CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ CHÍNH XÁC VỚI RTD

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

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


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.

Nguồn dòng < 1mA

RTD, phần tử thông dụng nhất, được
làm từ Platin; thông thường 100 Ohm tại
0oC
Hình 1: Phần tử cảm biến nhiệt độ RTD sử dụng kích dòng

2


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

Với:
Điện trở phần tử RTD tại T (Ω)
Điện trở phần tử RTD tại 0oC (Ω)
Nhiệt độ phần tử RTD (oC)
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

RTD  RTD0 (1  AT  BT 2  CT 3 (T  100))
Trong đó:

RTD : điện trở ở T ()
RTD0 : điện trở ở 00 C

T : nhiệt độ của RTD
3


A, B, C : các hằng số thu được từ đo điện trở tại nhiều mức nhiệt độ
Theo giá trị chuẩn ITS-90

RTD0  100
A  3.9083 103 0C 1
B  5.775 107 0C 2
C  4.183 1012 0C 4 , T  0 0C
 0, T  0 0C

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

4


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
Rất chính xác và ổn định
Độ tuyến tính hợp lý
Tính lặp lại tốt

Nhược điểm
Đắt tiền
Yêu cầu kích thích bằng dòng điện
Có ảnh hưởng sự tự đốt nóng

Điện trở thấp

5


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

6


Công thức 3 :

VOUT A1  VREFGA1  VOUT A2
Trong đó:

VOUT A1 : điện áp ra của OpAmp A1
VOUT A2 : điện áp ra của OpAmp A2

VREF : điện áp tham chiếu tại ngõ vào
GA1 : độ lợi vi sai, bằng 1 V/V
Từ đây dễ dàng tính được VREF từ RREF với giả sử VOUT 2  V2 :
Công thức 4:

VRREF  VOUT A1  V2
VRREF  VREF
Trong đó:

V2 : điện áp ngõ ra A2
VRREF : sụt áp trên RREF
Dòng điện để phân cực RTD là hằng số và độc lập với điện áp V2 (điện áp rơi trên RTD) :
Công thức 5 :

I RREF  VRREF / RREF
I RREF  1 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

7


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:

8


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.

9


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

10