用RTD实现高性能精密温度测量

电子发烧友网报道（文/李宁远）温度测量在任何系统设计里都是一类非常常见的测量指标，温度作为许多终端设备里关键的数据，有不少测量办法。RTD、热敏电阻、热电偶都是温度测量中具有代表性的模拟元件。在不同的系统设计中，需要根据所需的精度和测量的温度范围选取合适的温度传感方式。
 
精密温度测量中的RTD
 
热敏电阻是我们此前常关注的一类温度传感，作为一种简单的小尺寸方案，它响应时间极快，NTC芯片层面的响应时间在1秒左右，传感器层面的响应时间也可以达到15秒以下甚至10秒以下。不过其非线性程度差，和其他温度测量相比也不够耐用，而且热敏电阻的自发热肯定会对精度造成影响。这里没有算上线性PTC这类热敏电阻，虽然线性PTC解决了NTC在温度测量上的各种缺点，是精密温度测量里的一种很好的选择，但是其应用还不够广泛而且成本高。
 
数字温感在新型应用场景里很流行，各方面性能也很突出，不过温度范围受限的天生劣势也是无法避免的。热电偶同样如此，作为能达到很高精度的测量方案，劣势在于需要冷端补偿为其提供误差修正。
   
在温度测量范围很宽的应用里（－200℃到850℃），这次我们关注的RTD是相当耐用且足够精准的一种选择。在整个温度范围里，RTD的响应可以呈现出几乎线性的特征，灵敏度也能高达几百µV/℃。不论是选择3线还是4线方案，都是精密温度测量里很可靠的选择。
 
2线的配置最简单，但由于传感器引线电阻，存在固有的不准确性也无法直接补偿，精密温度测量里不会采用2线的方案。精密温度测量里RTD最常见的配置是3线，带补偿回路在测量时消除引线电阻的影响。测量设备先测量传感器和连接引线的总电阻，再测量补偿回路电阻，进而确定实际净电阻。4线RTD精度更高，完全消除了引线电阻的影响，这种配置的温度测量精确度更高，但许多工业控制器/测量设备无法实现真正的四线测量，而且成本不低。
 
RTD精密测温挑战
 
在宽温度范围内选用RTD方案进行高精度与高稳定性的温度测量实现起来还是有着不少挑战的，首先就是电流和电压的选择。RTD是无源器件，为了产生测量电压，需要激励电流。一般来说采用比率式配置，基准电压和传感器电压都是从同一个激励源处获得，对激励源的要求可以不用那么精确。激励电流任何的变化都不会对测量精度产生影响，即便激励电流噪声比较大或者不太稳定。一般来说更高的激励电流更好，但是必须确保大电流下电阻功耗过大或者自发热影响测量结果，这需要在电流值和性能之间做出取舍。
   
稳定性上同样具有不少挑战，虽然RTD温度测量前端可以承受一定的ESD电平，但精密温度测量场景里往往电磁环境也比较复杂。比如RTD传感器电缆上的耦合就有可能让整个测量系统的稳定性面临EMI挑战。尤其在工业场景中，传感器电缆越长，这种风险越大。
 
一些常见的保护器件会被配置到测量系统中以增加测温系统的可靠性。以大家熟知的TVS为例，在RTD测温系统里，具有更高击穿电压的TVS给系统带来的误差会越小。虽然保护器件的加入会稍微增加测温系统的总误差，但是稳定性也更高，而且RTD可以通过配置激励电流减少保护器件加入后的误差。
 
测温系统中的ADC
 
温度测量里对采样速度的要求并不是很高，通常都是以低速测量为主，但是对分辨率的要求很高。很多厂商提供的测温前端里都采用Σ-Δ架构来实现这种高分辨率低带宽要求的ADC。Σ-ΔADC能够对模拟输入过采样，进一步减少外部滤波。良好信噪比SNR也是必不可少的，方便数据进行下一步处理。
 
一些ADC会直接集成PGA、激励电流、基准电压源，还能实现比率式配置，大大简化RTD测温系统的设计。
 
小结
 
RTD在精密测温上想要兼顾高精度与高稳定性既要考虑噪声非常低的PGA、分辨率足够高的ADC还需要综合考虑激励电流配置以及其他保护元器件。如何做好这些配置间的平衡是精密测温RTD传感系统的关键。