Измерение температуры с помощью термометров сопротивления (RTD)

Термометры сопротивления (далее термометр) или resistance temperature detectors (RTD) — это чувствительные элементы, используемые для измерения температуры. В основе работы данного типа датчиков лежит зависимость электрического сопротивления металлов от изменения температуры. Для точного измерения температуры эта зависимость должна быть хорошо известной и максимально приближенной к линейной. На практике чувствительный элемент представляет из себя резистор, выполненный из проволоки, намотанной на каркасе, или напыленной металлической пленки на керамической подложке. В качестве металла в большинстве случаев используется платина, т.к. она имеет хорошо изученную и стабильную зависимость сопротивления от температуры. Практически полное отсутствие окисления в воздушной среде обеспечивает стабильность параметров, высокую повторяемость и точность.

Термометры сопротивления SMD

Виды платиновых термометров сопротивления​

Наибольшее распространение получили стандартные платиновые термометры Pt100 и Pt1000, которые отличаются величиной сопротивления при номинальной температуре (ноль градусов Цельсия), классом точности, конструктивным исполнением и рабочим диапазоном температур. Параметры термометров сопротивления из металлов, а также методика преобразования значений сопротивления в значения температуры регламентируются ГОСТ 6651-2009.

Типовые схемы подключения термометров сопротивления

Для преобразования значения сопротивления термометра в значение температуры необходимо сначала измерить это самое сопротивление, причем с требуемой точностью. А чтобы измерить сопротивление нужно подключить его к измерительной цепи. Для этого были разработаны несколько схем подключения термометров (слева направо): 2-проводная, 3-проводная и 4-проводная схемы.

Типовые схемы подключения термометров сопротивления​

2-проводная схема содержит минимум проводов до термометра, но вносит в значение измеряемого сопротивления погрешности, т.к. провода имеют собственное сопротивление (Rlead) и в данной схеме оно складывается с сопротивлением термометра (т.к. ток возбуждения I1 создает падение напряжения на сопротивлении проводов Vlead=2*Rlead*I1). Хуже всего то, что величина сопротивления проводов также имеет зависимость от температуры. Данная схема применяется в случаях когда не нужна высокая точность измерения и чувствительный элемент расположен рядом с измерительной схемой.

3-проводная схема добавляет один дополнительный провод по сравнению с 2-проводной схемой, но это позволяет уменьшить влияние сопротивления проводов примерно на 50%. Кроме того, в данной схеме возможна компенсация сопротивления проводов, если все провода имеют одинаковое сопротивление. Данная схема используется как компромисс между неточной 2-проводной схемой и более дорогой 4-проводной схемой.

4-проводная схема содержит четыре провода и обеспечивает наивысшую точность измерения, за счет того что сопротивление проводов не оказывает влияния на измерение величины сопротивления термометра. Это достигается использованием отдельной пары проводов для измерения напряжения на термометре и отдельной пары проводов для возбуждения термометра.

Измерительная цепь для термометров сопротивления

Рассмотрим задачу измерения температуры с помощью термометра Pt100 в диапазоне от -200 до +600 градусов Цельсия с разрешением в 1 градус Цельсия. Схему подключения используем 4-проводную. Оценим требуемую точность измерения сопротивления. Для этого из характеристик термометра и ГОСТ 6651-2009 определяем значения сопротивления термометра в крайних точках диапазона, а также дискрет сопротивления на 1 градус. Получаем, что сопротивление термометра изменяется в диапазоне от 18 до 314 Ом с дискретом порядка 0.3 Ом/градус Цельсия.

Для возбуждения термометра будем использовать источник постоянного тока, а измерять сопротивление будем логометрическим способом, т. е. будем измерять отношение сопротивления термометра к сопротивлению опорного резистора. В итоге получаем следующую функциональную схему:

Четырех проводная измерительная цепь для RTD

В данной схеме источник тока I1 задает постоянный ток в измерительной цепи. Вольтметр V1 измеряет напряжение на термометре (V1=Rrtd*I1), а вольтметр V2 – на опорном резисторе Rref (V2=Rref*I1). Отношение напряжений будет равно n=V1/V2=Rrtd*I1/(Rref*I1)=Rrtd/Rref. Откуда следует что отношение резисторов не зависит от абсолютной величины тока I1 и его нестабильности. Этот факт является достоинством логометрического метода измерения.

В реальных схемах в качестве вычислителя отношения резисторов n используется аналого-цифровой преобразователь (АЦП) которому на измерительный вход Vin подается напряжение V1, а на вход опорного напряжения Vref — напряжение V2. Т.к. АЦП реализует функцию преобразования вида code=2^N*Vin/Vref, где N – разрядность АЦП, то значение сопротивления термометра Rrtd=code*Rref/2^N.

Cуществуют микросхемы АЦП в которых все вышепоказанные узлы интегрированы в один корпус, т. е. содержат входной коммутатор, малошумящий усилитель, программируемый источник тока, высокоточный АЦП и логику для реализации интерфейса с микроконтроллером. Наиболее существенный недостаток данных микросхем это их цена, которая стартует от 10$ за микросхему при количестве от 1000 шт. При меньших сериях цена будет выше.

Далее рассмотрим реализацию измерительной цепи с использованием операционных усилителей и встроенного АЦП микроконтроллера. Данный вариант может использоваться в случае когда не требуется высокая точность измерений и нет серьезных ограничений по потреблению и габаритам.

Реализация измерительной цепи термометра сопротивления (RTD) на микроконтроллере и ОУ

Итак, имеем термометр PT100, работающий в диапазоне температур от -200 до +600 градусов Цельсия с разрешением в 1 градус Цельсия. Требуемый диапазон измерения сопротивлений от 18 до 314 Ом с разрешением 0.3 Ом.

Оценим требуемую эффективную разрядность АЦП. Разрядность будет равна N=log((Rmax-Rmin)/dR)/log(2)=log((314-18)/0.3)/log(2)=9.95 разрядов. Типовой 12-битный АЦП, встроенный в микроконтроллер, имеет неустранимую ошибку порядка двух разрядов и число эффективных бит порядка 10.5, что позволяет использовать его для измерений в нашем случае.

Упрощенная схема измерительной цепи показана на рисунке:

Реализация измерительной цепи термометра сопротивления (RTD) на микроконтроллере

Для подключения термометра RTD используется четырех проводная схема. Возбуждающий ток задается источником тока на ОУ DA4.1-2 и транзисторе VT1. Ток протекает по внешней паре проводов от источника питания +3.3В через резистор Rlim, термометр RTD, резистор Rflt, транзистор VT1, опорный резистор Rref в обратный провод. Величина тока и сопротивление опорного резистора Rref выбраны таким образом чтобы исключить разогрев термометра проходящим током и получить достаточную величину опорного напряжения. В данном случае сила тока составляет 500мкА, а сопротивление Rref=5.1 кОм. При этом опорное напряжение Vref составляет 2.55В. Оно снимается с резистора Rref с помощью дифференциального усилителя на DA2.2 и подается на вход внешнего опорного напряжения встроенного АЦП микроконтроллера.

На микросхемах DA1 и DA4.3 собран источник опорного напряжения 1.25В. Это напряжение используется в качестве задающего напряжения для источника тока.

Для снятия падения напряжения с термометра используется внутренняя пара проводов и инструментальный усилитель на трех ОУ DA2.1,DA2.3,DA2.4. Такая схема позволяет подавить синфазные составляющие во входном сигнале и усилить полезный дифференциальный сигнал. Усиление задается соотношением резисторов Rgain и Ros. В данном случае диапазон напряжений на термометре составляет 9 — 157 мВ, а входной диапазон АЦП составляет 0 — 2.5В. Выберем коэффициент усиления равным 15, при этом диапазон входного сигнала АЦП составит 135 — 2355 мВ. Т.о. останется достаточный запас на калибровку измерительной цепи. После усилителя сигнал с термометра подается на вход АЦП микроконтроллера.

При использовании данной измерительной цепи на выходе АЦП получаем код, показывающий соотношение между сопротивлением термометра и сопротивлением опорного резистора. Из этого факта следует, что для обеспечения стабильности и точности измерений температуры опорный резистор необходимо выбирать с достаточно высокой температурной стабильностью и начальной точностью. ОУ должны обладать малыми шумами, минимальным смещением и малой зависимостью параметров от температуры.

Кроме этого в конечном продукте обязательно использование калибровки измерительной цепи для устранения ошибок смещения и усиления. Пересчет сопротивления термометра в показания температуры осуществляется по методике из ГОСТ 6651-2009 и реализуется в микроконтроллере. Выдача результата осуществляется по токовой петле 4-20мА или по цифровым интерфейсам HART и MODBUS.