Dra nytta av fördelarna med RTD-temperaturgivare utan gränssnittets komplexitet

Från tillämpningar inom vård, instrumentering, luftbehandling och fordon till Internet of Things (IoT) är temperatur den parameter i den reella världen som mäts mest, och att känna till temperaturen med rätt balans av noggrannhet, precision och repeterbarhet är avgörande i många tillämpningar. Ett vanligt val av temperaturgivare är den resistiva temperaturgivaren (RTD), ett noggrant metallelement som för det mesta tillverkas av ren eller nästan ren platina. En platinabaserad givare har en fullständigt detaljerad, repeterbar och karakteristisk överföringsfunktion för resistans kontra temperatur, så RTD används i stor utsträckning i tillämpningar inom vetenskap och instrumentering.

Men, för verkligen förstå den potentiella prestandan hos denna till synes enkla givare med två anslutningar, måste konstruktören förstå de olika sätt den kan strömförsörjas på och mäta dess resistans för att avgöra temperaturen. Många tillämpningar kräver dessutom flera RTD:er, så gränssnittets arbetssätt och de tillhörande kringkretsarna måste även motsvara tillämpningen.

Vad konstruktörer behöver är RTD-specifika komponenter som hanterar och övervinner de inbyggda egenheterna i RTD:n. Artikeln visar hur integrerade kretsar frånTexas Instruments ,Maxim Integrated, och Analog Devices, tillsammans med ett utvärderingskort frånMicrochip Technology kan användas för att förenkla deras tillämpning.

Hur RTD-givare fungerar

Funktionsprincipen för en RTD är en aning lik termistorns, och är bedrägligt enkel. Den består av en tråd eller tunn film av platina, ibland med tillsatser av andra ädla metaller såsom rodium, med en känd nominell resistans och en positiv förändring i resistans som en funktion av temperaturen (dvs. positiv temperaturkoefficient eller PTC). RTD:er kan tillverkas med många olika nominella motståndsvärden, där de vanligaste är Pt100 och Pt1000 (ibland angivet som PT100 och PT1000) med en nominell resistans på 100 ohm (Ω) respektive 1000 Ω vid 0 °C.

Vanliga konstruktionssätt för givaren innefattar lindning av platinatråden runt ett stöd av glas eller keramik, eller användning av platina vid tunnfilmstillverkning (figur 1). På grund av den utbredda användningen och behovet av utbytbarhet, definierar en internationell standard, DIN EN 60751 (2008), de detaljerade elektriska egenskaperna för temperaturgivare av platina. Standarden innehåller tabeller för resistans kontra temperatur, toleranser, kurvor och temperaturintervall.

Figur 1: Dessa RTD:er använder (från vänster till höger) tillverkningsteknikerna tunnfilm, glas och keramik. (Bildkälla: WIKA Alexander Wiegand SE & Co. KG)

Vanliga RTD:er av platina arbetar inom intervallet -200 °C till + 800 °C. Deras viktigaste egenskaper inkluderar hög stabilitet, repeterbarhet och noggrannhet, under förutsättning att de matas korrekt från en ström- eller spänningskälla, och att deras resistans mäts som en spänning över de två anslutningarna med en lämplig analog front-end krets (AFE), med linjäriserade spänningsavläsningar för högsta noggrannhet.

Resistansen i RTD:n förändras ganska drastiskt med temperaturen, vilket ökar dess lämplighet för mätning med hög precision. För en vanlig Pt100-enhet ändras motståndet från cirka 25 Ω vid -200 ⁰C till cirka +375 Ω vid + 800 ⁰C. Den genomsnittliga lutningen mellan 0 °C och + 100 °C kallas alfa (α), eller temperaturkoefficient, och dess värde beror på koncentrationen av föroreningar i platinan. De två vanligaste värdena för alfa är 0,00385055 och 0,00392.

RTD: er finns i tusentals olika modeller från många källor. Ett exempel ärPTS060301B100RP100 från Vishay Beyschlag, en RTD av platina för 100 Ω med en basnoggranhet på ± 0,3 % och en temperaturkoefficient på ± 3850 ppm/°C i en 0603 SMT-kapsling. Det är en av medlemmarna i PTS-serien med blyfria SMT RTD:er för 100 Ω, 500 Ω och 1000 Ω som levereras i 0603-, 0805- eller 1206-kapsling. Anordningarna tillverkas av en homogen film av platina som avsatts på ett högkvalitativt keramiskt substrat och behandlats för att uppnå rätt temperaturkoefficient och stabilitet. Givarelementen är täckta av ett överdrag för elektriskt skydd, mekaniskt skydd och klimatskydd och uppfyller alla relevanta IEC- och DIN-standarder för prestanda och efterlevnad. Tack vare sin lilla storlek har enheten med 100 Ω i 0603-kapslingen en snabb svarstid i fri luft på under två sekunder till inom 90 % av sitt slutliga resistansvärde.

RTD-linjärisering

RTD:er är ganska linjära men de har ändå en böjd, monoton avvikelse. För tillämpningar som behöver noggrannhet ner till en grad eller några grader, behöver man sannolikt inte linjärisera RTD-överföringsfunktionen eftersom avvikelsen är ganska liten (figur 2). Som exempel, mellan -20 °C och + 120 °C är skillnaden mindre än ± 0,4 °C.

Figur 2: resistans kontra temperatur för Pt100 RTD, visas med det raka linjära närmevärdet för 0 °C till + 100 °C. (Bildkälla: Maxim Integrated)

RTD:n används dock ofta i precisionstillämpningar som kräver noggrannhet ner till en tiondels grad eller bättre och därför behövs linjärisering. Linjärisering kan implementeras genom beräkning i program eller via en uppslagstabell. För mycket noggrann linjärisering, används ekvationen Callendar-Van Dusen:

där T = temperatur (°C); R(T) = resistans vid T; R₀ = resistans vid T = 0 °C; och A, B och C är RTD-specifika konstanter.

För α = 0,00385055 definierar DIN RTD-standarden koeffecientvärdena A, B och C för Callendar-Van Dusen som:

A = 3,90830 x 10^-3,

B = -5,77500 x 10^-7, och

C = -4,18301 x 10^-12 från -200 °C till 0 °C och C = 0 från 0 °C till + 850 °C (detta har fördelen att reducera polynomet till en enklare, andragradsekvation.)

RTD-anslutning

Som en passiv resistor med två anslutningar är RTD-gränssnittets kretsar för matning- och avkänning principellt enkla, och matningen kan vara en ström- eller spänningskälla. I den mest grundläggande formen med en spänningskälla, ansluts RTD-trådarna till källan, tillsammans med en känd stabil resistans (R_REF) som monteras i serie och vanligtvis har samma nominella värde som RTD:n (figur 3). Detta bildar en vanlig krets för spänningsdelning. Spänningen över både RTD:n och seriemotståndet mäts och enkla beräkningar för spänningsdelning kan sedan användas för att beräkna RTD-resistansen. Noggrannheten kan förbättras genom att mäta spänningen över den kända resistansen, tillsammans med spänningen över RTD:n.

Figur 3: Denna förenklade krets för RTD-signalbehandling använder RTD:n i serie med ett känt referensmotstånd (R_REF ) och en aktuell källa; spänningen över RTD mäts tillsammans med spänningen över referensmotståndet för att beräkna RTD-motståndet. (Bildkälla: Maxim Integrated)

Även om det är enkelt har denna konstruktion potentiella felkällor, inklusive förändringar i spänningskällan, referensmotståndets temperaturkoefficient, anslutningsstiftens strömresistansförlust (IR), och till och med temperaturkoefficienten för anslutningsbanorna i koppar, som är ungefär + 0,4 %/˚C. För att delvis övervinna dessa felkällor används RTD ofta istället i en konfiguration med en ratiometrisk Wheatstone-brygga.

Men, även tillvägagångssättet med en brygga och en spänningsmatning har svagheter. En ratiometrisk konstruktion såsom en brygga har ett eget välkänt icke-linjärt förhållande, oberoende av icke-linjäriteten hos något element i bryggan. Därför måste detta förhållande tas med i beräkningarna för korrigering av RTD-elementets icke-linjäritet, vilket komplicerar algoritmen och ökar belastningen vid bearbetning.

Av dessa och andra skäl används RTD nästan alltid med en strömkälla. Detta ger fullständig kontroll över matningen och ger möjlighet att mer direkt kompensera för spänningsfall och temperaturrelaterade förändringar i anslutningsledningarna. Beroende på tillämpning och avståndet mellan RTD:n och dess AFE, kan konstruktörer använda två, tre eller fyra ledare, eller en fyrledare med slinganslutningar (figur 4).

Figur 4: Sammankopplingen mellan RTD och AFE kan använda två, tre eller fyra ledningar; den senare kan vara en partvinnad fyrledare eller ha en separat slinga för två ledningar. (Bildkälla: Texas Instruments)

Anslutning med två ledare är den enklaste, minst skrymmande och minst kostsamma anslutningen. Den är dock endast lämplig för noggranna resultat när ledningarna som ansluter Pt100 RTD till AFE-kretsen har en väldigt låg resistans på under några milliohm (mΩ), och där ledningsresistansen inte blir betydande jämfört med RTD-resistansen. Detta begränsar vanligtvis avståndet till cirka 25 centimeter (cm) men är också en funktion av dessa ledares diameter, som har en tendens att vara tunna på grund av den fysiska installationen och begränsningarna. Det är givetvis möjligt att korrigera för spänningsfallet med hjälp av beräkningar. Detta ökar dock komplexiteten, särskilt om ledningens resistans påverkas av temperaturen.

För längre sträckor upp till cirka 30 meter (m) används metoden med tre ledare. Här övervakar kretsen den ena sidan av strömslingan med en Kelvin-anslutning, mäter spänningsfallet i slingans resistans och kompenserar sedan för spänningsfallet. Metoden förutsätter att spänningsfallet i ledaren utan Kelvin-anslutning är densamma som i ledningen med Kelvin-anslutning.

Strategin med fyra ledare använder en fullständig Kelvin-avkänning för att övervaka båda sidor av RTD:ns strömslinga. Detta tillvägagångssätt ger noggrannhet för att eliminera effekten av ledningens resistans, oavsett skillnaderna mellan de två ledarna från strömkällan. Den kan användas för avstånd på hundratals meter men har störst påverkan på material- och ledningsstorlek.

Slutligen ger metoden med fyra trådar och en slinga konstruktören valfrihet i hur man mäter förlusten i slingan. Resistansen i slingans anslutningsledningar kan mätas som en enkel resistans oberoende av den faktiska RTD-slingan, under förutsättning att de två extra ledningarna är identiska med RTD-ledningarna. Detta tillvägagångssätt kan tyckas ge mer huvudbry än den direkta Kelvin-konstruktionen är det gäller installation och beräkningar, men det finns praktiska fall där det är fysiskt svårt att tillhandahålla regelbundna Kelvin-anslutningar vid RTD:n. Trots det, används detta arrangemang inte så ofta i moderna installationer eftersom tillvägagångssättet med fyra ledare och till och med tre ledare kan ge jämförbara resultat med lämplig inställning och kalibrering.

Observera att valet att använda ett gränssnitt med två-, tre- eller fyra ledare är oberoende av RTD:n, och valfri RTD kan användas med alla alternativ under förutsättning att det finns utrymme och tillgänglighet för att göra de fysiska anslutningar som krävs. I fysiskt små installationer kan dock kablagets massa introducera termiska förskjutningar och ytterligare termiska tidskonstanter. Det är i allmänhet bra praxis att hålla givararrangemangets termiska massa så liten som möjligt i förhållande till den massa som avkänns.

Problem relaterade till anslutningsledningar och signalintegritet är fler än bara den grundläggande DC-resistansen. Störningar är ofta ett problem, och även om temperatur är ett fenomen som ändras relativt långsamt jämfört med de flesta störningssignaler, så kan störningar fortfarande skada signalen vid AFE om den inträffar precis när spänningen över RTD:n samplas eller omvandlas. I extrema fall kan störningar mätta front-end och "blända den" i några millisekunder (ms) tills mättnaden försvinner.

Av detta och andra skäl bör givarledningarna från RTD balanseras (ibland kallat längsgående balansering) med lika impedans till jord om de är längre än cirka en meter. Anledningen är att dessa parallella ledningar sannolikt kommer att ha en gemensam spänning (CMV) och störningar, men den differentiella fronten på AFE kan avvisa dessa. Om ledningarna är obalanserade kommer emellertid kretsen att omvandla en del av den gemensamma signalen till en obalanserad signal, som inte kommer att avvisas av AFE:ns differentiella ingång.

Val av RTD, Pt100 jämfört med Pt1000

Eftersom de vanligaste RTD:erna finns med en resistans på antingen 100 Ω eller 1000 Ω vid 0 °C, är den uppenbara frågan hur man väljer mellan dem. Som alltid finns det avvägningar och inget enskilt ”korrekt” svar, då det beror på tillämpningens specifikationer. Observera att linjäriteten för den karakteristiska kurvan, driftstemperaturområdet och svarstiden är densamma, eller nära på, för både Pt100 och Pt1000 RTD, och deras temperaturkoefficient för resistans är också densamma.

Pt100 RTD har en lägre nominell resistans, och kan därför, som nämnts tidigare, endast användas för korta avstånd i en konfiguration med två ledare eftersom ledningens resistans kommer att vara betydande jämfört med RTD. Däremot är ledningens resistans en mycket mindre del i förhållande till resistansen för Pt1000, vilket gör Pt1000 bättre lämpad för längre avstånd med två ledare.

Eftersom Pt1000 RTD har en högre resistans, säger Ohms lag (V = IR) att det krävs mindre matningsström för att utveckla en given spänning över den. En blygsam ström på 1 milliampere (mA) kommer att ge ett spänningsfall på 1 V vid 0 ⁰C, och spänningen ökar från detta värde när temperaturen stiger.

Det finns dock en potentiell oönskad konsekvens av högre spänningar, eftersom RTD-spänningen kan åsidosätta AFE:ns front-end vid högre temperaturer. Strömkällan måste dessutom ha en tillräcklig följsamhet för att mata det fasta strömvärdet genom resistansen. Som exempel, kräver 1 mA genom 1000 Ω en strömkälla med en följsamhet på strax över 1 V, men när RTD:n värms upp och dess resistans ökar, måste följsamheten ökas proportionerligt. Således kan en RTD-strömkälla med hög resistans kräva skenor för högre spänningar för att garantera en tillräckligt följsam spänning.

Den lägre ström som krävs av Pt1000 för ett givet spänningsfall ger två fördelar. För det första behövs mindre ström, vilket ökar batteriets livslängd. För det andra minskar egenuppvärmningen av RTD:n, vilket kan ha en stor inverkan på avläsningens noggrannhet. Lämplig teknisk praxis är att använda en strömmatningsnivå som minimerar givarens egenuppvärmning, för att skapa tillräckligt spänningsfall och därmed, upplösning över RTD:n.

Detta betyder inte att det finns liten plats för Pt100 RTD. Faktum är att den i stor utsträckning används inom industrin av historiska skäl, och där ledningslängd, lågeffektdrift och egenuppvärmning inte är viktiga faktorer. Som slingor med låg impedans är Pt100 RTD-installationer också mycket mindre känsliga för störningar jämfört med Pt1000 RTD, som har en inbyggd impedans i slingan som är tio gånger högre.

Det finns även mekaniska överväganden utöver de elektriska. Pt100-givare finns både som trådlindade och i tunnfilmskonstruktioner med olika fysiska attribut, medan Pt1000 RTD:er i allmänhet endast finns som tunnfilmsenheter.

Observera att för tillämpningar med högre noggrannhet, kan andra steg behövas för att minimera egenuppvärmningsfelen i RTD.Ett sätt att göra detta är att pulsera strömmen genom RTD:n och sedan mäta spänningen under pulsens period.Ju kortare pulsens arbetscykel är, desto lägre är egenuppvärmningsfelet. Detta tillvägagångssätt kräver dock även ett något mer sofistikerat gränssnitt för att hantera pulsens timing och arbetscykel på ett korrekt sätt, och för att synkronisera spänningsavläsningen med pulserna.

Integrerade kretsar förenklar RTD-gränssnittet

Som med många andra resistorbaserade temperaturavkännande komponenter ser RTD:n enkel ut, och dess användning borde också vara det. Det är ju trots allt bara en resistor med två anslutningar utan parasitiska konsekvenser i temperaturavkänningens relativt långsamma värld. Icke desto mindre, har vi på samma sätt som med termistorer och många andra grundläggande givare, sett användare av denna transducer ha en mängd problem att tänka på, inklusive matning, linjärisering, kalibrering, anslutningskompensation och mer. Situationens komplexitet ökar när mer än en RTD används, vilket ofta är fallet.

För att hantera problemen i samband med RTD-gränssnittet har leverantörer av integrerade kretsar utvecklat tillämpningsspecifika integrerade kretsar som förenklar anslutningen både på den analoga sidan av front-end mot RTD:n såväl som för den bearbetade utgången, och man har till och med gått så långt att man inkluderat ett komplett, processorkompatibelt digitalt gränssnitt. För grundläggande gränssnitt till RTD, använder operationsförstärkaren OPA317IDBVT från Texas Instruments en egen teknik för automatisk kalibrering för att samtidigt tillhandahålla en låg offsetspänning (typiskt 20 mikrovolt (μV), maximalt 90 μV), nästan noll avvikelse för tid och temperatur, och nästan noll förspänningsström. Detta medför att operationsförstärkaren inte ”belastar” eller påverkar RTD:n utan är både ”osynlig” och konsekvent. Operationsförstärkaren drivs med enkla eller dubbla strömförsörjningar från 1,8 volt (± 0,9 volt) till 5,5 volt (± 2,75 volt), och dess viloström på 35 μA (maximala) gör att den passar bra för batteridrivna applikationer.

En av operationsförstärkarens egenskaper är att den kan konfigureras att arbeta med signaler som ligger mycket nära jord, vilket är fallet för en ”kall” RTD som arbetar vid låg strömnivå och det därmed är en låg spänning över den. I motsats till det har många operationsförstärkare problem när ingångs- och utgångssignalerna närmar sig 0 V, nära den nedre pendlingsgränsen för utgången på en operationsförstärkare med en matning. Medan en bra operationsförstärkare med en strömförsörjning kan pendla nära jord, så når den faktiskt inte jord. Utgången på OPA317IDBVT kan fås att pendla till jord, eller något under, med en strömförsörjning genom att lägga till ytterligare ett motstånd och en extra, mer negativ strömförsörjning än operationsförstärkarens negativa matning (figur 5). Genom att lägga till ett pulldown-motstånd mellan utgången och den extra negativa matningen kan den dra utgången ner under det värde som utgången annars skulle klara.

Figur 5: Genom att lägga till ett pulldown-motstånd (R_P ) och ytterligare en negativ matning kan OPA317IDBVT hantera signaler som ligger nära jordpotentialen. (Bildkälla: Texas Instruments)

Bortom de operationsförstärkaren som enbart har ett analogt gränssnitt, är MAX31865 från Maxim Integrated en lättanvänd resistans till digitalomvandlare som optimerats för Pt100 och Pt1000 RTD (figur 6). Kretsen finns i små TQFN- och SOIC-kapslingar med 20 stift och kan konfigureras för RTD-gränssnitt med två, tre och fyra ledare samtidigt som den tillhandahåller ett SPI-kompatibelt gränssnitt på processorsidan.

Figur 6: MAX31865 RTD till digitalomvandlare från Maxim Integrated inkluderar det analoga gränssnittet, digitaliseraren och SPI-utgången för RTD:er med två, tre och fyra ledare. (Bildkälla: Maxim Integrated)

Ett enda externt motstånd ställer in känsligheten för den RTD som används, och en noggrann 15-bitars delta-sigma ADC omvandlar förhållandet mellan RTD-motståndet och referensmotståndet till digital form, för en nominell temperaturupplösning på 0,0312512 ⁰C och en noggrannhet på 0,5 ⁰C vid alla driftförhållanden och ytterligheter.

Många tillämpningar för temperaturmätning kräver användning av flera RTD:er, tillsammans med andra temperaturgivare, för att bestycka en testkonfiguration helt. För dessa tillämpningar, har kretsen LTC2983 från Analog Devices för digitala temperaturmätningssystem stöd för en mängd givare och alternativ. Den hanterar upp till 20 givarkanaler som kan bestå av en blandning av RTD:er med två, tre och fyra ledare, termoelement, termistorer och till och med dioder (figur 7). Kretsen kan programmeras för den specifika typen av givare och och önskad excitation, och tillhandahåller sedan inbyggda standardkoefficienter för dessa givare. Den har även stöd för anpassade, användarspecificerade koefficienter.

Figur 7: De tjugo universella ingångarna på LTC2983 från Analog Devices kan blandas efter behov bland termoelementen, RTD:er med två, tre eller fyra ledare, termistorer och dioder som används som temperaturgivare. (Bildkälla: Analog Devices)

Den tillhandahåller de digitala resultaten via ett SPI-gränssnitt i °C eller °F, med en noggrannhet på 0,1 °C och en upplösning på 0,001 °C. Den arbetar med en matning på 2,85 till 5,25 V och inkluderar strömkällor för excitation och lämpliga kretsar för feldetektering för respektive typ av temperaturgivare, likväl som kompensation för kalla övergångar (CJC) för alla termoelement.

För konstruktioner med RTD för datainsamling där teamet vill skapa en skräddarsydd komplett krets men inte ”återuppfinna hjulet”, erbjuder Microchip Technology, utvärderingskortet TMPSNS-RTD1 för Pt100 RTD. Kortet har stöd för RTD:er och möjliggör användarkonfiguration av viktiga driftsparametrar, inklusive RTD-ström (figur 8).

Figur 8: Utvärderingskortet TMPSNS-RTD1 för Pt100 RTD från Microchip Technology har stöd för två RTD:er och gör det möjligt för användaren att konfigurera viktiga driftsparametrar. (Bildkälla: Microchip Technology)

Utvärderingskortets blockdiagram visar hur den bygger upp den fullständiga RTD-gränssnittskanalen, funktion för funktion, så att användaren kan förstå kretsen och sedan anpassa den efter behov (figur 9). Kortet har en inbyggd RTD och en extern Pt100 RTD med två, tre eller fyra ledare kan också anslutas, tillsammans med en lågströmskälla för att minimera egenuppvärmningen. Spänningen över RTD:n förstärks med hjälp av den programmerbara förstärkaren MCP6S26 (PGA). Den programmerbara förstärkaren ökar RTD-spänningen och låter även användaren programmera förstärkarens förstärkning och öka sensorns uteffektintervall digitalt. Utöver det, driver en differentialförstärkare en 12-bitars differentiell analog till digitalomvandlare (ADC). Slutligen läser mikrokontrollern av omvandlarens utdata med hjälp av ett SPI-gränssnitt och detta skickas till värd-PC:n via USB-gränssnittet.

Figur 9: Blockdiagrammet för utvärderingskortet TMPSNS-RTD1 för Pt100 RTD visar AFE:n och den tillhörande signalvägen från RTD-excitation/avkänning via SPI-gränssnittet. (Bildkälla: Microchip Technology)

Den tillhörande bruksanvisningen innehåller fullständiga installations- och konfigurationsanvisningar samt steg för steg-instruktioner för det intuitiva PC-baserade grafiska användargränssnittet (GUI). Det grafiska användargränssnittet gör det möjligt för användaren att ställa in parametrar såsom antal samplingar, samplingsfrekvens, PGA-förstärkning, intern RTD-ström och extern ström (figur 10).

Figur 10: Genom att använda det medföljande PC-baserade grafiska användargränssnittet kan användare av utvärderingskortet TMPSNS-RTD1 för Pt100 RTD justera viktiga arbetspunkter och utvärdera prestandaresultat. (Bildkälla: Microchip Technology)

För att komplettera dokumentationen, innehåller bruksanvisningen en fullständigt detaljerad materiallista, ett kretsschema, kretskortslayouter och screentryck för kretskortets över- och undersida.

Slutsats

Temperaturmätning är en grundläggande funktion och RTD är en populär givare med stor användning inom denna tillämpning, även om dess korrekta användning kan vara vilseledande komplicerad. Men, när den matas och avkänns av lämplig krets, kan den ge hög precision och repeterbarhet i ett brett temperaturområde. Som med alla högeffektiva givare måste man förstå dess egenskaper för att uppnå optimal prestanda. Som visat, gör integrerade kretsar med olika nivåer av funktionsintegration det möjligt för användare att bygga RTD-baserade system med en minimal mängd överraskningar och överlägsen prestanda.