральные схемы и устройства микроэлектромеханических систем (MEMS), которые мы рассмотрим в предстоящих статьях, могут быть более точными и иметь более линейный выход. Датчик RTD по сути является типом резистора, значение которого изменяется с очень точной скоростью при изменении температуры.

Датчики температуры жизненно важны для многих отраслей. Даже на вашей печатной плате датчик температуры может использоваться для обеспечения точности данных, полученных от других датчиков, а также помочь защитить вашу плату от перегрева. В этой серии мы рассмотрим ряд различных типов датчиков и лучшие способы их использования. Мы будем рассматривать:

• Термисторы с отрицательным температурным коэффициентом (NTC)
• Термисторы с положительным температурным коэффициентом (PTC)
• Датчики температуры сопротивления (RTD)
• Аналоговые интегральные схемы датчиков температуры
• Цифровые интегральные схемы датчиков температуры
• Термопары

В введении к этой серии о датчиках температуры мы создали два шаблона проекта, которые позволят нам иметь стандартную тестовую установку для различных датчиков температуры, каждый с одинаковым интерфейсом и расположением разъемов. Один из этих проектов предназначен для цифровых датчиков температуры, а другой - для аналоговых датчиков температуры. В этой статье мы будем использовать оба, применяя цифровой шаблон проекта для АЦП высокого разрешения и аналоговый шаблон для всех остальных реализаций.

Мы собираемся построить две основные платы для этих карт датчиков в конце серии, одну предназначенную для тестирования одной карты для целей валидации, а другую предназначенную для подключения к стопке карт. Эту вторую основную плату, на которой установлено несколько датчиков, мы будем использовать, когда будем оценивать производительность всех реализаций датчиков друг с другом.

Датчики температуры сопротивления (RTD)

Датчики температуры сопротивления, или RTD, имеют похожее применение, что и термистор, но в целом они более точные. В то время как термистор с точностью 1% считается точным и приемлемым, датчик RTD с допуском 0,1% не является редкостью. Стоимость датчика RTD значительно выше, чем у термистора, но это компенсируется лучшей точностью. Помимо более строгих допусков RTD по сравнению с термисторами, о которых мы говорили в статье о NTC термисторах, датчик RTD также имеет гораздо более линейную температурную кривую, что делает использование измеренного сопротивления значительно проще в реализации.

Датчики температуры на основе никеля обычно имеют более низкую максимальную температуру измерения по сравнению с их платиновыми аналогами. Платиновые датчики способны измерять температуру даже выше точки плавления припоя, поэтому обычно для приложений с высокой температурой их монтируют на кабель с использованием обжимных соединений или встраивают в пробник, а не используют просто как компонент для поверхностного монтажа. Многие датчики температуры также могут работать достаточно хорошо на нижнем конце диапазона, с значительным количеством вариантов на рынке для рабочих температур значительно ниже, чем обычно можно встретить в естественной среде. Компоненты RTD для поверхностного монтажа обычно имеют диапазон рабочих температур, аналогичный большинству других компонентов для поверхностного монтажа (примерно от -55°C до 175°C). Однако компоненты RTD с выводами могут работать в диапазоне от -200°C до 850°C.

В отличие от термисторов, которые определяют сопротивление при 25°C как их номинальное сопротивление, датчики RTD используют сопротивление при 0°C как их номинальное сопротивление.

Как и в случае с термисторами, снижение тока через детектор критически важно для того, чтобы вы могли точно измерить температуру, не влияя на результат за счет эффектов самонагрева. Обычно вы хотите поддерживать ток через RTD в пределах от 0,1 мА до 1,5 мА. RTD обычно имеют гораздо более низкие значения сопротивления, чем термистор, поэтому более высокий ток может вызвать серьезную проблему самонагрева, если не контролировать. Это означает, что вам, скорее всего, придется использовать альтернативный метод вместо простого делителя напряжения для получения точного измерения.

Реализация датчика RTD: Делитель напряжения

Простая схема, такая как делитель напряжения, не рекомендуется для использования с датчиком RTD. Низкое сопротивление детектора означает, что вы столкнетесь с небольшим эффектом самонагрева, который приведет к неточности ваших измерений, особенно при использовании датчика на 100 ом, такого как тот, который мы здесь рассматриваем. Мы могли бы реализовать делитель напряжения для RTD на 1 килоом, которые мы хотим использовать; однако это не будет так весело! С RTD на 100 ом мы надеемся увидеть, что делитель напряжения покажет гораздо худшую производительность и объясним, почему использование альтернативных топологий является гораздо лучшей идеей, несмотря на их дополнительную сложность. При 0°C мы должны ожидать, что через датчик RTD будет протекать ток около 16,5 мА, вдвое больше, чем было бы идеально максимально, и мне любопытно увидеть, как это влияет на измеренную температуру.

Печатная плата для этой реализации настолько проста, как только можно ожидать, с добавлением всего лишь двух дополнительных компонентов по сравнению с шаблоном проекта.

Опять же, это довольно плохая идея для реализации RTD. Она будет генерировать слишком много тепла сама по себе, чтобы можно было использовать ее точность и допуски. Оставьте простые делители напряжения устройствам типа термистора.

Реализация RTD: Базовый мост Уитстона

Один из самых точных способов измерения сопротивления - использование моста Уитстона. Мост Уитстона использует две сбалансированные ветви в мостовой схеме для измерения неизвестного сопротивления одного резистора в одной из четырех ветвей. Если это неизвестное сопротивление является устройством, таким как датчик RTD, мы можем сделать чрезвычайно точное измерение сопротивления этого устройства. Эта схема обеспечивает изменение напряжения по мере изменения сопротивления, позволяя микроконтроллеру или другому устройству мониторинга измерять сопротивление неизвестного элемента - в данном случае RTD.

Я планирую использовать микроконтроллер на базовых платах, которые мы будем строить позже в этой серии. Они будут оснащены дифференциальными входами и 16-битным АЦП, подключенным к этим выводам. Это означает, что мы можем напрямую подключить мост Уитстона к дифференциальным входам АЦП микроконтроллера. Это не обеспечит нам такой же точности, как усиленный мост Уитстона, о котором мы поговорим позже в этой статье. Однако это также означает, что мы не внесем в систему ошибок или смещений, связанных с усилителем, что уменьшит требования к тестированию и заводской калибровке устройства. Это также даст нам возможность посмотреть на сырой выходной сигнал моста Уитстона с датчиком RTD.

Если разрешение выходного сигнала достаточно для приложения и доступен АЦП с дифференциальными входами, это простая реализация. С добавлением операционного усилителя или инструментального усилителя дифференциальное напряжение на выходе моста Уитстона может быть увеличено, обеспечивая более подходящее напряжение, которое лучше соответствует типичному разрешению АЦП и совместимо с АЦП, не имеющими дифференциальных входов.

Мост Уитстона будет иметь нулевое напряжение на выходах, когда он находится в идеальном балансе. Поскольку это сбалансированная схема, нам нужно использовать высокоточные резисторы для достижения этого. Кроме того, поскольку это используется в качестве датчика температуры, нам необходимо использовать резисторы с низким температурным коэффициентом для минимизации ошибок. Все резисторы, которые я использую, имеют допуск 0,1% и температурный коэффициент 25 ppm/°C.

Для ТСП, настроенного как описано выше, это означает, что мост сбалансирован при температуре 0°C, поскольку обе стороны моста имеют одинаковый потенциал при 0°C. При максимальной температуре сенсора, около 150°C, мы должны ожидать разность потенциалов около 0,344 В. При минимальной температуре сенсора -50°C, мы должны увидеть разность потенциалов около -0,106 В. Имейте в виду, что эти значения напряжения относительны друг к другу; на самом деле мы не создаем отрицательный потенциал напряжения по отношению к земле. Вы увидите, что это очень маленький диапазон напряжений. Больший диапазон можно было бы достичь, используя меньшие значения резисторов на «верхней» части моста. Однако, это привело бы к превышению желаемого тока, протекающего через ТСП. Установка дополнительного резистора последовательно с источником питания 5 В могла бы компенсировать это за счет снижения общего тока.

Даже с таким небольшим изменением напряжения в диапазоне измерения температуры, АЦП в NXP Kinetis, который я планирую использовать на основных платах, все равно должен обеспечивать разрешение около 0,02°C для разрешения АЦП. Это достаточное разрешение для большинства практических применений.

Вы, возможно, заметили, что я питаю эту схему 5 В, а не чистыми 3.3 В, которые мы использовали для всего остального. Использование 5 В от USB-порта, питающего плату, дает нам немного больший диапазон напряжения на выходе. Поскольку мост Уитстона сбалансирован, любой общий шум автоматически отклоняется схемой, так что наличие небольшого количества шума от USB не является большой проблемой, даже без значительной фильтрации на плате.

Вам также могло показаться, что у этой платы другой порядок аналоговых каналов; просто было легче разместить эти аналоговые выходы на новом стеке, поскольку у нас будет более десяти аналоговых входов в микроконтроллер. Не имеет значения, если входы расположены в другом порядке, чем порядок в статье.

Для этой печатной платы я разместил другие резистивные элементы моста с другой стороны теплового разрыва на плате. Я не ожидаю, что тепло, генерируемое этими компонентами, повлияет на измеряемую температуру, и это позволяет сохранить согласованность плат с компонентом измерения температуры, всегда находящимся внутри теплового разрыва.

Реализация RTD: операционный усилитель с компенсацией ошибок

Итак, что делать, если ваш микроконтроллер не имеет дифференциального АЦП или, возможно, вообще не имеет АЦП высокого разрешения? Для достижения наивысшей точности измерений я предпочитаю использовать аналого-цифровой преобразователь с разрешением 24 бита или выше с встроенным программируемым усилителем. Мы рассмотрим этот вариант позже в этой статье.

Хотя мост Уитстона является отличным способом измерения неизвестного сопротивления, термосопротивление (RTD) все же имеет некоторую нелинейность, которая повлияет на измерения. Существует альтернативная и недорогая схема, которую мы можем использовать для измерения сопротивления RTD, а также для линеаризации выходного сигнала датчика для обеспечения более точного измерения. В показанной ниже схеме R4 обеспечивает напряжение возбуждения чуть менее 1 мА на наш RTD (R5). Для линеаризации выходного сигнала R3 обеспечивает ток возбуждения, который увеличивается по мере повышения температуры, что помогает компенсировать любую нелинейность элемента RTD.

Компоненты, выбранные для этой схемы, предназначены для обеспечения выходного напряжения 1,65 В при 0°C; однако на практике мы получим значение, немного отличающееся из-за необходимости использования компонентов стандартных номиналов. Цель состоит в том, чтобы обеспечить усиление примерно 25 мВ/°C, так что при максимальном диапазоне измерения датчика 150°C мы максимизируем диапазон входного напряжения для АЦП микроконтроллера, обеспечивая сигнал 3,3 В. На практике при использовании реальных компонентов мы получим входное напряжение около 3,27 В при 150°C.

Эта схема должна обеспечить очень маленькую ошибку температуры на всем рабочем диапазоне датчика.

Операционный усилитель, используемый в этой схеме, требует отрицательного питания для возможности сенсорного восприятия и вывода в полном диапазоне температур, которые мы будем измерять. В наши дни отрицательные напряжения часто кажутся довольно "страшными" для новичков или менее опытных инженеров, но на самом деле их очень легко генерировать, если нужно обеспечить питание лишь небольшого тока, как в нашем случае. В предыдущих статьях проекта я с большим успехом использовал устройство TPS60403 и здесь тоже воспользуюсь им, поскольку это такой простой способ генерации отрицательного напряжения.

Это дает нам милую маленькую плату, которая на самом деле выглядит так, будто она собирается что-то делать, в отличие от некоторых наших других плат, на которых всего пара резисторов.

Реализация RTD: Инструментальный усилитель с линейной компенсацией

Хотя схема выше является отличным вариантом для реализации линеаризованного RTD по низкой цене, мы можем пойти еще дальше с небольшими дополнительными расходами. Заменив операционный усилитель на инструментальный усилитель, мы можем буферизовать вход дешевле, чем если бы добавили буферный усилитель к операционному усилителю. Инструментальный усилитель имеет очень высокий входное сопротивление, так что он не будет влиять на измерение датчика в какой-либо измеримой степени.

Наша схема очень похожа на предыдущий дизайн выше, при этом R3 обеспечивает ток смещения для RTD (R5), который увеличивается по мере роста его температуры. R4 обеспечивает номинальный возбуждающий ток около 0,9 мА, который, как упоминалось ранее, находится в правильной области для RTD.

Как и в предыдущей реализации, нам также необходимо генерировать отрицательное напряжение питания для инструментального усилителя. Мы оставим всё простым и используем ту же схему отрицательного напряжения питания для этой реализации, что и для операционного усилителя.

Реализация RTD: Цифровой мост Уитстона

Усиленная схема, о которой шла речь выше, является отличным способом увидеть и понять, что происходит, но количество дополнительных резисторов и усилителей, которые нам нужны, внесет дополнительные ошибки и смещения в наше измерение. Программируемый усилитель с регулируемым усилением для аналого-цифрового преобразователя (PGA-ADC) по сути представляет собой ту же схему, что и в одном корпусе, включая АЦП. Однако он имеет преимущество в виде заводской настройки и компенсации, обеспечивая более точное усиление и преобразование. Реализуя это самостоятельно с использованием множества отдельных компонентов, мы сталкиваемся с накоплением допусков, которое в идеальном мире было бы незаметно. Но потенциально это может быть несовершенным, в зависимости от того, какие значения резисторов мы используем с каким типом усилителя.

Цифровой мост Уитстона по сути является той же схемой, что и мы использовали с базовой реализацией моста, за исключением того, что разделительный конденсатор между выходами моста был убран. Вместо этого конденсатор будет установлен в фильтрующем разделе входа АЦП. Мост также больше не подключен напрямую к земле, поскольку АЦП имеет внутренний переключатель, соединяющий его с землей. Это гарантирует, что все наши соединения завершаются на АЦП. Я также добавил разделительный конденсатор, C6, между источником питания 5 В и землей моста.

Я использую устройство Texas Instruments ADS1220IPWR, которое является моим основным выбором PGA-ADC для мостов Уитстона. Это 24-битный АЦП, который обеспечивает гораздо большее разрешение, чем нам требуется для этого приложения. Однако, мне показалось интересным посмотреть на данные полного разрешения, которые он может предоставить. Хотя в техническом описании содержатся множество примеров реализации для использования двух-, трех- и четырехпроводных соединений для RTD, мы не собираемся использовать ни один из этих примеров для данного случая. Для целей этого проекта мы просто подключим дифференциальные выходы моста Уитстона напрямую к входам. Поскольку примеры реализации хорошо задокументированы в техническом описании ADS1220, я не вижу преимуществ в повторном демонстрировании их здесь. Вместо этого, меня больше интересует показать показания, исходящие непосредственно от сырого моста Уитстона, чтобы позволить прямое сравнение с ранее обсуждавшимися схемами. Таким образом, мы сможем сравнить и оценить их эффективность.

Схема АЦП довольно типична для подключения к мосту Уитстона. Мы будем использовать внутренний переключатель для подключения REFN1 к земле, при этом АЦП будет питаться от 5 В (AVDD) и также будет получать входное опорное напряжение 5 В (REFP1). Изменения температуры, через которые мы будем проводить испытания платы, не будут включать какие-либо значительные мгновенные изменения температуры или колебания, поэтому мы можем реализовать довольно агрессивный фильтр для отклонения любого общего шума.

В этой реализации я удерживаю две линии выбора микросхемы. Когда я использовал ADS1120 в прошлом, я обнаружил, что прерывание от пина DRDY очень полезно для уведомления микроконтроллера о том, когда он может произвести чтение. Использование этой функции намного проще, чем постоянный опрос АЦП с вопросами типа «Мы уже приехали? Мы уже приехали?». Пин DRDY позволяет нам производить чтение с АЦП, как только завершается преобразование, обеспечивая максимально точную временную метку данных. Линия выбора микросхемы для пина DRDY будет просто подключена к линии входа прерывания на микроконтроллере, который мы используем для этого устройства.

Более дешевой альтернативой ADS1220 является серия ADS1120, которая имеет такой же распиновку и функциональность, но обладает только 16-битным разрешением. 16-битный усиленный АЦП, как эта серия устройств, будет более чем достаточен для типичных приложений измерения температуры и значительно превзойдет возможности детектора.

Другие варианты: ИС преобразователя RTD

Помимо измерения температуры путем считывания напряжения с делителя напряжения или моста Уитстона, мы также можем использовать усилитель датчика температуры, подобный тем, на которых мы посмотрим для использования с термопарами. Эти ИС предоставят вам цифровой выход температуры, а не уровень напряжения, и обычно включают в себя всю необходимую схему усиления и компенсации, чтобы обеспечить наиболее точное измерение температуры, которое может дать датчик. Стоимость этого варианта может быть значительным фактором, как и стоимость использования PGA-АЦП, о чем говорилось выше. Использование PGA-АЦП обеспечивает лучший опыт обучения и демонстрацию для этой статьи, поэтому мы не будем подробно рассматривать ИС преобразователя RTD.

Итог

Несмотря на то, что мы собрали четыре различные печатные платы для этой части нашей серии о датчиках температуры, мы только лишь затронули некоторые из множества различных способов использования датчика RTD. С учетом датчиков с двумя, тремя и четырьмя проводами, а также возможности реализации этих схем с монтажными на плате датчиками, существует широкий спектр различных способов взаимодействия с RTD. RTD относятся к числу более универсальных датчиков температуры, доступных на рынке, с отличной точностью и допусками, а также огромным диапазоном измерения температуры, доступным у некоторых устройств.

Как я уже несколько раз говорил, Texas Instruments ADS1220 является одним из моих любимых высокоразрешающих АЦП. Предположим, вас интересуют некоторые другие топологии измерения температуры с использованием RTD. В таком случае, техническое описание ADS1220 содержит реализации для всех различных подключений RTD, которые вы могли бы адаптировать к своим потребностям в АЦП/усилении, если устройство ADS1220 выходит за рамки бюджета вашего проекта.

Вы можете найти подробности о каждой из этих тестовых плат с температурными датчиками на GitHub. Эти платы распространяются под открытой лицензией MIT, так что вы можете свободно собрать их сами, использовать их схемы в своих проектах или применять их любым другим способом, который сочтете нужным.

Обязательно посмотрите другие проекты из этой серии, если вас интересуют температурные датчики, так как вы можете найти более дешевую альтернативу использованию RTD или другой вариант, который подойдет для вашего проекта. В конце этой серии вы увидите сравнение всех типов датчиков, так что сможете напрямую сравнить, как различные реализации датчиков работают в разных условиях относительно друг друга.

Хотите узнать больше о том, как Altium может помочь вам с вашим следующим проектом печатной платы? Обратитесь к эксперту в Altium.