Схема с платиновым RTD обеспечивает высокие характеристики при небольшом количестве компонентов

Стандартный способ использования RTD (resistance temperature detector, резистивный датчик температуры) состоит в том, чтобы включить его в плечо моста, за которым следует дифференциальный усилитель. Проблема в том, что на передаточную функцию влияют две нелинейности – одна от датчика, а другая от моста. Предлагаются некоторые подходы, позволяющие избежать этой проблемы, но они, как правило, громоздки и дороги [1], [2] и [3]. В альтернативной схеме предлагается добавить только один дополнительный резистор к дифференциальному усилителю, но в описании нет ни рекомендаций по проектированию, ни результатов [4]. Описываемое в статье решение заполняет этот пробел. Хотя анализ схемы несколько сложен, ее характеристики хорошие, и в схеме используется мало компонентов.

Помимо платинового термометра сопротивления R_θ в схеме используются всего шесть точных резисторов, операционный усилитель и источник опорного напряжения (Рисунок 1), Дополнительный резистор R₄ в цепи дифференциального усилителя подает в датчик дополнительный ток, соответствующий измеряемой температуре. При правильном проектировании схема может обеспечить хорошую линейность и стабильность в широком диапазоне входных температур. Выходное напряжение, V_O, зависит от номиналов компонентов схемы следующим образом:

где Y_I = 1/R_I, а I принимает значения от 0 до 4.

Рисунок 1.	Для этой обычной схемы RTD требуется очень мало компонентов.

Для положительных температур аппроксимировать характеристики RTD можно полиномом второй степени следующего вида:

где

R₀ – сопротивление датчика при 0 °C,
α и β – коэффициенты,
Θ – измеряемая температура.

После подстановки второго выражения в первое и выполнения некоторых преобразований получаем:

где B, C и K – константы, а f(Θ) – функция температуры. Общий характер зависимости f(Θ) показан на Рисунке 2. Выходное напряжение линейно зависит от температуры, когда функция f(Θ) максимально близка к константе. Эта ситуация наиболее верна в окрестности точки минимума f(Θ).

Рисунок 2.	Общий характер функции f(Θ) меняется с температурой.

При выполнении некоторых дополнительных соотношений выходное напряжение будет равно 0 В при температуре 0 °С, коэффициент преобразования равен 10 мВ/°С, минимум функции f(Θ) будет находится в середине диапазона измерений, а саморазогрев датчика из-за тока, протекающего через R_Θ, будет незначительным.

Рисунок 3.	Для полной схемы требуются подстроечные потенциометры VR1 и VR2 для регулировки нуля и диапазона, соответственно, а также трехжильный кабель для подключения датчика. RC – это сопротивление кабеля.

Схема, отвечающая этим требованиям, показана на Рисунке 3. Датчиком служит платиновый термометр сопротивления DIN-IEC 751. Для расчетов использовалась таблица Microsoft Excel, в которую из калибровочной таблицы RTD было перенесено 13 точек от 0 до 600 °C с шагом 50°. С помощью электронной таблицы было найдено, что при коэффициенте R² равным единице

R₀ = 100 Ом,
α = 3.908×10^–3 °C^–1,
β = –5.801×10^–7 °C^–2.

Все резисторы схемы имеют допуски 0.02%, а температурные коэффициенты сопротивления составляют 50 ppm/°C. Для независимой регулировки нуля и диапазона можно использовать два подстроечных потенциометра V_R1 и V_R2. Чтобы согласовать величины положительной и отрицательной ошибок, следует выполнить регулировку диапазона при 550 °C. Можно также расширить диапазон измеряемых температур до –100 °C вместо 0 °C без ухудшения основной нелинейности.

Трехпроводное подключение датчика значительно снижает влияние сопротивления RC соединительного кабеля на точность.

Таблица 1.	Экспериментальные результаты
Диапазон измерений –100 … +600 °C Номинальная чувствительность 10 мВ/°C Основная погрешность (нелинейность) Значительно лучше ±1 °C Влияние температуры окружающей среды 0.05 °C/10 °C Влияние напряжения питания 0.1 °C/В Влияние кабеля (трехпроводное подключение) 0.7 °C/Ом Диапазон напряжений питания ±12 … ±18 В Потребляемый ток (при 600 °C) 9 мА и –3 мА Диапазон рабочих температур –40 … +85 °C

В Таблице 1 приведены результаты оценки характеристик этой схемы с использованием прецизионного декадного магазина сопротивлений и калиброванного 4.5-разрядного мультиметра при температуре окружающей среды 24 и 68 °C, напряжении источника питания ±12, ±15 и ±18 В и сопротивлении кабеля 0 и 5 Ом.

Ссылки

1. Bryant, James, Walt Jung, and Walter Kester, Op Amp Applications, Analog Devices, 2002.
2. Villanucci, Robert S, “Design an RTD interface with a spreadsheet”
3. Moghimi, Riza, “Low-error platinum RTD circuit has shutdown capability”
4. Gutnikov, V.S., Integrated Electronics in Measuring Devices, Leningrad, 1980.

Материалы по теме

1. Datasheet Texas Instruments OP07C
2. Datasheet Analog Devices REF01