許多產品的製造過程中,需要高精準且可靠的溫度量測技術。常用的量測方法是用一個感測器直接接觸受測物體,像是把感測器浸入到液體或是接觸機器的表面。

除了熱阻器和熱電偶外,電阻溫度感測器(RTD)也特別適合用來量測溫度,因為它反應時間極快,且靈敏度達到數百µV/°C。另外,量測溫度範圍從攝氏零下200度到攝氏800度,而且全程接近完全線性。RTD元件具有眾多版本,像是2、3、或4線等,提供著極高的應用彈性。

RTD需要一個激勵電流才能產生量測電壓。激勵電壓依RTD種類不同,可能從數十到數百毫伏。量測系統的精度不光取決於溫度感測器,決定因素還包括了選用適合的量測儀器、系統組態以及量測電路的種類等。而依據外接線路的數量,RTD感測器可運用在2、3、或4線式量測電路。我們可透過圖1比較這些不同量測電路。

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圖1:比較2、3、與4線量測電路

在2線式量測電路中,兩條電線帶著激勵電流(I)輸送到RTD,並用來量測感測器電壓。由於感測器的電阻很低,因此即使偏低的線路電阻RL也會產生相對偏高的量測不準確度。在3或4線式量測系統中,則可將這種誤差降至最低,這是因為感測器的激勵是發生在不同線路,而感測器的量測線直接置於量測元件的輸入端,該輸入端擁有較高的阻抗。

由於經過RTD時會產生低電壓降,因此訊號極易混入雜訊。建議應盡可能避免量測線路過長。要降低雜訊,應盡可能在接近訊號源或RTD處放大電壓。此外,若是要進行後續的資料處理,可選用擁有理想訊號雜訊比(SNR)的高靈敏類比數位轉換器(ADC)。

例如,Analog Devices旗下AD7124系列∑-Δ ADC轉換器提供完全整合式24位元低雜訊類比前端(AFE)元件,適合各種高精準量測應用。輸入端可選擇設定成差動式或單端/偽差動輸入。此外,AD7124系列元件還擁有整合式數位濾波器以及一個可程式化放大級(amplifier stage),適合各種低電壓應用。圖2顯示一個採用AD7124元件的4線式量測電路。

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圖2:一個採用AD7124的4線式RTD溫度量測系統

AD7124中的類比針腳AIN2與AIN3設定成差動輸入,負責量測RTD電壓。RTD的激勵電流直接取自AVDD內部透過AIN0輸送的類比電壓。激勵電流會同時經過作為精準電阻的參考電阻RREF1,這個造成電壓降的電阻之後會透過參考針腳REFIN1(+) 與REFIN1(–)偵測出來。該電壓降和RTD的電壓降成正比。這種比例關係確保激勵電流不會對整體系統精度產生影響。阻RREF2產生一個妥善運行所需的偏置電壓,抵銷掉ADC內部主動類比緩衝器產生的效應。系統需要這個緩衝器來過濾讀取數據,之後再進行類比至數位轉換,藉此提供抑制與降低雜訊的效果。另一種方法是把所有類比輸入與參考輸入連到離散式RC濾波器。校正量測系統(零刻度與全刻度校正),藉以將增益與偏置誤差減至最低,然後再開始進行量測,這些程序都可運用AD7124輕鬆完成。

總結

運用像AD7124這類AFE元件,即可輕易建構RTD溫度量測系統。它們具備高精度、低功耗、低雜訊等特色,適合各種高精準量測應用,以及各種省電的可攜式裝置。此外,ADC的整合度與彈性不僅簡化設計架構,還針對使用不同種類感測器的量測應用協助業者縮短設計週期 (包括溫度、電流、電壓等)。