Profiteer van de voordelen van RTD-temperatuursensoren zonder de complexiteit van de interface

Van gezondheidszorg, instrumentatie, HVAC en automobieltoepassingen tot het Internet of Things (IoT), temperatuur is de meest waargenomen real-world parameter, en het kennen van de temperatuur met de juiste balans van nauwkeurigheid, precisie en herhaalbaarheid is van cruciaal belang voor vele toepassingen. Een veel gebruikte temperatuursensor is de weerstandstemperatuurdetector (RTD), een metalen precisie-element dat gewoonlijk is vervaardigd van zuiver of bijna zuiver platina. Een op platina gebaseerde sensor heeft een volledig gedetailleerde, herhaalbare en gekarakteriseerde weerstand-tegen-temperatuur overdrachtsfunctie, zodat RTD's op grote schaal worden gebruikt in wetenschappelijke en instrumentatietoepassingen.

Om het prestatiepotentieel van deze schijnbaar eenvoudige sensor met twee aansluitingen ten volle te benutten, moet de ontwerper echter de verschillende manieren begrijpen om de sensor aan te drijven en de weerstand ervan te meten om de temperatuur te bepalen. Bovendien zijn voor veel toepassingen meerdere weerstandsthermometers nodig, zodat de interface en de bijbehorende schakelingen ook op de toepassing moeten zijn afgestemd.

Wat ontwerpers nodig hebben, zijn RTD-specifieke componenten die de inherente eigenaardigheden van de RTD aanpakken en overwinnen. Dit artikel laat zien hoe IC's van Texas Instruments, Maxim Integrated en Analog Devices, samen met een evaluatiekaart van Microchip Technology, kunnen worden gebruikt om hun toepassing te vereenvoudigen.

Hoe RTD-sensoren werken

Enigszins vergelijkbaar met de thermistor is het werkingsprincipe van de RTD bedrieglijk eenvoudig. Het is een platina draad of dunne film, soms met toevoeging van andere edele metalen zoals rhodium, met een bekende nominale weerstand en een positieve verandering van de weerstand als functie van de temperatuur (d.w.z. positieve temperatuurcoëfficiënt of PTC). RTD's kunnen worden gefabriceerd met veel verschillende nominale weerstandswaarden, waarbij de meest voorkomende de Pt100 en Pt1000 zijn (soms geschreven als PT100 en PT1000) met een nominale weerstand van respectievelijk 100 ohm (Ω) en 1000 Ω bij 0⁰C.

Gangbare manieren om de sensor te construeren zijn onder meer het winden van de platinadraad rond een glazen of keramische drager, of het gebruik van platina in een dunne-film fabricage (figuur 1). Wegens het wijdverbreide gebruik en de noodzaak van uitwisselbaarheid is een internationale norm, DIN EN 60751 (2008), vastgesteld waarin de gedetailleerde elektrische kenmerken van platina temperatuursensoren zijn vastgelegd. De norm bevat tabellen van weerstand tegen temperatuur, toleranties, curven en temperatuurbereiken.

Figuur 1: Voor deze RTD's worden (van links naar rechts) dunne-film-, glas- en keramische fabricagetechnieken gebruikt. (Afbeelding bron: WIKA Alexander Wiegand SE & Co. KG)

Standaard platina weerstandsthermometers werken in een bereik van -200⁰C tot +800⁰C. Hun voornaamste kenmerken zijn een hoge stabiliteit, herhaalbaarheid en nauwkeurigheid, mits zij op de juiste wijze door een stroom- of spanningsbron worden aangedreven, en hun weerstand wordt gemeten als een spanning over hun twee aansluitingen met behulp van een geschikte analoge front-end (AFE) schakeling, waarbij de spanningsaflezingen voor de grootste nauwkeurigheid lineair worden gemaakt.

De weerstand van een weerstandsthermometer verandert vrij sterk met de temperatuur, waardoor hij nog geschikter is voor zeer nauwkeurige metingen. Voor een standaard Pt100-apparaat varieert de weerstand van ongeveer 25 Ω bij -200⁰C tot ongeveer +375 Ω bij +800⁰C. De gemiddelde helling tussen 0°C en +100°C wordt alpha (α) genoemd, of temperatuurcoëfficiënt, en de waarde ervan hangt af van de onzuiverheden en hun concentraties in het platina. De twee meest gebruikte waarden voor alpha zijn 0,00385055 en 0,00392.

RTD's worden aangeboden in duizenden specifieke modellen van vele bronnen. Een voorbeeld is de Vishay Beyschlag PTS060301B100RP100, een 100 Ω platina RTD met een basisnauwkeurigheid van ±0,3% en een temperatuurcoëfficiënt van ±3850 ppm/°C in een 0603 SMT behuizing. Hij maakt deel uit van de PTS-serie van 100 Ω, 500 Ω en 1000 Ω draadloze SMT-RTD's in respectievelijk 0603, 0805 en 1206 behuizingen. Deze toestellen worden vervaardigd met behulp van een homogene laag platina die wordt afgezet op een hoogwaardig keramisch substraat, en worden geconditioneerd om de juiste temperatuurcoëfficiënt en stabiliteit te bereiken. De sensorelementen zijn bedekt met een beschermende coating, ontworpen voor elektrische, mechanische en klimatologische bescherming, en voldoen aan alle relevante IEC- en DIN-normen voor prestaties en conformiteit. Dankzij zijn geringe afmetingen heeft het 100 Ω-apparaat in de 0603-verpakking een snelle reactietijd in vrije lucht van minder dan twee seconden tot binnen 90% van de uiteindelijke weerstandswaarde.

RTD linearisatie

RTD's zijn tamelijk lineair, maar hebben toch een gebogen, monotone afwijking. Voor toepassingen met een nauwkeurigheid van één graad of enkele graden is het wellicht niet nodig de overdrachtsfunctie van de weerstandsthermometer te lineariseren, aangezien de afwijking vrij klein is (figuur 2). Bijvoorbeeld, tussen -20⁰C en +120⁰C, is het verschil minder dan ±0.4⁰C.

Figuur 2: Weerstand Pt100 RTD t.o.v. temperatuur, weergegeven met de rechte lijn benadering voor 0°C tot +100°C. (Bron afbeelding: Maxim Integrated)

De RTD wordt echter vaak gebruikt in precisietoepassingen die een nauwkeurigheid tot op een tiende of beter van een graad vereisen en daarom is linearisering nodig. Linearisering kan worden uitgevoerd door berekeningen in software of door een opzoektabel. Voor zeer nauwkeurige linearisering wordt de Callendar-Van Dusen-vergelijking gebruikt:

waarin T = temperatuur (°C); R(T) = weerstand bij T; R0 = weerstand bij T = 0 °C; en A, B, en C RTD-specifieke constanten zijn.

Voor α = 0,00385055 definieert de DIN-RTD-norm de Callendar-Van Dusen-coëfficiëntwaarden A, B, en C als:

A = 3,90830 x 10-3,

B = -5.77500 x 10-7, en

C = -4,18301 x 10-12 van -200°C tot 0°C, en C = 0 van 0°C tot +850°C (dit heeft het voordeel dat de polynoom wordt teruggebracht tot een eenvoudiger vergelijking van de tweede orde)

RTD aansluitingen

Als passieve weerstand met twee aansluitingen zijn de aandrijf- en detectiecircuits van de RTD-interface in principe eenvoudig, en de aandrijving kan een spannings- of stroombron zijn. In de meest elementaire vorm met een spanningsbron zijn de draden van de RTD met de bron verbonden, evenals een in serie geplaatste stabiele bekende weerstand (RREF) die gewoonlijk dezelfde nominale waarde heeft als de RTD (figuur 3). Dit vormt een standaard spanningsdelercircuit. De spanning over zowel de RTD als de serieweerstand worden gemeten, en eenvoudige spanningsdelerberekeningen worden dan gebruikt om de RTD-weerstand te berekenen. De nauwkeurigheid kan worden verbeterd door de spanning over de bekende weerstand te meten, samen met de spanning over de weerstandsthermometer.

Figuur 3: Deze vereenvoudigde schakeling voor de conditionering van het RTD-signaal gebruikt de RTD in serie met een bekende referentieweerstand (RREF) en een stroombron; de spanning over de RTD wordt gemeten samen met de spanning over de referentieweerstand om de RTD-weerstand te berekenen. (Bron afbeelding: Maxim Integrated)

Hoewel eenvoudig, heeft deze opstelling vele bronnen van potentiële onnauwkeurigheid, waaronder veranderingen in de bronspanning, de temperatuurcoëfficiënt van de referentieweerstand, de daling van de stroom-weerstand (IR) van de aansluitdraden, en zelfs de temperatuurcoëfficiënt van de koperen aansluitdraden, die ongeveer +0,4%/˚C bedraagt. Om deze foutbronnen gedeeltelijk te ondervangen wordt de RTD vaak in plaats daarvan gebruikt in een ratiometrische Wheatstone-brugconfiguratie.

De aanpak met brug- en spanningsaandrijving heeft echter nog zwakke punten. Een ratiometrische opstelling zoals de brug heeft een bekende niet-lineaire relatie op zich, onafhankelijk van de niet-lineariteit van enig brugelement. Daarom moet deze relatie worden verdisconteerd in de berekeningen die corrigeren voor de niet-lineariteit van het OTO-element, wat het algoritme ingewikkelder maakt en de verwerkingsbelasting verhoogt.

Om deze en andere redenen wordt de RTD bijna altijd gebruikt met een stroombron. Dit maakt volledige controle over de aandrijfsituatie mogelijk en biedt mogelijkheden om spanningsval en temperatuurgerelateerde veranderingen in de verbindingskabels directer te compenseren. Afhankelijk van de toepassing en de afstand tussen de RTD en zijn AFE, kunnen ontwerpers twee-, drie-, vier-, of vierdraads met lusaansluitingen gebruiken (figuur 4).

Figuur 4: Voor de onderlinge verbinding tussen de RTD en de AFE kunnen twee, drie of vier draden worden gebruikt; de laatste kan een gekoppelde vierdraadsverbinding zijn of een aparte lus voor twee draden hebben. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

De tweedraadsverbinding is het eenvoudigst, het minst omvangrijk en het goedkoopst. Deze methode is echter alleen geschikt voor nauwkeurige resultaten wanneer de draden die de Pt100 RTD met het AFE-circuit verbinden een zeer lage weerstand hebben van minder dan een paar milliohms (mΩ), waarbij de draadweerstand niet significant wordt in vergelijking met de weerstand van de RTD. Doorgaans wordt de afstand beperkt tot ongeveer 25 centimeter (cm), maar dit hangt ook af van de dikte van de draden, die doorgaans dun zijn als gevolg van de fysieke installatieconfiguratie en -beperkingen. Het is natuurlijk mogelijk het spanningsverlies met berekeningen te corrigeren. Dit maakt het echter ingewikkelder, vooral als de weerstand van de looddraad wordt beïnvloed door de temperatuur.

Voor langere afstanden tot ongeveer 30 meter (m) wordt de drie-aderige benadering gebruikt. Hier controleert de schakeling één kant van de stroomlus met een Kelvin-aansluiting, waarbij het spanningsverlies in de weerstand van de lus wordt gemeten en vervolgens wordt gecompenseerd voor dat verlies. Bij deze methode wordt ervan uitgegaan dat de spanningsval in de niet-Kelvin loodzijde dezelfde is als in de Kelvin loodzijde.

De vierdraads benadering maakt gebruik van volledige Kelvin sensing om beide zijden van de stroomlus van de RTD te bewaken. Deze aanpak biedt precisie bij het elimineren van het effect van loodweerstand, ongeacht de verschillen tussen de twee stroombrondraden. Hij kan worden gebruikt over afstanden van honderden meters, maar heeft de grootste impact op materiaal en draadmassa.

Tenslotte geeft de vierdraads met lus benadering de ontwerper keuzes in hoe het verlies in de lus te meten. De weerstand van de lusverbindingsdraden kan worden gemeten als een eenvoudige weerstand onafhankelijk van de eigenlijke RTD-lus, ervan uitgaande dat de twee extra draden identiek zijn aan de RTD-draden. Deze aanpak lijkt misschien meer hoofdbrekens te geven dan de directe Kelvin-regeling wat installatie en berekeningen betreft, maar er zijn praktische gevallen waarin het fysiek moeilijk is om regelmatige Kelvin-aansluitingen bij de weerstandsthermometer aan te brengen. Toch wordt deze opstelling niet vaak gebruikt in moderne installaties, omdat de vier- en zelfs driedraadsaanpak met de juiste opstelling en ijking vergelijkbare resultaten kan opleveren.

Merk op dat de keuze van een twee-, drie- of vierdraadsinterface onafhankelijk is van de RTD en dat elke RTD met elk van de keuzemogelijkheden kan worden gebruikt, mits er ruimte en toegang is om de nodige fysieke aansluitingen te maken. In fysisch kleine opstellingen kan de massa van de draadbundel echter thermische verschuivingen en extra thermische tijdconstanten veroorzaken. In het algemeen is het een goede gewoonte om de thermische massa van de sensoropstelling zo klein mogelijk te houden ten opzichte van de massa die wordt gedetecteerd.

Kwesties in verband met de verbindingskabels en signaalintegriteit gaan verder dan alleen de basisgelijkstroomweerstand. Ruis is vaak een punt van zorg, en hoewel temperatuur een relatief langzaam veranderend verschijnsel is in vergelijking met de meeste ruissignalen, kan ruis toch het signaal bij de AFE verstoren als deze optreedt juist op het moment dat de spanning over de RTD wordt bemonsterd of omgezet. In extreme gevallen kan ruis het front-end verzadigen en het gedurende enkele milliseconden (ms) "verblinden" tot het uit de verzadiging komt.

Om deze en andere redenen moeten de sensorkabels van de RTD worden gebalanceerd (soms ook longitudinale balans genoemd) met gelijke impedantie naar aarde als hun lengte groter is dan ongeveer één meter. De reden hiervoor is dat deze parallelle leidingen waarschijnlijk een common-mode voltage (CMV) en ruis zullen hebben, maar het differentiële front-end van de AFE kan deze afstoten. Indien de leidingen echter niet in balans zijn, zal de schakeling een deel van het common-mode signaal omzetten in een ongebalanceerd signaal, dat niet zal worden afgewezen door de differentiële ingang van de AFE.

Pt100 vs. Pt1000 RTD keuze

Aangezien de meest gangbare weerstandsthermometers verkrijgbaar zijn met een weerstand van 100 Ω of 1000 Ω bij 0⁰C, is de voor de hand liggende vraag hoe hiertussen te kiezen. Zoals altijd zijn er afwegingen en is er niet één "goed" antwoord, aangezien het afhangt van de specifieke toepassing. Merk op dat de lineariteit van de karakteristiek, het bedrijfstemperatuurbereik en de aanspreektijd voor zowel Pt100 als Pt1000 RTD's gelijk of bijna gelijk zijn, en dat hun temperatuurscoëfficiënt van weerstand ook gelijk is.

De Pt100-RTD heeft een lagere nominale weerstand en kan daarom, zoals eerder opgemerkt, alleen worden gebruikt voor korte afstanden in een tweedraadsconfiguratie, aangezien de weerstand van de kabel aanzienlijk zal zijn in vergelijking met de RTD. De afleidingsweerstand is daarentegen veel kleiner dan de Pt1000-weerstand, waardoor de Pt1000 beter geschikt is voor langere tweedraadsleidingen.

Aangezien de Pt1000 RTD een hogere weerstand heeft, volgens de wet van Ohm (V = IR), heeft hij minder aandrijfstroom nodig om een bepaalde spanning over de RTD te ontwikkelen. Een bescheiden stroom van 1 milliampère (mA) levert een daling van 1 volt op bij 0⁰C, en de spanning stijgt vanaf die waarde naarmate de temperatuur stijgt.

Er is echter een potentieel ongewenst gevolg van hogere spanningen, aangezien de spanning van de RTD het AFE-front-end bij hogere temperaturen kan overschrijden. Tevens moet de stroombron voldoende conform zijn om de vaste stroomwaarde door de weerstand te sturen. Bijvoorbeeld, 1 mA door 1000 Ω vereist een stroombronconformiteit van iets meer dan 1 volt, maar naarmate de weerstand van de RTD toeneemt en hij warmer wordt, neemt de benodigde conformiteit evenredig toe. Een RTD-stroombron met hoge weerstand kan dus hogere spanningsrails nodig hebben om een toereikende nalevingsspanning te garanderen.

De lagere stroom die de Pt1000 nodig heeft voor een bepaalde spanningsval heeft twee voordelen. Ten eerste is er minder stroom nodig, waardoor de batterij langer meegaat. Ten tweede wordt de zelfopwarming van de RTD verminderd, wat een groot effect kan hebben op de nauwkeurigheid van de meting. De juiste technische praktijk is het gebruik van een stroomstootniveau dat de zelfverhitting van de sensor tot een minimum beperkt, in overeenstemming met de ontwikkeling van voldoende spanningsval en dus resolutie over de RTD.

Dit betekent niet dat er weinig plaats is voor de Pt100 RTD. In feite wordt het veel gebruikt in de industrie om erfenisredenen, en waar kabellengte, werking met laag vermogen en zelfverhitting geen belangrijke factoren zijn. Als lussen met lage impedantie zijn Pt100 RTD-installaties ook veel minder gevoelig voor ruispieken in vergelijking met die met de Pt1000 RTD, die inherent een lusimpedantie heeft die tien keer hoger is.

Naast de elektrische overwegingen zijn er ook mechanische overwegingen. Pt100-sensoren zijn beschikbaar als zowel draadgewonden als dunne-film constructies met verschillende fysische kenmerken, terwijl Pt1000 RTD's over het algemeen alleen als dunne-film apparaten worden aangeboden.

Merk op dat voor toepassingen met hogere nauwkeurigheid andere stappen nodig kunnen zijn om de zelfverhittingsfout van de RTD te minimaliseren.Een manier om dit te doen is de stroom door de RTD te pulseren en dan de spanning te meten tijdens de pulsperiode.Hoe korter de duty cycle van de puls, hoe lager de zelfverhittingsfout. Deze aanpak vereist echter ook een iets meer gesofisticeerde interface om de pulstiming en de duty cycle goed te beheren, en de spanningsaflezing met de pulsen te synchroniseren.

IC's vereenvoudigen de RTD-interface

Net als bij hun andere temperatuurvoelers op basis van weerstand ziet de RTD er eenvoudig uit en dat zou het gebruik ervan ook moeten zijn. Het is per slot van rekening een weerstand met twee aansluitingen zonder noemenswaardige parasieten in de relatief trage wereld van de temperatuurmeting. Niettemin hebben wij gezien dat de gebruikers van deze opnemer, net als bij thermistors en vele andere basissensors, met een groot aantal zaken rekening moeten houden, zoals aandrijving, linearisatie, kalibratie, loodcompensatie en meer; de situatie wordt nog ingewikkelder wanneer meer dan één RTD wordt gebruikt, zoals vaak het geval is.

Om de problemen in verband met de RTD-interfacing op te lossen, hebben IC-leveranciers toepassingsspecifieke IC's ontwikkeld die zowel de aansluiting aan de analoge, naar de RTD gerichte kant van het front-end als de geconditioneerde uitgang vergemakkelijken en zelfs zo ver gaan dat zij een volledige, processorcompatibele digitale interface omvatten. Voor de basisinterfacing met de RTD gebruikt de OPA317IDBVT operationele versterker van Texas Instruments bijvoorbeeld een eigen autokalibratietechniek om tegelijk een lage offsetspanning (typisch 20 microvolt (μV), maximaal 90 μV) en een drift in tijd en temperatuur van vrijwel nul, en een biasstroom van vrijwel nul te leveren. Het resultaat is dat de op-versterker de RTD niet "belast" of beïnvloedt, maar zowel "onzichtbaar" als consistent is. De op-versterker werkt op single-ended of bipolaire voedingen van 1,8 volt (±0,9 volt) tot 5,5 volt (±2,75 volt), en de ruststroom van 35 μA (maximum) maakt hem zeer geschikt voor toepassingen die op batterijen werken.

Een van de eigenschappen van deze op versterker is dat hij geconfigureerd kan worden om te werken op signalen die zeer dicht bij de aarde liggen, zoals het geval is voor een "koude" weerstand die werkt op een laag stroomniveau en dus met een lage spanning erover. Daarentegen hebben veel enkelspanningsopversterkers problemen wanneer de ingangs- en uitgangssignalen in de buurt komen van 0 volt, dicht bij de onderste output swing-limiet van een enkelspanningsopversterker. Hoewel een goede enkelspanningsopversterker dicht bij de enkelspanningsmassa kan schommelen, kan het zijn dat hij de massa niet bereikt. De uitgang van de OPA317IDBVT kan bij een enkelspanningsbron naar massa of iets daaronder worden geschakeld door een extra weerstand toe te voegen en een extra, negatievere voeding dan de negatieve voeding van de opversterker (figuur 5). Door een pull-down-weerstand toe te voegen tussen de uitgang en de extra negatieve voeding kan de uitgang lager worden gezet dan de waarde die de uitgang anders zou bereiken.

Figuur 5: Door een pull-down weerstand (RP) en een extra negatieve voeding toe te voegen, kan de OPA317IDBVT signalen verwerken die zich dicht bij het aardpotentiaal bevinden. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

De Maxim Integrated MAX31865 gaat verder dan alleen de analoge interface-op-versterker en is een gebruiksvriendelijke weerstand-naar-digitaal-omzetter die is geoptimaliseerd voor Pt100- en Pt1000- weerstandsthermometers (figuur 6). Het IC is beschikbaar in kleine 20-lead TQFN- en SOIC-pakketten en kan worden geconfigureerd voor twee-, drie- en vierdraads-RTD-interfaces, terwijl het aan de processorzijde een SPI-compatibele interface biedt.

Figuur 6: De Maxim Integrated MAX31865 RTD-naar-digitaal-omzetter omvat de analoge interface, digitizer en SPI-uitgang voor twee-, drie- en vierdraads-RTD's. (Bron afbeelding: Maxim Integrated)

Een enkele externe weerstand stelt de gevoeligheid in voor de gebruikte RTD, en een precisie 15-bits delta-sigma ADC zet de verhouding tussen de RTD-weerstand en de referentieweerstand om in digitale vorm, voor een nominale temperatuurresolutie van 0,03125⁰C en een nauwkeurigheid van 0,5⁰C onder alle bedrijfsomstandigheden en extremen.

Veel temperatuurmetingstoepassingen vereisen het gebruik van meerdere RTD's, samen met andere temperatuursensoren, om een testopstelling volledig te instrumenteren. Voor deze toepassingen ondersteunt het Analog Devices LTC2983 sensor-naar-digitaal, hoognauwkeurig digitaal temperatuurmeetsysteem IC een veelheid van sensoren en opties. Hij kan tot 20 sensorkanalen aan, die een combinatie kunnen zijn van twee-, drie- en vierdraads-RTD's, thermokoppels, thermistors en zelfs diodes (figuur 7). Het IC kan worden geprogrammeerd met het specifieke type sensor en de gewenste excitatie, en levert dan ingebouwde standaardcoëfficiënten voor deze sensoren; het ondersteunt ook aangepaste, door de gebruiker gespecificeerde coëfficiënten.

Figuur 7: De twintig universele ingangen van de Analog Devices LTC2983 kunnen naar behoefte worden gemengd voor het verdelen over thermokoppels, twee-, drie-, of vierdraads weerstandsthermometers, thermistors en diodes die als temperatuursensoren worden gebruikt. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Hij levert de digitale resultaten via een SPI-interface in °C of °F, met een nauwkeurigheid van 0,1 °C en een resolutie van 0,001 °C. Hij werkt op een enkele voeding van 2,85 tot 5,25 volt en bevat bekrachtigingsstroombronnen en foutdetectieschakelingen die geschikt zijn voor elk type temperatuursensor, alsmede koude-junctiecompensatie (CJC) voor alle thermokoppels.

Voor RTD data-acquisitie ontwerpen waarbij het team een op maat gemaakte complete schakeling wil maken maar niet "het wiel opnieuw wil uitvinden", biedt Microchip Technology de TMPSNS-RTD1 Pt100 RTD evaluatiekaart. De kaart ondersteunt twee RTD's en biedt de gebruiker de mogelijkheid de belangrijkste bedrijfsparameters, waaronder de RTD-stroom, te configureren (figuur 8).

Figuur 8: De TMPSNS-RTD1 Pt100 RTD-evaluatiekaart van Microchip Technology ondersteunt twee RTD's en biedt de gebruiker configureerbaarheid van belangrijke bedrijfsparameters. (Bron afbeelding: Microchip Technology)

Het blokschema van het evaluatiebord laat zien hoe het complete RTD-interfacekanaal functie-voor-functie wordt opgebouwd, zodat gebruikers de schakeling kunnen begrijpen en vervolgens naar behoefte kunnen aanpassen (figuur 9). De printplaat heeft een interne RTD en er kan ook een externe twee-, drie- of vierdraads Pt100 RTD worden aangesloten, samen met een stroombron met lage stroomsterkte om zelfopwarming te minimaliseren. De spanning over de RTD wordt versterkt met behulp van de MCP6S26 programmeerbare versterker (PGA). De PGA verhoogt de RTD-spanning en stelt de gebruiker ook in staat de versterkingsversterking digitaal te programmeren en het uitgangsbereik van de sensor te vergroten. Bovendien stuurt een differentiële versterker een 12-bit differentiële analoog-digitaal-omzetter (ADC) aan. Tenslotte worden de uitgangsgegevens van de convertor door de microcontroller met behulp van een SPI-interface uitgelezen en via de USB-interface naar de host-PC gezonden.

Figuur 9: Het blokschema van het TMPSNS-RTD1 Pt100 RTD evaluatiebord toont de AFE en het bijbehorende signaalpad van RTD-excitatie/- detectie via de SPI-interface. (Bron afbeelding: Microchip Technology)

De bijbehorende gebruikershandleiding bevat volledige installatie- en instellingsinformatie, alsook stapsgewijze instructies voor de intuïtieve grafische gebruikersinterface (GUI) op PC-basis. Met deze GUI kan de gebruiker parameters instellen zoals het aantal monsters, de bemonsteringssnelheid, de PGA-versterking, de interne RTD-stroom en de externe stroom (figuur 10).

Figuur 10: Met behulp van de meegeleverde PC-gebaseerde GUI kunnen gebruikers van de TMPSNS-RTD1 Pt100 RTD evaluatiekaart de belangrijkste bedrijfspunten aanpassen en de resulterende prestaties evalueren. (Bron afbeelding: Microchip Technology)

Om de documentatie te vervolledigen, bevat de gebruikershandleiding een volledig gedetailleerde stuklijst (BOM), schematisch diagram, lay-outs van de bovenste en onderste printplaten, en zijdeschermen.

Conclusie

Temperatuurmeting is een basisfunctie en de RTD is een populaire, veel gebruikte sensor voor deze toepassing, ook al kan het juiste gebruik ervan bedrieglijk ingewikkeld zijn. Wanneer hij echter met de juiste schakelingen wordt aangedreven en gevoeld, kan hij een hoge precisie en herhaalbaarheid bieden over een breed temperatuurbereik. Zoals bij elke hoogwaardige sensor moeten de kenmerken ervan worden begrepen om optimale prestaties te bereiken. Zoals aangetoond, kunnen gebruikers met IC's met verschillende niveaus van functionele integratie op weerstandsthermometers gebaseerde systemen bouwen met minimale verrassingen en superieure prestaties.