Dự án Cảm biến Nhiệt độ: Cảm biến Nhiệt độ Điện trở (RTD)

Đây là phần thứ tư trong loạt bài nơi chúng tôi xem xét tất cả các loại cảm biến nhiệt độ chính mà bạn có thể sử dụng trong một dự án điện tử. Chúng tôi đang xem xét các cách khác nhau để triển khai những cảm biến khác nhau trong một thiết kế. Cuối loạt bài, chúng tôi sẽ đưa các cảm biến và cách triển khai vào một cuộc thi đối đầu dưới điều kiện thực tế. Việc thử nghiệm thực tế này sẽ giúp chúng tôi hiểu rõ hơn về cách các cảm biến khác nhau phản ứng và thích ứng với điều kiện thay đổi, cũng như độ tuyến tính và chính xác của chúng trong việc cảm nhận nhiệt độ.

Như với các dự án của tôi, bạn có thể tìm thấy các tệp thiết kế cho dự án này được phát hành dưới giấy phép mã nguồn mở MIT trên GitHub. Bạn có tự do sử dụng mạch hoặc dự án theo ý muốn, kể cả cho các dự án thương mại. Bạn sẽ tìm thấy chi tiết về các Cảm biến Nhiệt độ Điện trở mà chúng tôi thảo luận, cùng với một loạt các Cảm biến Nhiệt độ Điện trở khác trong thư viện mã nguồn mở lớn của tôi Altium Designer Library. Bạn cũng sẽ tìm thấy chi tiết về tất cả các loại cảm biến nhiệt độ khác và một loạt các linh kiện khác nhau có trong thư viện này nữa.

Trong phần này của loạt bài, chúng ta sẽ xem xét về Cảm biến Nhiệt độ Điện trở (RTD), là một trong những phần tử đo nhiệt độ chính xác nhất mà chúng ta có thể dễ dàng tiếp cận. Tôi cố ý gọi là ‘phần tử’ ở đây vì các mạch tích hợp và thiết bị Hệ thống Vi cơ điện tử (MEMS), mà chúng ta sẽ xem xét trong các bài viết sắp tới, có thể chính xác hơn và có đầu ra tuyến tính hơn. Cảm biến RTD cơ bản là một loại điện trở có giá trị thay đổi ở một tỷ lệ chính xác cao khi nhiệt độ thay đổi.

Cảm biến nhiệt độ rất quan trọng đối với nhiều ngành công nghiệp. Ngay cả trên PCB của bạn, một cảm biến nhiệt độ có thể được sử dụng để đảm bảo độ chính xác của dữ liệu nhận được từ các cảm biến khác, cũng như giúp bảo vệ bảng mạch của bạn khỏi quá nhiệt. Trong loạt bài này, chúng ta sẽ xem xét một loạt các loại cảm biến khác nhau và cách sử dụng chúng tốt nhất. Chúng ta sẽ xem xét:

• Cảm biến nhiệt độ hệ số nhiệt độ âm (NTC)
• Cảm biến nhiệt độ hệ số nhiệt độ dương (PTC)
• Cảm biến Nhiệt độ Điện trở (RTD)
• Mạch tích hợp cảm biến nhiệt độ tương tự
• Mạch tích hợp cảm biến nhiệt độ số
• Thermocouple

Trong phần giới thiệu của loạt bài về cảm biến nhiệt độ, chúng tôi đã xây dựng hai mẫu dự án, cho phép chúng tôi có một bộ kiểm tra tiêu chuẩn cho các loại cảm biến nhiệt độ khác nhau, mỗi loại với giao diện và vị trí kết nối giống nhau. Một trong những dự án này được thiết kế cho cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số, và dự án kia được thiết kế cho cảm biến nhiệt độ tương tự. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ sử dụng cả hai, sử dụng mẫu dự án kỹ thuật số cho ADC độ phân giải cao và mẫu tương tự cho tất cả các triển khai khác.

Chúng tôi sẽ xây dựng hai bảng chủ cho các thẻ cảm biến này vào cuối loạt bài, một được thiết kế để kiểm tra một thẻ đơn lẻ cho mục đích xác thực, và cái kia được thiết kế để kết nối với một chồng thẻ. Bảng chủ thứ hai này, với nhiều cảm biến được gắn trên đó, là thứ chúng tôi sẽ sử dụng khi chúng tôi đánh giá hiệu suất của tất cả các triển khai cảm biến so với nhau.

Cảm Biến Nhiệt Độ Điện Trở (RTD)

Cảm biến nhiệt độ điện trở, hay còn gọi là RTD, có cách thực hiện tương tự như một thermistor nhưng chúng thường xuyên chính xác hơn. Trong khi một thermistor với độ chính xác 1% được coi là chính xác và chấp nhận được, một cảm biến RTD với sai số 0.1% không phải là hiếm. Chi phí cho một cảm biến RTD cao hơn đáng kể so với thermistor, nhưng đó là sự đánh đổi để có được độ chính xác tốt hơn. Ngoài ra, so với các thermistor mà chúng ta đã xem xét trong bài viết về NTC Thermistor, cảm biến RTD cũng có đường cong nhiệt độ tuyến tính hơn nhiều, điều này làm cho việc sử dụng điện trở đo được trở nên đơn giản hơn để thực hiện.

Các cảm biến nhiệt độ dựa trên niken thường có nhiệt độ cảm biến tối đa thấp hơn so với các loại cảm biến làm từ platinum. Các cảm biến platinum có khả năng đo lường vượt qua điểm nóng chảy của hàn, do đó bạn thường thấy rằng đối với các ứng dụng nhiệt độ cao, chúng được lắp trên cáp sử dụng kết nối ép hoặc được tích hợp vào một thiết bị dò, thay vì chỉ là một thành phần gắn trên bề mặt. Nhiều cảm biến nhiệt độ kháng lực cũng hoạt động khá tốt ở phạm vi nhiệt độ thấp, với một lượng lớn các lựa chọn trên thị trường cho nhiệt độ hoạt động thấp hơn nhiều so với những gì bạn thường thấy trong môi trường tự nhiên. Các thành phần RTD gắn trên bề mặt thường chỉ có phạm vi nhiệt độ hoạt động tương tự như hầu hết các bộ phận gắn trên bề mặt khác (khoảng -55°C đến 175°C). Tuy nhiên, các thành phần RTD gắn chì có thể hoạt động trong phạm vi từ -200°C đến 850°C.

Khác với thermistors, mà định nghĩa điện trở tại 25°C là điện trở quy định của chúng, cảm biến RTD sử dụng điện trở tại 0°C là điện trở quy định của chúng.

Giống như với các thermistor, việc giảm dòng điện qua bộ phát hiện là rất quan trọng để đảm bảo bạn có thể đo chính xác nhiệt độ một cách chính xác, mà không ảnh hưởng đến kết quả thông qua hiệu ứng tự nhiệt. Bạn thường muốn giữ dòng điện chảy qua một RTD ở giữa 0.1 mA và 1.5 mA. RTD thường có giá trị điện trở thấp hơn nhiều so với thermistor, vì vậy dòng điện cao hơn có thể gây ra vấn đề tự nhiệt nghiêm trọng nếu không được kiểm soát. Điều này có nghĩa là bạn sẽ cần phải sử dụng một phương pháp thay thế so với việc sử dụng một bộ chia điện áp đơn giản để có thể đo chính xác.

Triển Khai Cảm Biến RTD: Bộ Chia Điện Áp

Một mạch đơn giản như bộ chia điện áp không được khuyến nghị sử dụng với cảm biến RTD. Điện trở thấp của bộ phát hiện có nghĩa là bạn sẽ trải qua hiệu ứng tự làm nóng nhỏ, điều này sẽ khiến các phép đo của bạn không chính xác, đặc biệt là khi sử dụng cảm biến 100 ohm như một cái mà chúng tôi sẽ xem xét ở đây. Chúng tôi có thể triển khai bộ chia điện áp cho các RTD 1 kiloohm mà chúng tôi đang muốn sử dụng; tuy nhiên, điều đó sẽ không thú vị lắm! Với RTD 100 ohm, chúng tôi hy vọng sẽ có thể thấy bộ chia điện áp cung cấp hiệu suất kém hơn nhiều và cho thấy tại sao sử dụng các cấu trúc thay thế là một ý tưởng tốt hơn nhiều, bất chấp độ phức tạp bổ sung của chúng. Ở 0°C, chúng ta nên mong đợi thấy khoảng 16.5 mA dòng điện chảy qua cảm biến RTD, gấp đôi so với mức tối đa lý tưởng, và tôi tò mò muốn xem điều này ảnh hưởng như thế nào đến nhiệt độ cảm nhận.

Mạch in cho việc triển khai này cơ bản như bạn mong đợi, chỉ thêm hai linh kiện so với bảng mạch mẫu dự án.

Một lần nữa, đây là một ý tưởng khá tồi cho việc triển khai RTD. Nó sẽ tự tạo ra quá nhiều nhiệt để có thể tận dụng được độ chính xác và dung sai của nó. Hãy để các bộ chia điện áp đơn giản cho các thiết bị loại thermistor.

Triển khai RTD: Cầu Wheatstone Cơ Bản

Một trong những cách chính xác nhất để đo điện trở là sử dụng một cầu Wheatstone. Cầu Wheatstone sử dụng hai chân cân bằng trong một mạch cầu để đo điện trở không biết của một điện trở trong bốn chân của cầu. Nếu điện trở không biết này là một thiết bị như cảm biến RTD, chúng ta có thể thực hiện phép đo cực kỳ chính xác về điện trở của thiết bị đó. Mạch này cung cấp một sự thay đổi điện áp khi điện trở thay đổi, cho phép một vi điều khiển hoặc thiết bị giám sát khác đo điện trở của phần tử không biết - trong trường hợp này là RTD.

Tôi đang lên kế hoạch sử dụng một vi điều khiển trên các bảng mạch chủ mà chúng tôi sẽ xây dựng sau trong loạt bài này. Các bảng mạch này sẽ có đầu vào chênh lệch và một ADC 16-bit được kết nối với những chân này. Điều này có nghĩa là chúng ta có thể kết nối cầu Wheatstone trực tiếp vào đầu vào ADC chênh lệch của vi điều khiển. Điều này sẽ không cung cấp cho chúng ta độ chính xác cao như một cầu Wheatstone được khuếch đại mà chúng ta sẽ thảo luận sau trong bài viết này. Tuy nhiên, điều này có nghĩa là chúng ta sẽ không giới thiệu bất kỳ lỗi liên quan đến khuếch đại hay độ lệch vào hệ thống, giảm yêu cầu kiểm tra và hiệu chuẩn nhà máy của thiết bị. Điều này cũng sẽ cho chúng ta cơ hội để xem đầu ra thô của một cầu Wheatstone với cảm biến RTD.

Nếu độ phân giải của đầu ra đủ cho ứng dụng, và một ADC với đầu vào chênh lệch có sẵn, đây là một cách thực hiện đơn giản. Với sự bổ sung của một bộ khuếch đại hoạt động hoặc bộ khuếch đại đo lường, điện áp đầu ra chênh lệch của cầu Wheatstone có thể được tăng lên, cung cấp một điện áp sử dụng được nhiều hơn, phù hợp hơn với độ phân giải điển hình của ADCs, và tương thích với ADCs không có đầu vào chênh lệch.

Cầu Wheatstone sẽ có điện áp bằng không qua các đầu ra khi nó được cân bằng hoàn hảo. Vì đây là một mạch cân bằng, chúng ta sẽ cần sử dụng các điện trở chính xác cao để đạt được điều này. Ngoài ra, vì nó được sử dụng như một cảm biến nhiệt độ, chúng ta cần sử dụng các điện trở hệ số nhiệt độ thấp để giảm thiểu lỗi. Tất cả các điện trở tôi đang sử dụng có độ chính xác 0.1% và hệ số nhiệt độ là 25 ppm/°C.

Đối với một RTD được thiết lập như trên, điều này có nghĩa là cầu cân bằng ở nhiệt độ 0°C, vì cả hai bên của cầu đều có cùng một điện thế ở 0°C. Ở nhiệt độ cảm biến tối đa, khoảng 150°C, chúng ta nên mong đợi thấy một sự chênh lệch điện thế khoảng 0,344 V. Ở nhiệt độ cảm biến tối thiểu là -50°C, chúng ta nên thấy một sự chênh lệch điện thế khoảng -0,106 V. Hãy nhớ rằng những giá trị điện áp này là tương đối với nhau; chúng ta thực sự không tạo ra một điện thế âm khi tham chiếu đến mặt đất. Bạn sẽ thấy rằng đây là một phạm vi điện áp rất nhỏ. Một phạm vi lớn hơn có thể đạt được bằng cách sử dụng các giá trị điện trở nhỏ hơn ở phần “trên” của cầu. Tuy nhiên, làm như vậy sẽ vượt quá lượng dòng điện mà chúng ta muốn có dòng chảy qua RTD. Việc lắp thêm một điện trở nối tiếp với nguồn cung cấp 5 V có thể khắc phục điều này bằng cách giảm tổng dòng điện chảy.

Ngay cả với sự thay đổi điện áp thấp này qua phạm vi cảm biến nhiệt độ, ADC trong NXP Kinetis mà tôi đang muốn sử dụng trên các bảng mạch chủ vẫn nên cung cấp khoảng 0,02°C bước cho độ phân giải ADC. Đây là một độ phân giải đủ cho hầu hết các ứng dụng thực tế.

Bạn có thể đã nhận thấy rằng tôi đang cung cấp nguồn cho mạch này bằng 5 V thay vì 3.3 V sạch mà chúng ta đã sử dụng cho mọi thứ khác. Sử dụng nguồn cung cấp 5 V từ cổng USB đang cung cấp nguồn cho bảng mạch giúp chúng ta có một phạm vi điện áp đầu ra rộng hơn một chút. Bởi vì cầu Wheatstone được cân bằng, bất kỳ nhiễu chế độ chung nào cũng tự động bị mạch loại bỏ, vì vậy việc có một chút nhiễu trên nguồn cung từ USB không phải là vấn đề lớn, ngay cả khi không có nhiều bộ lọc trên bo mạch.

Bạn cũng có thể đã nhận thấy rằng bo mạch này có thứ tự khác với các kênh tương tự; việc đặt những đầu ra tương tự này trên một ngăn xếp mới chỉ đơn giản là dễ dàng hơn khi chúng ta sẽ có hơn mười đầu vào tương tự cho vi điều khiển. Việc các đầu vào có thứ tự khác với thứ tự trong bài viết không tạo ra bất kỳ sự khác biệt nào.

Đối với PCB này, tôi đã đặt các thành phần điện trở khác của cầu trên phía bên kia của điểm ngắt nhiệt trên bo mạch. Tôi không mong đợi bất kỳ sự phát nhiệt nào từ các thành phần này ảnh hưởng đến nhiệt độ được cảm nhận, và nó giữ cho các bo mạch nhất quán với thành phần cảm biến nhiệt luôn nằm riêng biệt trong điểm ngắt nhiệt.

Triển khai RTD: Khuếch đại Hoạt động với Bù Lỗi

Vậy, nếu vi điều khiển của bạn không có ADC chênh lệch, hoặc có thể nó thậm chí không có ADC độ phân giải cao? Để đạt được độ chính xác đo lường cao nhất, tôi thích sử dụng bộ chuyển đổi từ analog sang số có độ phân giải 24 bit hoặc cao hơn với bộ khuếch đại có khả năng lập trình được tích hợp sẵn. Chúng ta sẽ xem xét lựa chọn này sau trong bài viết.

Trong khi cầu Wheatstone là một cách tuyệt vời để đo một điện trở không xác định, RTD vẫn có một số không tuyến tính, sẽ ảnh hưởng đến các phép đo. Có một sơ đồ thay thế, và tiết kiệm chi phí, mà chúng ta có thể sử dụng để đo điện trở của RTD và cũng tuyến tính hóa đầu ra của cảm biến để cung cấp một phép đo chính xác hơn. Trong mạch dưới đây, R4 cung cấp một điện áp kích thích chỉ dưới 1 mA cho RTD của chúng ta (R5). Để tuyến tính hóa đầu ra, R3 cung cấp một dòng kích thích tăng lên khi nhiệt độ tăng, giúp bù đắp cho bất kỳ sự không tuyến tính nào của phần tử RTD.

Các linh kiện được chọn cho sơ đồ này nhằm cung cấp một đầu ra 1.65 V tại 0°C; tuy nhiên, chúng ta sẽ kết thúc với một giá trị thực tế hơi lệch do nhu cầu phải sử dụng các linh kiện có giá trị tiêu chuẩn. Mục tiêu là cung cấp khoảng 25 mV/°C của gain, vì vậy tại phạm vi cảm biến tối đa 150°C, chúng ta đang tối đa hóa phạm vi điện áp đầu vào cho ADC của vi điều khiển bằng cách cung cấp một tín hiệu 3.3 V. Trong thực tế, chúng ta sẽ nhận được một điện áp đầu vào khoảng 3.27 V tại 150°C khi sử dụng các linh kiện thực tế.

Mạch này nên cung cấp cho chúng ta một lỗi nhiệt độ rất nhỏ trên toàn bộ phạm vi hoạt động của cảm biến.

Bộ khuếch đại hoạt động được sử dụng trong mạch này cần một nguồn cung cấp âm để có thể cảm nhận và xuất ra trong toàn bộ phạm vi nhiệt độ mà chúng tôi sẽ đo lường. Ngày nay, điện áp âm thường được coi là khá “đáng sợ” đối với các kỹ sư mới hoặc ít kinh nghiệm, nhưng thực sự chúng rất dễ tạo ra nếu bạn chỉ cần cung cấp một lượng nhỏ dòng điện, như chúng tôi làm ở đây. Trong các bài viết dự án trước, tôi đã sử dụng thiết bị TPS60403 một cách hiệu quả, và tôi sẽ sử dụng nó một lần nữa ở đây vì đó là một cách đơn giản để tạo ra điện áp âm.

Điều này mang lại cho chúng tôi một tấm mạch nhỏ gọn thực sự trông như thể nó sẽ thực hiện được điều gì đó, so với một số tấm mạch khác của chúng tôi chỉ có một vài điện trở trên đó.

Triển khai RTD: Bộ Khuếch Đại Đo Lường với Bù Tuyến Tính

Trong khi mạch ở trên là một lựa chọn xuất sắc để triển khai một RTD tuyến tính hóa với chi phí thấp, chúng ta có thể tiến xa hơn một bước với một chi phí phụ trội nhỏ. Bằng cách thay đổi bộ khuếch đại hoạt động thành một bộ khuếch đại đo lường, chúng ta có thể đệm tín hiệu đầu vào rẻ hơn so với việc thêm một bộ khuếch đại đệm vào bộ khuếch đại hoạt động. Bộ khuếch đại đo lường có trở kháng đầu vào rất cao để không làm lệch phép đo cảm biến theo bất kỳ cách định lượng nào.

Mạch của chúng tôi rất giống với thiết kế trước đó ở trên, với R3 cung cấp dòng điện bias cho RTD (R5) tăng lên khi nhiệt độ của nó tăng lên. R4 cung cấp một dòng kích thích danh nghĩa khoảng 0.9 mA, như đã đề cập trước đó, nằm trong vùng phù hợp cho một RTD.

Giống như trong cài đặt trước, chúng tôi cũng cần tạo ra một điện áp cung cấp âm cho bộ khuếch đại đo lường. Chúng tôi sẽ giữ mọi thứ đơn giản và sử dụng cùng một mạch cung cấp điện áp âm cho cài đặt này như chúng tôi đã sử dụng cho bộ khuếch đại hoạt động.

Triển khai RTD: Cầu Wheatstone Số hóa

Mạch khuếch đại được thảo luận ở trên là một cách tuyệt vời để quan sát và hiểu những gì đang xảy ra, nhưng số lượng điện trở và khuếch đại bổ sung mà chúng ta cần sẽ giới thiệu thêm lỗi và độ lệch vào phép đo của chúng ta. Một bộ khuếch đại có khả năng lập trình cho bộ chuyển đổi tương tự sang số (PGA-ADC) cơ bản là cùng một mạch đóng gói trong một gói đơn lẻ hoàn chỉnh với một ADC. Tuy nhiên, nó có lợi thế là được điều chỉnh và bù trừ tại nhà máy, cung cấp khuếch đại và chuyển đổi chính xác hơn. Bằng cách thực hiện điều này bằng chính chúng ta sử dụng nhiều linh kiện rời rạc, chúng ta kết thúc với một sự chồng chất dung sai mà, trong một thế giới lý tưởng, sẽ không đáng chú ý. Nhưng có khả năng, điều này có thể không hoàn hảo, tùy thuộc vào giá trị của các điện trở mà chúng ta kết hợp với loại khuếch đại nào.

Cầu Wheatstone số hóa cơ bản là cùng một mạch mà chúng ta đã sử dụng với việc triển khai cầu cơ bản, ngoại trừ việc tụ điện giữa các đầu ra của cầu đã được loại bỏ. Thay vào đó, sẽ có một tụ điện được lắp đặt trong phần lọc của đầu vào ADC. Cầu cũng không còn được kết nối trực tiếp với mặt đất vì ADC có một công tắc nội bộ kết nối nó với mặt đất. Điều này đảm bảo rằng tất cả các kết nối của chúng ta kết thúc tại ADC. Tôi cũng đã thêm một tụ điện giải nhiễu, C6, giữa nguồn cung cấp 5 V và mặt đất của cầu.

Tôi đang sử dụng thiết bị Texas Instruments ADS1220IPWR, đây là PGA-ADC mà tôi thường xuyên sử dụng cho cầu Wheatstone. Đây là một ADC 24-bit, cung cấp độ phân giải cao hơn nhiều so với yêu cầu của ứng dụng này. Tuy nhiên, tôi nghĩ rằng việc xem xét dữ liệu độ phân giải đầy đủ mà nó cung cấp sẽ thú vị. Mặc dù bảng dữ liệu có chứa nhiều ví dụ triển khai cho việc sử dụng kết nối hai, ba và bốn dây cho RTD, chúng tôi sẽ không sử dụng bất kỳ ví dụ nào trong số này cho ví dụ này. Với mục đích của dự án này, chúng tôi sẽ chỉ đơn giản kết nối các đầu ra vi sai của cầu Wheatstone trực tiếp vào các đầu vào. Vì các ví dụ triển khai được tài liệu hóa kỹ lưỡng trong bảng dữ liệu ADS1220, tôi không thấy có lợi ích gì trong việc tái hiện chúng ở đây. Thay vào đó, tôi quan tâm hơn đến việc hiển thị các chỉ số đọc được từ cầu Wheatstone nguyên bản để cho phép so sánh trực tiếp với các mạch đã được thảo luận trước đó. Như vậy, chúng ta có thể so sánh và đối chiếu hiệu quả của chúng.

Sơ đồ mạch của ADC khá điển hình khi kết nối với cầu Wheatstone. Chúng tôi sẽ sử dụng công tắc nội bộ để kết nối REFN1 với mặt đất, với ADC được cung cấp bởi 5 V (AVDD) và cũng được cung cấp với một nguồn tham chiếu 5 V (REFP1) nữa. Những thay đổi về nhiệt độ mà chúng tôi sẽ thực hiện với bảng mạch sẽ không bao gồm bất kỳ sự thay đổi nhiệt độ tức thì đáng kể nào hoặc biến động, vì vậy chúng tôi có thể triển khai một bộ lọc khá mạnh mẽ để loại bỏ bất kỳ tiếng ồn chung nào.

Đối với việc triển khai này, tôi đang giữ hai dòng chọn chip. Khi tôi đã sử dụng ADS1120 trước đây, tôi thấy rằng ngắt từ chân DRDY rất hữu ích để thông báo cho vi điều khiển khi nó có thể thực hiện đọc dữ liệu. Sử dụng tính năng này dễ dàng hơn nhiều so với việc liên tục kiểm tra ADC với câu hỏi tương đương “Chúng ta đã đến chưa? Chúng ta đã đến chưa?”. Chân DRDY cho phép chúng tôi lấy dữ liệu từ ADC ngay khi một quá trình chuyển đổi hoàn tất, đảm bảo rằng dấu thời gian trên dữ liệu sẽ chính xác nhất có thể. Dòng chọn chip cho chân DRDY sẽ đơn giản được kết nối với một dòng ngắt đầu vào trên vi điều khiển mà chúng tôi đang sử dụng cho thiết bị này.

Một lựa chọn rẻ hơn so với ADS1220 là dòng ADS1120, có cùng bố trí chân và chức năng nhưng chỉ có độ phân giải 16-bit. Một ADC khuếch đại 16-bit như dòng thiết bị này sẽ hơn là đủ cho các ứng dụng cảm biến nhiệt độ thông thường và sẽ vượt xa khả năng của bộ phát hiện một cách đáng kể.

Lựa chọn Khác: IC Chuyển Đổi RTD

Ngoài việc đo nhiệt độ bằng cách đọc một điện áp từ một bộ chia điện áp hoặc cầu Wheatstone, chúng ta cũng có thể sử dụng một bộ khuếch đại cảm biến nhiệt độ như những cái mà chúng ta sẽ xem xét để sử dụng với thermocouple. Những IC này sẽ cung cấp cho bạn một đầu ra nhiệt độ số thay vì một mức điện áp, và thường kết hợp tất cả các mạch khuếch đại và bù trừ mà bạn cần để cung cấp phép đo nhiệt độ chính xác nhất mà cảm biến có thể cung cấp. Chi phí của lựa chọn này có thể là một yếu tố đáng kể, nhưng chi phí sử dụng một PGA-ADC, như đã thảo luận ở trên, cũng vậy. Sử dụng một PGA-ADC cung cấp một trải nghiệm học tập và trình diễn tốt hơn cho bài viết này nên chúng ta sẽ không xem xét chi tiết về một IC chuyển đổi RTD.

Tóm Tắt

Mặc dù đã xây dựng bốn loại bảng mạch khác nhau cho phần này trong loạt bài về cảm biến nhiệt độ của chúng tôi, chúng tôi mới chỉ chạm vào một số trong nhiều cách khác nhau bạn có thể sử dụng cảm biến RTD. Với cảm biến hai, ba và bốn dây để xem xét, cũng như khả năng triển khai các sơ đồ này với cảm biến gắn trên bảng mạch, có một loạt các cách khác nhau để kết nối với một RTD. RTD là một trong những cảm biến nhiệt độ linh hoạt hơn, với độ chính xác và giá trị dung sai xuất sắc cùng phạm vi cảm biến nhiệt độ rộng lớn có sẵn với một số thiết bị.

Như tôi đã nói nhiều lần, Texas Instruments ADS1220 là một trong những ADC độ phân giải cao yêu thích của tôi. Giả sử bạn quan tâm đến việc xem một số cấu trúc khác để đo nhiệt độ sử dụng RTD. Trong trường hợp đó, tài liệu dữ liệu ADS1220 có các triển khai cho tất cả các loại dây khác nhau của một RTD, mà bạn có thể điều chỉnh cho nhu cầu ADC/khuếch đại của mình nếu thiết bị ADS1220 vượt quá ngân sách dự án của bạn.

Bạn có thể tìm thấy chi tiết của từng loại bảng mạch thử nghiệm này cùng với tất cả các cách thực hiện cảm biến nhiệt độ khác trên GitHub. Những bảng mạch này được phát hành dưới giấy phép mã nguồn mở MIT, vì vậy bạn hoàn toàn có thể tự xây dựng chúng, áp dụng các mạch của chúng vào dự án của riêng bạn hoặc sử dụng chúng theo bất kỳ cách nào bạn muốn.

Hãy chắc chắn rằng bạn xem xét các dự án khác trong loạt bài này nếu bạn quan tâm đến cảm biến nhiệt độ, vì bạn có thể tìm thấy một phương án rẻ hơn so với việc sử dụng RTD hoặc một lựa chọn khác có thể phù hợp với dự án của bạn. Cuối loạt bài này, bạn sẽ thấy một sự so sánh giữa tất cả các loại cảm biến khác nhau, vì vậy bạn có thể trực tiếp so sánh hiệu suất của các cách thực hiện cảm biến khác nhau trong các điều kiện khác nhau so với nhau.

Bạn có muốn tìm hiểu thêm về cách Altium có thể giúp bạn với thiết kế PCB tiếp theo của mình không? Nói chuyện với một chuyên gia tại Altium.