RTD 센서 신호 조절 회로 소개

이 시리즈의 이전 기사에서는 저항 온도 감지기(RTD)의 기본 원리와 해당 응답의 특징을 설명했습니다. 이 기사에서는 RTD 애플리케이션을 위한 다양한 신호 조정 회로의 기본 사항에 대해 설명합니다.

간단한 저항성 전압 분배기를 사용하여 RTD 저항의 변화를 전압 신호로 변환할 수 있습니다. 그림 1은 백금 RTD의 일반적인 회로도를 보여줍니다. 그림의 Pt1000은 0°C에서 공칭 저항이 1000Ω인 백금 RTD를 나타냅니다.

대부분의 저항성 센서와 마찬가지로 RTD 센서는 측정된 물리량의 변화에 ​​따라 상대적으로 작은 비율로 변경됩니다. 이를 염두에 두고 Pt1000의 온도 계수는 약 3.85Ω/°C입니다. 노드 A의 전압 변동이 얼마나 큰지 살펴보겠습니다.

상대적으로 까다로운 요구 사항인 0.2°C의 분해능으로 온도를 측정해야 한다고 가정해 보겠습니다. 온도가 0°C에서 0.2°C로 변하면 센서 저항이 1000Ω에서 1000.77Ω으로 증가합니다. 결과적으로 아래 계산된 대로 노드 A의 전압이 1.5V에서 1.500577V로 변경됩니다.

\[V_{A}=\frac{R_{rtd}}{R_{rtd}+R_{1}}\times V_{exc}=\frac{1000.77\times3}{1000.77+1000}=1.500577V\]

따라서 온도를 0.2°C 변경하면 노드 A의 전압이 약 577μV 변경됩니다. VA를 직접 측정하여 RTD 저항 값과 온도를 결정할 수 있습니다. 그러나 우리의 측정 시스템은 1.5V 신호에서 밀리볼트 미만의 변화를 감지할 수 있을 만큼 충분한 분해능을 가져야 합니다. 1.5V를 최소 필수 단계 크기(577μV)로 나누면 아날로그-디지털 변환기의 무잡음 수를 추정할 수 있으며 이는 다음과 같이 작동합니다.

\[잡음\,무료\,카운트=\frac{1.5V}{577\mu V}\약2600\,카운트\]

이는 약 log2(2600) = 11.34비트의 무잡음 분해능에 해당합니다. 이는 A/D 분해능의 대략적인 값만 제공한다는 점에 유의하세요. 실제 요구 사항은 더 엄격하며 온도계가 설계된 온도 범위에 따라 달라집니다. 또한 우리는 3.85Ω/°C의 일정한 온도 계수를 사용하여 RTD를 모델링한 반면, RTD는 실제로 비선형 장치입니다.

오늘날의 델타-시그마(ΔΣ) 변환기를 사용하면 11비트의 무잡음 분해능을 쉽게 달성할 수 있습니다. 따라서 그림 1의 회로를 ΔΣ 변환기와 함께 사용하여 RTD의 전압을 직접 디지털화할 수 있습니다.

그러나 수십 년 전에는 이러한 고성능 데이터 변환기를 사용할 수 없거나 경제적이지 않았습니다. 회로 설계자들은 RTD 측정을 위해 Wheatstone 브리지 회로와 같은 기술을 사용했습니다. 브리지 회로는 힘 및 압력 감지 애플리케이션과 같은 다른 영역에서 여전히 일반적으로 사용되지만 RTD 측정에는 거의 사용되지 않습니다. 그럼에도 불구하고, 완전성을 기하기 위해 브리지 회로가 ADC(아날로그-디지털 변환기) 요구 사항을 완화할 수 있는 방법을 아래에서 간략하게 설명하겠습니다.

Pt1000 측정을 위한 기본 Wheatstone 브리지가 그림 2에 나와 있습니다.

출력 전압은 두 가지 사이의 전압 차이입니다. 실제로 브리지 회로는 단일 종단 측정을 단순한 전압 분배기 분기에서 차동 측정으로 변경합니다. 이 경우 브리지가 균형을 이루면(0°C에서) 출력은 0V입니다. 온도가 0.2°C 증가하면 출력은 아래 계산대로 577μV로 증가합니다.

\[V_{OUT}=V_{A}-V_{B}=\frac{1000.77\times3}{1000.77+1000}-\frac{1000\times3}{1000+1000}=577\mu V\]

이 경우 RTD 저항 변화를 반영하는 원하는 신호는 큰 DC 신호 위에 올라가지 않습니다. 출력에는 측정하려는 신호만 포함됩니다. ADC의 무잡음 분해능을 결정하려면 온도계의 전체 온도 범위에 걸쳐 VOUT의 최대값과 최소값을 고려해야 합니다. -40°C ~ 150°C 범위를 측정해야 한다고 가정합니다. RTD 저항은 이 온도 범위에서 842.47Ω에서 1573.25Ω으로 변경됩니다. 이 정보를 사용하여 아래 표 1에서 계산된 VOUT의 최대값과 최소값을 결정할 수 있습니다.