Прецизионный интерфейс для резистивного температурного датчика (РТД)

National Semiconductor - одна из ведущих компаний по производству инновационных аналоговых приборов, в частности, операционных усилителей. Среди их широкого спектра можно выделить прецизионные операционные усилители, пример применения которых мы рассмотрим ниже.

Резистивные температурные детекторы - это температурные датчики, основанные на температурной зависимости сопротивления металла. Такие детекторы широко используются в измерениях температуры и в контрольно-измерительной аппаратуре. В их основе лежит использование легко доступного 100-омного платинового РТД (ПРТД). Функция зависимости сопротивления ПРТД от температуры для температур выше 0°С, имеет вид:

R_RTD = (100 + 0.39083T - 0.00005775T2) W

T - температура

В данной статье рассматривается электрическая схема, которая минимизирует ошибку (погрешность), вносимую элементами преобразования сигнала (см. схему рис. 1).

Рис. 1.

Выбор компонентов

Прецизионный усилитель LMP2011 - усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления и почти нулевым напряжением смещения. LM4140A-2.500 - источник опорного напряжения с погрешностью мене чем 0,05 % и температурным дрейфом менее чем 10 PPM/°C. С помощью данных компонентов и нескольких прецизионных резисторов изготавливается очень точный и стабильный термометр.

Схема на рис.1 показывает преимущество четырехпроводного ПРТД, который является наиболее выгодным по точности. Четырехпроводный ПРТД обеспечивает кельвиновское соединение силовых и сенсорных выводов. Два провода (W1 и W4 на рис. 1) - силовые выводы, которые подсоединяют к детектору источник постоянного тока. Два других вывода (W2 и W3) - сенсорные выводы, подводящие напряжение от РТД к усилителю. Такое расположение отделяет источник постоянного тока, питающий РТД, от измерительной цепи. Падение напряжения на выводах W1 и W4 исключается из измерения напряжения на РТД.

Приведем пример погрешности, вносимой подводимыми проводами. Если для соединения прибора с резистивным элементом используется 10-ти футовый медный провод 24 сортамента, тогда сопротивление провода равно 2 x 10 ft x 0.0257 W/ft = 0.514W. Изменение сопротивления РТД на 0°C составляет 0.39 W/°C и подводимый провод вносит ошибку равную 0.514W/0.39 W/°C = 1.31°C. При увеличении температуры возрастает и ошибка. Например, изменение сопротивления ПРДТ на 400°C равно 0.35 W/°C и подводимый провод дает погрешность в 0.514W/0.35 W/°C = 1.46°C.

Варианты питания РТД

Схемы, изображенные на рисунках 2 и 3 показывают два варианта питания ПРТД. Схема на рис. 2 состоит из источника постоянного напряжения и последовательно соединенного резистора для установки определенного тока, через РТД, при определенной температуре. В этом примере ток установлен в 1 мА при 0°C (2.5В/(100 W + 2400 W) = 0.001 A). Этим исключается сопротивление выводов W1 и W4. Напряжение на сенсорных выводах W2 и W3 в этом случае равно V_PRTD = VR x ((R_PRTD + 2400 W)/R_PRTD).

Рис. 2

Рис. 3

Схема на рисунке 3 использует источник постоянного тока. До тех пор пока сумма падений напряжений на выводах, ПРТД и резисторе R8 не превысит максимальный размах напряжения усилителя А1, через ПРТД будет течь ток в 1 мА. Падение напряжения на сенсорных выводах W2 и W3 равно V_PRTD = 0.001 x R_PRTD.

Рис. 4

Рисунок 4 показывает разницу результатов этих двух методов. Кривая 1 - напряжение V_PRTD при использовании источника постоянного тока, кривая 2 - напряжение V_PRTD при использовании источника постоянного напряжения. Как видно схема питания от источника постоянного напряжения вносит дополнительную нелинейность из-за делителя напряжения.

Питание от источника постоянного тока

Источник постоянного тока состоит из прецизионного усилителя LMP2011, резистора R8, источника опорного напряжения 2.5V LM4140. Значение постоянного тока вычисляется по формуле: I_RTD = V_REF/R8. Для значений используемых в схеме рис.1, I_RTD = 2.5В/2500W = 1 mA. В общем случае, ток в 1 mA достаточно мал для минимизации погрешности от самонагрева ПРТД. Величина тока протекающего через РТД является компромиссом между увеличением чувствительности температурного датчика и уменьшением погрешности из-за самонагрева, вызванного протеканием тока через РТД. В техническом описании на РТД обычно содержится информация о величине самонагрева в зависимости от различных условий. Изменяя значение резистора R8, можно регулировать значение постоянного тока. Резистор R8 непосредственно влияет на точность источника тока, поэтому он должен быть более точным, чем желаемая точность измерений температуры и температурно-стабильным.

Наиболее удачным является использование в качестве резистора R8 набора тонкопленочных резисторов заключенных в одном корпусе. Так точное значение сопротивления в 2.5 кОм можно достичь параллельным соединением четырех резисторов в 10 кОм.

Усилитель сигнала

Усилители А2, А3 и А4 составляют измерительный усилитель. В данном примере, рассмотрим температурный диапазон от 0°C до 700°C, который соответствует диапазону сопротивлений от 100 W до 345.28 W. При токе в 1 mA, напряжение на сенсорных выводах колеблется от 0.10 В до 0.34528 В. Источник опорного напряжения LM4140A-2.500 так же используется в качестве опорного для АЦП и сигнал ПРТД масштабируется в диапазоне до 2.5В. Коэффициент усиления измерительного усилителя равен 2.500/0.34528 = 7.2405. Полный коэффициент усиления измерительного усилителя задается уравнением AV = (1+2R5 / R7) (R1 / R2), при условии, что R3 = R1, R4 = R2, и R6 = R5. Т.к. требуемый коэффициент усиления относительно мал, то для его реализации достаточно одного каскада, при этом коэффициент усиления может регулироваться значением резистора R7. Такой коэффициент усиления ведет к тому, что остальные резисторы должны быть равными. Резисторы R1, R2, R3, R4, R5, и R6 должны иметь номиналы как можно ближе друг к другу. С помощью набора тонкопленочных резисторов легко можно добиться соответствующего равенства резисторов, точность номиналов которых может быть до 0.01%.

Значение резистора R7 определяется выражением: 7.2405 = (1+2х10 кОм/R7)(10 кОм/10 кОм), откуда R7 = 3.2049 KОм

Рассмотренная схема является завершенным решением преобразования сигнала для 100-омного ПРТД. Такую же схему можно использовать и при применении других резистивных преобразователей, устанавливая необходимый ток источника и коэффициент усиления инструментального усилителя.

Применяя другие типы РТД номиналы компонентов можно изменять для достижения желаемого результата.

Материал подготовлен специалистами компании Rainbow Technologies. Дополнительную информацию вы найдете на сайте: www.amplifiers.national.com. 

Литература:

1. National Edge Technical Journal, December 2004 edition, «A precision interface for a Resistance Temperature Detector (RTD), Walter Bacharowski, Staff Applications Engineer.