Cảm biến nhiệt độ chính xác với RTD

MICROCHIP AN687 APPLICATION NOTES 
CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ CHÍNH XÁC VỚI RTD 
NHÓM 1 – THÀNH VIÊN: 
Nguyễn Thanh Bình 41100306 
Lê Văn Khang Huy 41101345 
Trần Nhật Trường 41103937 
2 
CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ CHÍNH XÁC VỚI RTD 
Tác giả: Bonnie C. Baker 
 Micorchip Technology Inc 
GIỚI THIỆU 
HIện tượng được đo lường rông rãi nhất trong quá trình điều khiển môi trường là nhiệt độ. Linh 
kiện thông thường, như là nhiệt kế điện trở RTDs, thermistors, thermocouples hay điot, được 
sử dụng để nhận ra nhiệt độ tuyệt đối, cũng như là sự thay đổi của nhiệt độ. Để có một cái nhìn 
tổng quát và so sánh những cảm biến này, tham khảo tài liệu Microchip’s AN679, 
“Temperature-Sensing Technologies”. 
Trong những công nghệ này, phần tử cảm biến nhiệt platin là chính xác nhất, tuyết tính và ổn 
định theo thời gian và nhiệt độ. Công nghệ phần tử RTD đang được cải thiện, nâng cao hơn 
chất lượng đo đạc nhiệt độ. Thông thường, một hệ thống thu nhận dữ liệu yêu cầu tín hiệu 
tương tự từ cảm biến RTD, làm cho sự biến đổi tín hiệu tương tự của nhiệt độ có thể sử dụng 
trong miền số. 
Chú thích ứng dụng này tập trung vào giải pháp mạch sử dụng RTDs platin (xem hình 1). Sự 
tuyến tính của RTD sẽ được giới thiệu cùng với công thức chuẩn có thể sử dụng để cải thiện 
sự tuyến tính của phần tử. Với những thông tin thêm liên quan đến thermistor cảm biến nhiệt 
độ, tham khảo tài liệu Microchip’s AN685, “Thermistors in Single Supply Temperature Sensing 
Circuits”. Cuối cùng, đường điều kiện tín hiệu cho hệ thống RTD sẽ được bao phủ bởi mạch 
ứng dụng từ cảm biến đến vi xử lý. 
Hình 1: Phần tử cảm biến nhiệt độ RTD sử dụng kích dòng 
Nguồn dòng < 1mA 
RTD, phần tử thông dụng nhất, được 
làm từ Platin; thông thường 100 Ohm tại 
0oC 
3 
TỔNG QUAN RTD 
Từ viết tắt “RTD” bắt nguồn từ cụm “Resistance Temperature Detector”. Cảm biến RTD ổn 
định, tuyến tính và lặp lại tốt nhất làm từ kim loại Platin. Hệ số nhiệt của phần tử RTD là số 
dương và gần như không đổi. 
Phần tử RTD thông thường được chỉ ra với giá trị 0oC của 50, 100, 200, 500, 1000 or 2000Ω. 
Trong những lựa chọn này, RTD Platin 100Ω là ổn định nhất theo thời gian và tuyến tính theo 
nhiệt độ. 
Phần tử RTD yêu cầu kích dòng. Nếu biên độ nguồn dòng quá lớn, phần tử sẽ tán xạ năng 
lượng và bắt đầu tự đốt nóng. Do đó, cần có một sự can thiệp để đảm bảo dòng ít hơn 1mA 
được dùng để kích phần tử RTD. 
Một sự xấp xỉ với điện trở RTD Platin thay đổi theo nhiệt độ có thể được tính toán bằng cách sử 
dụng hằng số a = 0.00385Ω/Ω/°C (European curve, ITS-90). Hằng số này được sử dụng dễ 
dàng để tính điện trở tuyệt đối của RTD ở nhiệt độ trong khoảng -100°C và +200°C (với sai số 
nhỏ hơn 3.1°C). 
Công thức 1 
Nếu như bộ đo nhiệt độ yêu cầu một độ chính xác cao hơn, hay khoảng đo nhiệt độ lớn hơn 
được đo, công thức chuẩn dưới đây (Công thức Calendar-Van Dusen) có thể được sử dụng để 
tính trong máy điều khiển hay được sử dụng để tạo ra bảng tra. Hình 2 chỉ ra cả điện trở RTD 
và độ dốc của nó theo nhiệt độ. 
Công thức 2 
2 3
0(1 ( 100))RTD RTD AT BT CT T     
Trong đó: 
RTD : điện trở ở ( )T  
0RTD : điện trở ở 
00 C 
T : nhiệt độ của RTD 
Điện trở phần tử RTD tại T (Ω) 
Điện trở phần tử RTD tại 0oC (Ω) 
Nhiệt độ phần tử RTD (oC) 
Với: 
4 
, ,A B C : các hằng số thu được từ đo điện trở tại nhiều mức nhiệt độ 
Theo giá trị chuẩn ITS-90 
0
3 0 1
7 0 2
12 0 4 0
0
100
3.9083 10
5.775 10
4.183 10 , 0
0, 0
RTD
A C
B C
C C T C
T C
 
 
 
 
 
  
   
 
Hình 2: Đặc tính cảm biến nhiệt RTD có hệ số nhiệt điện trở hầu như là hằng số 
Khi thành phần RTD được hoạt động với dòng điện tham chiếu và hiện tượng tự đốt nóng được 
loại bỏ, độ chính xác là ±4.30C ở dải nhiệt -2000C đến 8000C. Độ chính xác của một RTD phổ 
dụng được trình bày như Hình 3 
5 
Hình 3: Độ chính xác của cảm biến nhiệt RTD bạch kim tốt hơn những loại cảm 
biến khác, như là thermocouple hay thermistor. 
Ưu và nhược điểm của thành phần cảm biến nhiệt RTD được tóm tắt trong Bảng 1 
Bảng 1: Ưu nhược điểm thành phần cảm biến nhiệt RTD 
Ưu điểm Nhược điểm 
Rất chính xác và ổn định Đắt tiền 
Độ tuyến tính hợp lý Yêu cầu kích thích bằng dòng điện 
Tính lặp lại tốt Có ảnh hưởng sự tự đốt nóng 
Điện trở thấp 
6 
MẠCH KÍCH THÍCH DÒNG ĐIỆN CHO RTD 
Để đạt được độ tuyến tính cao nhất, thành phần cảm biến nhiệt yêu cầu một giá trị dòng điện 
tham chiếu ổn định để kích thích. Điều này được thực hiện bằng một số giải pháp, như một ví 
dụ trình bày trong Hình 4. Trong mạch này, giá trị điện áp tham chiếu cùng vói hai OpAmp được 
sử dụng tạo ra nguồn dòng 1mA. 
Hình 4: Nguồn dòng cho RTD có thể được tạo bởi hai OpAmp cùng một điện áp tham chiếu chuẩn. 
Mạch được thực hiện như bộ Follow. OpAmp A1 và điện trở từ R1 đển R4 tạo thành bộ khuyếch 
đại vi sai với độ lợi GA1 bằng 1 V/V (vì giá trị các điện trở bằng nhau). Một nguồn tham chiếu 
chuẩn 2.5V được đưa vào đầu vào bộ khuyếch đại vi sai. Ngõ ra của OpAmp A2 (VOUT2≈ V2) làm 
điện áp tham chiếu của bộ khuyếch đại. Điện áp ngõ ra của A1 được trình bày trong Công thức 
3 
7 
Công thức 3 : 
1 1 2EFOUT A R A OUT A
V V G V  
Trong đó: 
1OUT A
V : điện áp ra của OpAmp A1 
2OUT A
V : điện áp ra của OpAmp A2 
EFRV : điện áp tham chiếu tại ngõ vào 
1A
G : độ lợi vi sai, bằng 1 V/V 
Từ đây dễ dàng tính được EFRV từ EFRR với giả sử 2 2OUTV V : 
Công thức 4: 
EF 1
EF
2
EF
R
R
R OUT A
R R
V V V
V V
 

Trong đó: 
2V : điện áp ngõ ra A2 
EFRR
V : sụt áp trên EFRR 
Dòng điện để phân cực RTD là hằng số và độc lập với điện áp V2 (điện áp rơi trên RTD) : 
Công thức 5 : 
EF EF
EF
EF/
1
R R
R
R R R
R
I V R
I mA


Dòng điện tỉ lệ thuận với điện áp tham chiếu. Điện áp tham chiếu này nên được sử dụng trong 
các mạch khác như ADC. 
Sai số tuyệt đối trong mạch xảy ra như là hệ quả của điện áp tham chiếu, điện áp offset của 
OpAmp, độ lệch ngõ ra của A1, sai lệch của điện trở hoặc các sai số trong RREF và RTD. Sự trôi 
nhiệt dộ của các thành phần giống nhau cũng dẫn tới sai số, chủ yếu là điện áp tham chiếu, trôi 
offset của OpAmp và thành phần RTD 
8 
Thay đổi về yếu tố điện trở của RTD thường được số hóa bằng một bộ chuyển đổi A/D( Hình 
5). Mạch kích dòng trong hình 4 kích RTD. Độ lớn nguồn dòng có thể được chỉnh tới 1mA nhờ 
điều chỉnh điện trở RREF. Độ sụt áp trên RTD được đo qua A3 và được A4 lọc và khuếch đại. Với 
mạch này, mô hình RTD 3 dây được lựa chọn, mạch này giúp giảm tối đa sai số nhờ điện trở 
của dây và độ thay đổi điện trở của dây theo nhiệt độ. 
Hình 5: Mạch này dùng một phần tử RTD để đo nhiệt độ từ -200oC đến 600oC. Một bộ tạo dòng 
kích thích cảm biến. Opamp A3 loại bỏ lỗi dây điện trở. Một Opamp khác A4 tạo ra độ lợi và lọc 
tín hiệu. Mạch chuyển đổi 12-bit (MCP3201) chuyển đổi điện áp qua RTD sang tín hiệu số cho 
mạch điều khiển 8 chân (PIC12C508). 
Trong mạch này, RTD có giá trị điện trở là 100Ω tại 00C. Nếu RTD được dùng để đo nhiệt độ 
trong tầm -200oC đến 600oC thì điện trở danh định của nó từ 18.5 Ω đến 313.7Ω, điện áp trên 
RTD từ 18.5mV tới 313.7mV. Vì tầm điện trở nhỏ, điện trở dây nối và sự thay đổi của điện trở 
dây nối theo nhiệt độ có thể làm ảnh hưởng đến quá trình đo của RTD. Vì thế, mạch RTD 3 dây 
được dùng để giảm các sai số này. 
Các sai số gây ra bởi điện trở dây nối, RW3 và RW1, được trừ đi sau khi qua bộ A3. Trong mạch 
này, R1 và R2 bằng nhhau và có giá trị lớn, giá trị này được chọn để đảm bảo dòng rò qua điện 
trở không gây lỗi lên RTD. Hàm truyền của phần mạch này là: 
Công thức 6 
VOUTA3=(VIN-VW1)(1+R6/R5) – VIN(R6/R5) 
Với VIN = VW3+VRTD+VW1. 
Nếu giá trị điện trở danh định được giả sử trước thì biểu thức trên có thể viết lại: 
9 
VOUTA3=VRTD 
Với: R5 = R6 và RW1 = RW3 
Tín hiệu điện áp ra của A3 được lọc bởi bộ lọc bậc 2 thông thấp với A4, R8, C8A, C8B, R9, C9. 
Thiết kế theo kiểu Bessel với băng thông 10Hz, độ lợi 7.47 V/V, giúp giảm nhiễu và chống 
chồng lấn phổ với tín hiệu tần số cao. 
Bộ lọc này thiết kế theo mô hình Sallen-Key chuyên biệt cho bộ lọc có độ lợi cao. Bộ tụ chia 
gồm C8A và C8B nâng cao độ nhạy bộ lọc với sự thay đổi của các thành phần.R12 cách ly ngõ ra 
A4 với các tụ trên để cải thiện đáp ứng trên miền tần số. 
Điện áp danh định ngõ ra của A4 từ 0.138V tới 2.343V( nhỏ hơn VREF=2.5V). Bộ chuyển đổi A/D 
cho độ phân giải nhiệt độ danh định là 0.22oC/LSB. 
KẾT LUẬN 
Mặc dù cần phải sử dụng nhiều mạch điều chế tín hiệu nhưng RTD có độ chính xác, độ đúng 
cao hơn trên tầm đo rộng hơn so với thermistor hay cảm biến Sillicon. 
Nếu mạch trên được hiệu chỉnh hợp lý, các hệ số sửa nhiệt độ được lưu trong PIC, nó có thể 
đạt được độ chính xác 0.01oC. 
10 
THAM KHẢO. 
RTD Temperature Sensors 
[1] “Evaluating Thin Film RTD Stability”, SENSORS, Hyde, Darrell, Oct. 1997, pg. 79. 
[2] “Refresher on Resistance Temperature Devices”, Madden, J.R., SENSORS, Sept.1997, pg. 
66. 
[3] “Producing Higher Accuracy From SPRTs (Standard Platinum Resistance Thermometer)”, 
MEASUREMENT & CONTROL, Li, Xumo, June 1996, pg. 118. 
[4] “Practical Temperature Measurements”, 
OMEGA ®Temperature Measurement Handbook, The OMEGA®Made in the USA Handbook™, 
Vol. 1, pp. Z-33 to Z-36 and Z-251 to Z-254. 
Other Temperature Sensors 
[5] AN679, “Temperature Sensing Technologies”, 
DS00679, Baker, Bonnie, Microchip Technology Inc. 
[6] AN684, “Single-Supply Temperature Sensing 
with Thermocouples”, DS00684, Baker, Bonnie,Microchip Technology Inc. 
[7] AN685, “Thermistors in Single-Supply Temperature-Sensing Circuits”, DS00685, Baker, 
Bonnie, Microchip Technology Inc. 
Sensor Conditioning Circuits 
[8] AN682, “Using Operational Amplifiers for 
Analog Gain in Embedded System Design”, 
DS00682, Baker, Bonnie, Microchip Technology Inc. 
[9] AN990, “Analog Sensor Conditioning Circuits – An Overview,” DS00990, Kumen Blake, 
Microchip Technology Inc. 
Active Filters 
[10] Kumen Blake, “Transmit Filter Handles ADSL Modem Tasks,” Electronic Design, June 28, 
1999