Diseño del circuito del sensor RTD

0

Criterios de diseño

Para un proyecto que estoy haciendo, quiero medir la temperatura utilizando un ADC de 10 bits en una MCU.

No me importa la precisión absoluta, pero me gustaría una precisión de aproximadamente 1/10 de grado C.

Para aclarar, estoy bien con un error de sesgo y ganancia e incluso una no linealidad débil, siempre que el error aleatorio (ruido) sea bajo y las mediciones sean consistentes entre lecturas de la misma temperatura.

El sensor se alimentará y leerá una vez por hora, por lo que el auto calentamiento no debería ser un problema.

Espero que las temperaturas que mediré sean de alrededor de 10-40 C. Sin embargo, para tener un espacio libre de diseño, opté por utilizar el rango [-40, + 100] C como criterio de diseño al dimensionar los elementos pasivos.

RTD elegido

Elegí hacer esto con un RTD. El particular que estoy viendo tiene:

  • 0C = 100 R
  • -50C = ~ 70 R
  • + 100C = ~ 140 R

Circuito

El circuito que he encontrado se muestra a continuación. Tiene cuatro componentes principales:

  • Una fuente de corriente de 1 mA para sesgar el RTD.
  • Un cambio de nivel del sentido de IDT.
  • Una escala del sentido RTD.

El objetivo del cambio de nivel y la escala del valor RTD detectado es escalar el rango de [-50C, + 100C] a [5V, 0V] para obtener el máximo uso del ADC de 10 bits en la MCU.

El TEMP_EN está conectado a un pin GPIO en la MCU, que se maneja alto antes de medir la salida con el ADC. El pin GPIO puede manejar 20 mA máx.

He elegido los resistores 300R y 5K11 para este diseño, ya que se utilizan en cualquier otra parte del proyecto y, de hecho, forman una relación muy cercana a la requerida para los divisores de tensión por una feliz coincidencia.

Se puede encontrar una simulación del circuito aquí .

UséWxMaximaparacalcularlosvaloresdelaresistencia:

Donde:

  • Va = voltaje detectado después de RTD
  • Vb = entrada negativa al primer amplificador operacional
  • Vc = entrada positiva al segundo amplificador operacional
  • Vd = entrada negativa al segundo amplificador operacional
  • A = ganancia de amplificador operacional (asumido ideal más adelante)

Espero una precisión de 150 C / 2 ^ 10 = 0.15 C en el valor medido.

Pregunta

Esta es la primera vez que trabajo con Op-Amps después de mi curso de EE en Uni, que fue hace mucho tiempo. Y mi primera vez construyendo una fuente de corriente constante. Me gustaría mucho recibir comentarios sobre el diseño de la fuente actual, ¿será lo suficientemente bueno? ¿Puedo hacer modificaciones fáciles para mejorar esta aplicación?

¿Puedo esperar que el circuito tenga una resistencia razonable al ruido? El entorno es un entorno doméstico típico y TEMP_AO se conecta a través de un cable apantallado de 30-50 cm, por lo demás silencioso a la MCU.

¿Debo desacoplar los amplificadores operacionales? No hay ningún cambio aquí, así que no estoy seguro de si son necesarios.

Tengo el cambio antes que la ganancia. ¿Debo cambiar el orden para hacer ganar primero y luego cambiar? ¿Cuál es mejor?

¿Alguna otra consideración que deba hacer?

    
pregunta Emily L.

4 respuestas

2

Los RTD de 100 ohmios de la norma DIN son 100 ohmios a 0'C y 138.50 ohmios a 100'C.

Comenzando desde el principio, su sumidero de corriente conmutada parece bastante inadecuado. Lo necesita para mantenerse estable dentro de +/- 0.03% para 0.1'C, y depende del voltaje GPIO (ruidoso) de un micro vs. los Vgs (mal definidos y sensibles a la temperatura) del MOSFET Q1 (y la coincidencia con Q2, y algunas otras cosas). Envuelva un amplificador operacional alrededor del sumidero de corriente, y dele un voltaje de referencia adecuado, no la tensión de alimentación del micro.

Incluso si tiene el llamado amplificador operacional riel a riel, no debería trabajar directamente a 0 V y 5 V si realmente debe leer las temperaturas correspondientes. Golpee un poco (según el amplificador operacional) de cada extremo y viva con resolución reducida.

En lo que respecta a la susceptibilidad de EMI, debe colocar un filtro de paso bajo delante del amplificador. 0.1'C es aproximadamente 38.5uV DC, que es una señal bastante saludable en DC, pero es fácil que el ruido, el zumbido, etc. se introduzcan.

Si el calentamiento espontáneo es un problema o no, depende de la constante de tiempo del RTD en el medio medido (incluido el tubo de protección u otro material presente) en comparación con el tiempo de medición (probablemente desee calcular un promedio de varias lecturas). ).

Sugeriría no cambiar la corriente a la RTD a menos que tenga alguna razón para hacerlo. Solo causará un pequeño desplazamiento que es relativamente estable.

    
respondido por el Spehro Pefhany
1

Le resultará más fácil usar una resistencia PT1000 de 1k: menos corriente, mayor voltaje para el mismo calentamiento.

No puedo ver que tu disposición de espejo actual sea vagamente viable: necesitas la corriente para tener una precisión de 1/5000.

El filtrado (es decir, un condensador a través de R3) reduciría el ruido, aunque no será el problema el problema. Siempre debe tener condensadores de desacoplamiento, y debe tener algunos condensadores de filtrado de RF en el circuito de entrada.

Como cuestión de interés, hay muchas maneras buenas y adecuadas de hacerlo, y luego está la siguiente manera ...

Mi hijo pudo usar el PT1000 con un divisor de voltaje simple con un micro picaxe, sumando las lecturas de ADC de 10 bits 16x. (es decir, promediado)

0.1C tiene una resolución de resistencia de aproximadamente 1/2500, por lo que puede funcionar.

Por supuesto, esto requiere un ADC lo suficientemente ruidoso como para distorsionar la entrada en ~ 1 bit.

Traza un histograma del residual después de dividir pero la suma de N, puede ver si el promedio está funcionando, ¿tiene suficiente ruido?

    
respondido por el Henry Crun
1

Desacoplar opamps, 1uF a través del suministro.

La temperatura es más fácil de medir con solo jalar hacia arriba. Ok, es posible que desee utilizar un esquema de 3 o 4 cables para compensar los cables, pero definitivamente no necesita un espejo actual. Para PT100 y corriente de 1 mA obtendría un comportamiento muy lineal. Pero si esto no es lo suficientemente lineal, tome diez puntos para buscar en la tabla e interpolar.

Un buen filtro te dará tus 10 bits. Asegúrate de utilizar un indicador de desviación muy bajo, para que la temperatura del circuito no duela.

Tal vez lo mejor que puedes hacer es ejecutar algunas simulaciones. No para el ruido, por supuesto, pero para ver que la ganancia y la compensación son buenas. Utilice ltspice. Compruebe cómo se comportan las resistencias del 1% frente al 0.1%

    
respondido por el Gregory Kornblum
0

Aquí hay un circuito de sensor de temperatura VASTLY simplificado probado que he usado. El amplificador es un amplificador de error de compensación de cero estabilizado por interruptor, y el sensor tiene una salida completamente lineal de 10 mV / grado. Algunas matemáticas muy simples le darán la salida necesaria al Micro. Si está intentando obtener una estabilidad de 10 bits, no puede superar esto. (Por favor, chicos, soy consciente de que hay ALGUNAS tolerancias) Pero, sin embargo, esto es muy superior en cuanto a linealidad y estabilidad, ya que usted lo encontrará por el precio. El op-amp y el sensor se pueden comprar en Digikey, y creo que el AD8639 se puede comprar como un solo circuito por inmersión de 8 pines.

    
respondido por el Sara Heart

Lea otras preguntas en las etiquetas