应用笔记 4875

高精度温度测量带动铂电阻温度检测器(PRTD)和Σ-Δ ADC应用

By: Sohail Mirza

摘要 : 高端工业和医学应用需要在整个温度范围提供±1°C至±0.1°C,甚至更高精度的温度测量,并且价格合理、功耗较低。此类应用的测温范围(-200°C至+1750°C)通常需要使用热电偶和铂电阻温度(RT)检测器,即PRTD。

类似文章于2011年8月25日发表在EDN杂志。

引言

工业和医学应用中,如果在-200°C至+800°C温度范围内对温度测量的绝对精度和可重复性要求非常高,最好选择铂电阻温度(RT)检测器,即PRTD。铂元素非常稳定,且不容易腐蚀或氧化。镍、铜及其它金属也可用于RTD,但这些材料的稳定性或可重复性不如铂,所以应用并不普遍。
随着PRTD标准(例如欧洲的IEC 60751和美国的ASTM 1137)的演进,开始允许系统之间互换传感器,只要满足传感器容限和温度系数的要求。基于这些标准,传感器很容易由相同或不同制造商的传感器所替代,对系统稍加修改或校准即可满足额定指标要求。

PRTD基础

三种常见的PRTD包括PT100、PT500和PT1000,0°C下分别呈现100Ω、500Ω和1000Ω阻值。也有成本稍高的大阻值传感器,例如PT10000。PT100曾经非常流行,但目前趋势是使用阻值更高的传感器,以稍高或同等成本提供更高的灵敏度和分辨率。典型代表是PT1000,0°C下的电阻值为1kΩ。
Vishay®、JUMO Process Control等多家厂商可提供标准SMD尺寸(类似于表贴电阻封装)的PRTD,价格通常不到1美元,具体取决于电阻值、尺寸大小和容限。此类器件大幅降低了温度传感器成本,并为设计人员提供在任何印制板(PCB)上PRTD替代产品的灵活性。以下电路采用了比较常见的高性价比PTS1206,是由Vishay Beyschlag提供的1000Ω PRTD¹。PRTD传统测量方法是采用电流源激励,如图1所示²。
图1. PRTD可采用4线(a)、3线(b)或2线(c)接口检测温度。每种设计均向ADC (这里为MAX1403)提供差分信号。
图1. PRTD可采用4线(a)、3线(b)或2线(c)接口检测温度。每种设计均向ADC (这里为MAX1403)提供差分信号。
远端测量且采用不同引线时,图1a所示4线(开尔文连接)架构可以获得最精确的测量结果。这种方法中,电流承载线与测量线完全独立。该配置中,OUT1为PRTD提供200µA电流,OUT2保持浮空。对于RTD没有安装在ADC附近的大多数工业应用,由于每根引线都会增加系统成本,引发可靠性问题,所以更倾向于使用较少的引线。
如果引线相似,图1b所示3线温度检测技术更经济,且读数准确。这也是其得到普遍使用的原因。MAX1403 ADC的两个匹配电流源抵消了引线电阻的IR误差。OUT1和OUT2均源出200µA电流。
图1c所示2线技术最为经济,但只用于已知引线寄生电阻且电阻固定不变的场合。通常利用微处理器或DSP的内部计算对引线的IR误差进行补偿。由于PT1000 PRTD较高的阻值,受引线电阻的影响较小,同时也降低了自身发热产生的误差,所以,即使采用2线配置也能直接连接ADC。
MAX11200 ADC可以采用不同类型的PRTD,表1列出了该ADC的部分重要特性。
表1. MAX11200的主要技术指标
MAX11200 Comments
Sample rate (sps) 10 to 120 The MAX11200's variable oversampling rate can be optimized for low noise, and for -150dB line-noise rejection at 50Hz or 60Hz.
Channels 1 GPIOs allow external multiplexer control for multichannel measurements.
INL (max, ppm) ±10 Provides very good measurement linearity
Offset error (µV) ±1 Provides almost zero offset measurements
Noise-free resolution (bits) 19.0 at 120sps; 19.5 at 60sps; 21.0 at 10sps Very high dynamic range with low power
VDD (V) AVDD (2.7 to 3.6)
DVDD (1.7 to 3.6)
AVDD and DVDD ranges cover the industry's popular power-supply ranges.
ICC (max, µA) 300 Highest resolution-per-unit power in the industry; ideal for portable applications
GPIOs Allows external device control, including local multiplexer control.
Input range 0 to VREF, ±VREF Wide input ranges
Package 16-pin QSOP, 10-pin µMAX® (15mm²) 10-pin µMAX offers very small size for space-constrained designs.

作为电流激励的替代方案,可以采用高精度电压源激励PRTD。对于较高阻值的PRTD,电压激励更合适,可以利用ADC的电压基准为PRTD提供偏压。PRTD可直接连接到ADC,ADC基准通过一个高精度电阻提供PRTD偏置电流(图2)。ADC即可以高精度比例测量温度。
图2. 该电路采用电压激励,非常适合配合高阻值PRTD工作。
图2. 该电路采用电压激励,非常适合配合高阻值PRTD工作。
假设引线电阻的量级远低于RA和RT,可采用下式计算:
VRTD = VREF × (RT/(RA + RT)) (式1)
式中,RA为限流电阻;RT为t°C时的PRTD电阻;VRTD为PRTD电压;VREF为ADC基准电压。同时:
VRTD = VREF × (AADC/FS) (式2)
式中,AADC为ADC输出编码,FS为ADC的满幅编码(即,对于单端配置的MAX11200,为223-1)。合并式1和2:
RT = RA × (AADC/(FS - AADC)) (式3)
从式3可知,RA必须满足RT指标规定的精度要求。

PRTD选择和误差分析

引线电阻引起的误差

由于PRTD为电阻传感器,它与控制板之间连线的任何电阻都会增大误差,如图3所示。
图3. 2线检测技术中,引线的IR压降会在ADC产生误差。
图3. 2线检测技术中,引线的IR压降会在ADC产生误差。
为了估算2线电路中的误差,将连接线总长与美国线规(AWG)铜线的“电阻/英尺”值相乘,如表2所示。
表2. 线规电阻
Copper Lead Wire (AWG) Ω/Foot (+25°C)
16 0.0041
18 0.0065
20 0.0103
22 0.0161
24 0.0257
26 0.0418
28 0.0649

举例说明,假设采用2根3英尺长的AWG 22导线连接PRTD,引线电阻RW为:
RW = 2 × (3ft.) × (0.0161Ω/ft.) = 0.1Ω (式4)
引线造成的温度读数误差为TWER,其中TWER = RW/S,S为平均PRTD灵敏度。
对于PT100 (PTS 1206,100Ω)器件¹,平均灵敏度S = 0.385Ω/°C,因此:
TWER = RW/0.385 = 0.26°C (式5)
对于PT1000 (PTS 1206,1000Ω)器件¹,平均灵敏度S = 3.85Ω/°C,因此:
TWER = RW/3.85 = 0.026°C (式6)
根据IEC 60751标准,对于 PT1000,TWER = 0.026°C,比CLASS F0.3的±0.30°C容限要求低一个数量级。这意味着PT1000可直接采用3英尺长的2线配置,无需任何引线补偿方法。而PT100,TWER为0.26°C,与±0.30°C容限相当,在大多数高精度应用中,这一误差水平不可接受。从本例可以看出,大阻值PRTD在2线电路中的优势。

PRTD自热引起的误差

PRTD的另一个误差源是激励电流通过RTD元件时,传感器本身产生的热量。激励电流流过RTD电阻,产生测量电压。为了使输出电压高于ADC的电压噪声电平,应保持足够高的激励电流;而激励电流产生的功耗会使温度传感器的温度升高,导致RTD电阻升高,使其高于实测温度下的电阻值。利用制造商数据手册提供的封装热阻,可以计算出RTD功耗引起的温度误差。利用下式计算自热引起的温度误差(TTERR,单位为°C):
TTERR = IEXT² × RT × KTPACK (式7)
式中,IEXT为流过电阻检测元件的激励电流;RT为当前温度T°C下的PRTD电阻;KTPACK为自热误差系数(0.7°C/mW)¹。
图2中的最佳限流电阻RA由式7的TERR和测量系统使用的基准电压(VREF = 3V)确定,表3列出了100Ω PTS 1206和1000Ω PTS 1206的RA
表3. 温度误差计算
VREF KTPACK T°C RT100 RT1000 RA100 RA1000 TERR100 TERR1000 IEXT100 IEXT1000 VRT100 VRT1000
(V) (C/mW) (°C) (Ω) (Ω) (Ω) (Ω) (°C) (°C) (µA) (µA) (mV) (mV)
3 0.7 -55 78.3 783.2 8200 27000 0.015 0.013 362.4 108.0 28.4 84.6
3 0.7 0 100.0 1000.0 8200 27000 0.019 0.016 361.4 107.1 36.1 107.1
3 0.7 20 107.8 1077.9 8200 27000 0.020 0.018 361.1 106.8 38.9 115.2
3 0.7 155 159.2 1591.9 8200 27000 0.029 0.025 358.9 104.9 57.1 167.0

对于100Ω PTS 1206,采用RA = 8.2kΩ;对于1000Ω PTS 120,采用RA = 27.0kΩ。两种情况下,最大温度误差TERR均介于0.025°C和0.029°C之间,比CLASS F0.3的±0.30°C容限低一个数量级。显而易见,平均激励电流IEXT100和IEXT1000在表3所示的温度范围内非常稳定。
从表3还可以看出,RT100和RT1000产品的最大激励电流相差非常大:IEXT1000 = 108µA,IEXT100 = 362.4µA。由于RT1000的激励电流不到RT100电流的三分之一,所以RT1000比RT100更适合低功耗(便携式)仪器。RA电阻应为金属薄膜电阻,精度为±0.1%或更好,额定功率至少1/4W,须具有低温度系数。为确保RA电阻满足设计要求,应选择优秀厂商的产品。

PRTD线性误差

PRTD近似于线性特性,根据温度范围和其它条件的不同,通过计算PRTD电阻在-20°C至+100°C温度范围的变化,进行线性逼近:
R(t) ≈ R(0)(1 + T × a) (式8)
R(t)为t°C下的PRTD电阻;R(0)为0°C下的PRTD电阻;T为PRTD温度,单位为°C;按照IEC 60751标准,常数a为0.00385Ω/Ω/°C (本例中,a = 0.00385Ω/Ω/°C实际上定义为0°C至100°C之间的平均温度系数)¹。
基于式8的PRTD计算如表4所示。
表4. -20°C至+100°C温度范围下的PRTD计算
a Temp RRTD1000 Lin RRTD1000 Nom RA VREF VRTD ADC Code Err
(Ω/Ω/°C) (°C) (Ω) (Ω) (Ω) (V) (V) (LSB) (%)
3.85E-03 -20 923.00 921.60 27000 3 0.0991656 277286 0.15
3.85E-03 -10 961.50 960.90 27000 3 0.1031597 288454 0.06
3.85E-03 0 1000.00 1000.00 27000 3 0.1071429 299592 0.00
3.85E-03 10 1038.50 1039.00 27000 3 0.1111151 310699 -0.05
3.85E-03 20 1077.00 1077.90 27000 3 0.1150764 321776 -0.08
3.85E-03 30 1115.50 1116.70 27000 3 0.1190269 332822 -0.11
3.85E-03 40 1154.00 1155.40 27000 3 0.1229665 343838 -0.12
3.85E-03 50 1192.50 1194.00 27000 3 0.1268955 354824 -0.13
3.85E-03 60 1231.00 1232.40 27000 3 0.1308136 365780 -0.11
3.85E-03 100 1385.00 1385.00 27000 3 0.1463801 409308 0.00

表4中,RRTD1000 Lin栏的数据是根据式8的线性逼近。RRTD1000 Nom按照制造规范EN 60751:2008列出了标称PTS 1206Ω至1000Ω的电阻值;线性误差(Err)列出了规定温度范围的线性误差值,均在±0.15%以内,优于PTS 1206 CLASS F0.3的容限(±0.30°C)。
按照表4,利用MAX11200 ADC (图2)进行实测的结果显示:温度误差仍保持在CLASS F0.3的误差限制以内。对于更宽范围和更高精度的温度测量,PRTD测温标准(EN 60751:2008)定义了铂电阻随温度变化的非线性数学模型,称为Callendar-Van Dusen方程。
在0°C至+859°C温度范围,线性方程需要基于下式中的两个系数:
R(t) = R(0)(1 + A × t + B × t²) (式9)
在-200°C至0°C温度范围:
R(t) = R(0)[1 + A × t + B × t² + (t - 100)C × t³] (式10)
式中,R(t)为t°C下的PRTD电阻;R(0)为0°C下的PRTD电阻;t为PRTD温度,单位为°C。式9和式10中,A、B、C为RTD制造商提供的校准系数,如IEC 60751标准规定:
A = 3.9083 × 10 - 3°C-1
B = - 5.775 × 10 - 7°C-2
C = - 4.183 × 10 - 12°C-4
从式8可以看出,温度超出0°C至+200°C范围时,非线性误差增大(图4,粉色曲线)。利用式9 (蓝色曲线),可以将超低温度下的误差降至可以忽略不计的水平。
图4. PRTD线性误差随温度变化的关系曲线,利用式8 (粉色曲线)和式9 (蓝色曲线)计算得到。
图4. PRTD线性误差随温度变化的关系曲线,利用式8 (粉色曲线)和式9 (蓝色曲线)计算得到。
图5是对图4较窄温度范围曲线的放大。采用式8时,较小温度范围(-20°C至+100°C)内的误差保持在±0.15%以内;采用式9时,这些误差可以忽略不计。在较宽的温度范围(-200°C至+800°C)内进行高精度测量时,需要利用式9、式10进行线性化处理(有关算法在后续文章讨论)。
图5. 图4的放大视图,为两条曲线相交区域。
图5. 图4的放大视图,为两条曲线相交区域。

MAX11200的测试分辨率

MAX11200是一款低功耗、24位、Σ-Δ ADC,适合宽动态范围、高分辨率(无噪声)的低功耗应用。利用这款ADC,可以由下面的式11和式12计算得到图2所示电路的温度分辨率:
RTLSB = (VREF × (TCMAX - TCMIN))/(FS × (VRTMAX - VRTMIN)) (式11)
RTNFR = (VREF × (TCMAX - TCMIN))/(NFR × (VRTMAX - VRTMIN)) (式12)
式中,RTLSB为PRTD 1 LSB的分辨率;RTNFR为PRTD无噪声分辨率(NFR);VREF为基准电压;T°CMAX为最大测量温度;T°CMIN为最小测量温度;VRTMAX为PRTD在最大测量温度下的压降;VRTMIN为PRTD在最小测量温度下的压降;FS为MAX11200采用单端配置时的ADC满量程编码(223-1);NFR为MAX11200采用单端配置时的无噪声分辨率(10sps时为220-1)。
表5列出了利用式11和式12计算的PTS1206-100Ω和PTS1206-1000Ω测量分辨率。
表5. 温度测量分辨率
VREF TC RT100 RT1000 RA (100) RA (1000) RTLSB (100) RTLSB (1000) RTNFR (100) RTNFR (1000)
(V) (°C) (Ω) (Ω) (Ω) (Ω) (°C/LSB) (°C/LSB) (°C/NFR) (°C/NFR)
3 -55 78.32 783.19 8200 27000
3 0 100 1000 8200 27000 0.00317 0.000926 0.021 0.0073
3 20 107.79 1077.9 8200 27000
3 155 159.19 1591.91 8200 27000

表5为-55°C至+155°C温度范围内,°C/LSB误差和°C/NFR误差的计算值。无噪声分辨率(NFR)表示ADC能够区分的最小温度值。如果RTNFR1000为0.007°C/NFR,给定温度范围的分辨率无疑优于0.05°C,远远满足大多数工业、医疗应用要求。
此类应用中,对ADC要求的另一考虑是不同温度点对应的电压水平,如表6所示。最后一行显示PRTD100和PRTD1000的差分输出电压范围。右侧一组公式计算MAX11200 ADC的无噪声分辨率。
表6. 图6中ADC的温度测量范围
TC (°C) VRT (mV) VRT (mV)
PRTD100 PRTD1000
-55 28.4 84.6
0 36.1 107.1
20 38.9 115.2
155 57.1 167.0
210 28.75 82.46
Noise free codes = (VMAX - VMIN)/Input referred noise
Noise free codes = 82.46mV/2.86µVP-P
Noise free codes = 28,822 codes
Temp (accy) = 210°C/28.82K
Temp (accy) = 0.007°C

注意,PRTD应用中输出信号的总范围大约82mV。MAX11200具有极低的输入参考噪声,10sps采样率下570nV,在210°C量程范围可提供0.007°C的无噪声分辨率。
图6. 本文用于测量温度的高精度数据采集系统(DAS)框图。基于MAX11200 ADC (图3)的DAS包括简单校准和线性化处理功能。
图6. 本文用于测量温度的高精度数据采集系统(DAS)框图。基于MAX11200 ADC (图3)的DAS包括简单校准和线性化处理功能。
图6所示,MAX11200的GPIO1引脚设置为输出,控制继电器校准开关,选择固定RCAL电阻或PRTD。这种多功能性提高了系统精度,并减少RA和RT初始值的计算需求。

结论

最近几年,随着PRTD价格的下降、封装尺寸的减小,这类器件已广泛用于高精度温度检测。温度检测系统中,如果ADC和表贴PRTD直接连接,则要求使用低噪声ADC (例如MAX11200)。PRTD和ADC相结合,提供理想用于便携式测试设备的温度测量方案。这一组合具有高性能和高成效。
MAX11200较高的无噪声分辨率、内部缓冲器和GPIO驱动器,可直接连接到高灵敏度PRTD (如PT1000),无需额外的仪表放大器或专用电流源。更少的接线、更低的温度误差进一步降低了系统复杂度和成本,使设计人员能够在长达2米的距离使用2线接口配置。

参考文献
  1. PTS Series - Pt-Sensors from Vishay Beyschlag, https://www.vishay.com/docs/28762/ptsserie.pdf.
  2. Maxim应用笔记3775:“低成本传感器及A/D转换接口的设计考虑”。