享受 RTD 溫度感測器的優點但不受介面複雜性的影響

從醫療保健、儀器、HVAC、汽車應用到物聯網 (IoT)，溫度是最廣泛感測的真實環境參數，而藉由準確、精密且可重現的讀數來得知溫度，對許多應用來說至關重要。電阻溫度偵測器 (RTD) 是廣泛選用的溫度感測器。此精密的金屬元件，通常以純白金或幾乎純白金製成。白金型感測器具有完整詳細、可重現與特性化的電阻對溫度轉換函數，因此 RTD 廣泛用於科學與儀器應用中。

然而，要讓這個看似簡單的雙端子感測器完整發揮效能潛力，設計人員必須多方瞭解此感測器的驅動方式，以及電阻的測量方法，以便判斷溫度。此外，許多應用需採用多個 RTD，因此介接方法與相關電路也必須符合應用要求。

設計人員需要的是 RTD 專用的元件，以便因應並克服 RTD 固有的特性。本文將示範如何使用 Texas Instruments、Maxim Integrated 和 Analog Devices 的 IC 搭配 Microchip Technology 的評估板，以便簡化相關應用。

RTD 感測器的運作方式

RTD 的運作原理與熱敏電阻有點類似，看似簡單，其實不然。RTD 採用白金絲或薄膜，有時加入銠等貴金屬，並有已知的標稱電阻，電阻會隨溫度發生正變化，亦即正溫度係數 (PTC)。RTD 可製作成具有許多不同的標稱電阻值，最常見的是 Pt100 和 Pt1000 (有時寫作 PT100 和 PT1000)，0⁰C 時的標稱電阻分別為 100 Ω 和 1000 Ω。

此感測器常見的建構方法包括將白金絲纏繞在玻璃或陶瓷支柱上，或是使用白金薄膜製造 (圖 1)。由於此感測器受到廣泛使用，而且需具備互換性，國際標準 DIN EN 60751 (2008) 就針對白金溫度感測器制訂詳細的電氣特性。此標準針對電阻溫度、容差、曲線及溫度範圍提供相關表格。

圖 1：採用薄膜、玻璃和陶瓷製造技術 (從左至右) 的 RTD。(圖片來源：WIKA Alexander Wiegand SE & Co. KG)

標準白金 RTD 的工作溫度範圍介於 -200°C 至 +800°C。關鍵屬性包括高穩定性、可重現性和準確性，但前提是必須以電流或電壓源適當地驅動，而電阻是使用適當的類比前端 (AFE) 電路，以兩個端子間的電壓來測量，電壓讀數則經過線性化，以達到最高的準確度。

RTD 的電阻會隨著溫度劇烈變化，因此更加適合進行高精密度量測。若採用標準的 Pt100 元件，電阻會從 -200°C 時的 25 Ω 左右，變為 +800°C 時的 +375 Ω 左右。介於 0°C 和 +100°C 之間的平均斜率稱為 α，或溫度係數，此數值需視白金內的雜質和雜質濃度而定。α 最常用的兩個值是 0.00385055 和 0.00392。

RTD 來源眾多，共有數千種特定型號。例如 Vishay Beyschlag 的 PTS060301B100RP100 屬於 100 Ω 白金 RTD，基本準確度為 ±0.3%，溫度係數為 ±3850 ppm/°C，採用 0603 SMT 封裝。此產品是 PTS 系列 100 Ω、500 Ω 和 1000 Ω 無引線 SMT RTD 的成員之一，分別採用 0603、0805 和 1206 封裝。這些元件以沈澱於高等級陶瓷基板上的白金同質薄膜製成，並經過調整，以達到正確的溫度係數和穩定性。感測器元件以防護塗層包覆，可提供電氣、機械和氣候保護，並在效能與合規性方面符合所有相關的 IEC 和 DIN 標準。採用 0603 封裝的 100 Ω RTD 由於體積小，因此在自由空氣中能快速反應，不到兩秒就能達到最終電阻值的 90% 以內。

RTD 線性化

RTD 相當線性，但依然有著單調的曲線偏差。對於需達到 1 度或幾度準確性的應用來說，因為偏差相當小，或許不必對 RTD 轉換函數進行線性化 (圖 2)。舉例來說，在 -20⁰C 至 +120⁰C 之間，差距少於 ±0.4⁰C。

圖 2：Pt100 RTD 的電阻與溫度對比圖，並顯示 0 °C 至 +100 °C 的直線逼近情況。(圖片來源：Maxim Integrated)

不過，RTD 常用於需要達到十分之一度準確性 (或更準確) 的精密應用，因此需要線性化。線性化可藉由軟體運算或查找表來實作。要達到高準確度的線性化，會使用 Callendar-Van Dusen 方程式：

其中 T = 溫度 (°C)；R(T) = T 時的電阻；R₀ = T = 0 °C 時的電阻，而 A、B 和 C 為 RTD 特定常數。

在 α = 0.00385055 時，DIN RTD 標準將 Callendar-Van Dusen 係數的 A、B 和 C 數值定義為：

A = 3.90830 x 10^-3、

B = -5.77500 x 10^-7、

-200°C 至 0°C 時，C = -4.18301 x 10^-12，0°C 至 +850°C 時，C = 0 (優點是將多項式簡化為更簡單的二階方程式)。

RTD 連接

作為被動式雙端子電阻，RTD 介面驅動與感測電路的原理很簡單，能以電壓或電流源來驅動。若是搭配電壓源的最基本形式，RTD 引線會連接到電壓源，其也會連接一個已知的穩定電阻 (R_REF)，此電阻採串聯放置，通常與 RTD 具有相同標稱值 (圖 3)。如此即可構成標準的分壓器電路。會測量 RTD 和串聯電阻上的電壓，接著使用簡易的分壓器計算來算出 RTD 電阻。測量已知電阻上的電壓和 RTD 上的電壓，即可改善準確度。

圖 3：這個簡化的 RTD 訊號調整電路，將 RTD 和已知的參考電阻 (R_REF) 及電流源串聯使用；RTD 上的電壓會與參考電阻上的電壓一起測量，以計算 RTD 電阻。(圖片來源：Maxim Integrated)

這種佈局雖然簡單，但有許多可能會造成失準的來源，包括來源電壓的變化、參考電阻溫度係數、連接引線電流電阻 (IR) 下降，甚至還有銅連接引線的溫度係數 (約為 +0.4%/˚C)。為了克服這些失準來源的部分影響，RTD 反而常採用比例式的惠司同電橋配置。

然而，電橋和電壓驅動方法依然有缺點。比例式配置 (如電橋) 本身具有廣為人知的非線性關係，這與任何電橋元件的非線性無關。因此，在對 RTD 元件的非線性進行修正的計算中，必須將此關係納入考量，但這會讓演算法變得複雜，也會增加處理負擔。

基於這些原因和其他的理由，RTD 幾乎總是搭配電流源使用。如此便能完全控制驅動狀況，還有機會更直接地對連接引線中的壓降和溫度相關變化進行補償。根據應用以及 RTD 和 AFE 之間的距離而定，設計人員可使用雙線、三線、四線，或迴路式四線連接 (圖 4)。

圖 4：RTD 和 AFE 之間的互連可使用雙線、三線或四線；四線可以是成對的四線連接，或是雙線式個別迴路。(圖片來源：Texas Instruments)

雙線連接最簡單、體積最小，成本也最低。不過，若要達到準確的結果，則將 Pt100 RTD 連接到 AFE 電路的電線必須具有不到幾 mΩ 的超低電阻，如此一來，與 RTD 電阻相比，電線電阻不會太明顯。通常，距離會限制在大約 25 cm，但也會隨電線的線規而異。礙於實體安裝配置和限制，電線往往很細。當然，也可以透過計算，對壓降進行修正。但這會增加複雜性，特別是當引線電阻受到溫度影響時。

若距離長達約 30 米，則會採用三線做法。此時，電路會以開爾文連接監測電流迴路的一側，測量迴路電阻中的壓降，接著對該壓降進行補償。這個方法假設非開爾文引線中的壓降，與開爾文引線側中的壓降相同。

四線方法使用完整的開爾文感測，來監測 RTD 電流迴路的兩側。這個方法能精準消除引線電阻的影響，無論兩個電流源電線之間的差異為何。此方法可用在數百米的距離上，但對材料與電線體積的影響最大。

最後，迴路式四線方法能讓設計人員選擇如何測量迴路中的損耗。假設兩個額外的引線與 RTD 引線相同，迴路連接線的電阻就能以單純的電阻來測量，不受實際的 RTD 迴路影響。就安裝和計算來說，這個方法看似比直接開爾文配置更令人頭疼，但針對實體上難以在 RTD 處提供一般開爾文連接的情況，此方法更為實用。儘管如此，此配置也不常用於現代設備中，因為只要有適當的設定與校正，四線甚至是三線做法就能提供旗鼓相當的結果。

請注意，雙線、三線或四線介面的選擇與 RTD 無關，而且只要有空間且能夠進行必要的實體連接，無論選擇何者，都能搭配任何 RTD 使用。然而，在小型結構中，線束的質量可能會引發熱轉移和額外的熱時間常數。一般來說，良好的做法是讓感測配置的熱質量，盡可能比受測質量更小。

與連接引線及訊號完整性有關的問題，並非只是基本 DC 電阻那麼單純。雜訊往往令人擔心，而且即使和多數雜訊訊號相比，溫度是變化相對緩慢的現象，但如果對 RTD 的電壓進行採樣或轉換時剛好出現雜訊，雜訊仍會讓 AFE 的訊號變差。在極端情況下，雜訊會讓前端達到飽和，並使其「盲目」數 ms 的時間，直到擺脫飽和為止。

基於這個原因和其他的理由，如果 RTD 的感測引線長度超過大約一米，應該與接地的相等阻抗平衡，這有時稱為縱向平衡。原因在於這些並聯引線可能會有共模電壓 (CMV) 和雜訊，但 AFE 的差動前端可予以剔除。不過，如果引線不平衡，電路會將一些共模訊號轉換成不平衡訊號，這些訊號並不會被 AFE 的差動輸入剔除。

選擇 Pt100 或 Pt1000 RTD

由於最常見的 RTD 在 0⁰C 時皆可提供 100 Ω 或 1000 Ω 電阻，因此顯然問題在於要如何在兩者中做選擇。當然必須有所取捨且沒有一個「正確」的答案，需視應用的細節而定。請注意，Pt100 和 Pt1000 RTD 兩者的特性曲線線性度、工作溫度範圍以及反應時間都相同，或幾乎相同，且電阻溫度係數也相同。

Pt100 RTD 的標稱電阻較低，因此如前文所述，只能採用雙線配置進行短距離應用，因為與 RTD 相比，引線電阻很大。相較之下，引線電阻比 Pt1000 電阻小得多，因此 Pt1000 更適合用於較長距離的雙線配置。

由於 Pt1000 RTD 具有較高的電阻，因此根據歐姆定律 (V = IR)，只需少許驅動電流，便能在 RTD 上產生特定的電壓。在 0⁰C 時，適度的 1 mA 電流會產生 1 V 壓降，而隨著溫度升高，電壓也會從該值往上增加。

不過，可能會產生一個不利的後果，就是電壓較高，因為 RTD 電壓可能會在較高溫度時，超出 AFE 前端的額定範圍。此外，電流源必須具有足夠的順應電壓，才能驅動固定值的電流流過電阻。舉例來說，1 mA 電流流過 1000 Ω 電阻，其電流源順應電壓需要稍微高於 1 V，但隨著 RTD 發熱且電阻增大，所需的順應電壓也按比例增加。因此，高電阻 RTD 電流源可能需要使用電壓更高的電軌，以確保順應電壓足夠。

針對特定壓降，Pt1000 所需要的電流較低，可帶來兩個優點。第一，需要的功率較少，能延長電池續航力。第二，RTD 自體發熱減少，這對讀數的準確度有重大的影響。正確的工程作法是使用能將感測器自體發熱降到最少的電流驅動位準，這與在 RTD 上產生足夠的壓降，進而獲得足夠的解析度相一致。

這不代表 Pt100 RTD 沒什麼用處。事實上，Pt100 因傳統原因還是廣泛用於工業中，其中引線長度、低功率操作和自體發熱都不是工業的主要考量因素。作為低阻抗迴路，Pt100 RTD 設備屬於低阻抗迴路，對雜訊拾取的敏感度，比 Pt1000 RTD 低很多，而 Pt1000 本身具有高出十倍的迴路阻抗。

此外，除了電氣考量因素，還有機械層面的考量。Pt100 感測器有繞線和薄膜結構類型，且兩者的實體屬性不同，而 Pt1000 RTD 通常只有薄膜元件。

請注意，對於較高準確度的應用，可能需採取其他措施，將 RTD 自體發熱誤差降到最低。有個方法是讓電流以脈衝的方式流過 RTD，然後測量脈衝期間的電壓。脈衝的工作週期越短，自體發熱誤差便越低。但是，此方法也需要稍微較精密的介面，才能正確管理脈衝時機和工作週期，並將電壓讀數與脈衝同步。

IC 簡化 RTD 介面

和其他電阻型溫度感測元件一樣，RTD 看似簡單，使用上也應該要簡單。畢竟，這是個雙端子電阻，在相對緩慢的溫度感測環境中沒有嚴重的寄生效應。就算如此，如同熱敏電阻和其他多種基本感測器，我們發現使用此傳感器時需考量許多問題，包括驅動、線性化、校正、引線補償等等；若使用的 RTD 不只一個時，情況往往會更複雜。

為了解決 RTD 介接的相關問題，IC 廠商開發出應用特有的 IC，方便在前端面向 RTD 的類比側以及調節後的輸出進行連接，甚至還進一步包含與處理器相容的完整數位介面。例如，為了與 RTD 達到基本介接，Texas Instruments 的 OPA317IDBVT 運算放大器採用自行研發的自動校正技術，可同時提供低偏移電壓 (典型 20 μV，最大 90 μV)、隨著時間及溫度變化的近零漂移，以及近零偏壓電流。因此，這個運算放大器不會對 RTD 造成「負擔」或影響，而是「隱形」且一致。此運算放大器透過 1.8 V (±0.9 V) 至 5.5 V (±2.75 V) 的單端或雙極電源運作，最大靜態電流為 35 μA，因而非常適合用於電池供電的應用。

這個運算放大器的特性之一，是能設定成處理非常接近地面的訊號，「冷」RTD 同樣如此，即以低電流位準運作，因此其電壓很低。相較之下，當輸入和輸出訊號接近 0 V，即接近單電源運算放大器較低的輸出擺盪限值時，許多單電源運算放大器都會遇到問題。雖然一個良好的單電源運算放大器，可以擺盪到接近單電源接地，但可能無法真正達到接地。要讓 OPA317IDBVT 的輸出在使用單電源時擺盪至接地或稍低，則可添加另一個電阻，以及額外一個比運算放大器的負電源更負的電源供應器 (圖 5)。在輸出與額外的負電源之間添加一個下拉電阻，可讓輸出降至原本可達到的值以下。

圖 5：添加一個下拉電阻 (R_P) 和一個額外的負電源後，OPA317IDBVT 即可處理接近接地電位的訊號。(圖片來源：Texas Instruments)

Maxim Integrated 的 MAX31865 不光是類比介面運算放大器，還是容易使用的電阻轉數位轉換器，並針對 Pt100 和 Pt1000 RTD 進行最佳化 (圖 6)。此 IC 採用小型 20 引線 TQFN 和 SOIC 封裝，還能針對二線、三線及四線 RTD 介面進行配置，同時在處理器側提供 SPI 相容介面。

圖 6：Maxim Integrated 的 MAX31865 RTD 轉數位轉換器包含類比介面、數位器，以及適用於二線、三線及四線 RTD 的 SPI 輸出。(圖片來源：Maxim Integrated)

單一外接式電阻會針對使用的 RTD 設定靈敏度，而精密 15 位元三角積分 ADC 會將 RTD 電阻和參考電阻的比轉換成數位形式，在所有操作條件和極端狀況下，標稱溫度解析度為 0.03125°C，準確度為 0.5°C。

許多溫度量測應用都要求使用多個 RTD 和其他溫度感測器，測試設置的儀器配備才算完備。針對這些應用，Analog Devices 的 LTC2983 感測器轉數位的高準確度數位溫度量測系統 IC，可支援許多感測器和選項。此 IC 最多可處理 20 個感測器通道，可以混合二線、三線和四線 RTD、熱電偶、熱敏電阻，甚至是二極體 (圖 7)。此 IC 可採用特定類型的感測器和所需的激磁進行編程，接著為這些感測器提供內建的標準係數，此外也支援使用者指定的自訂係數。

圖 7：Analog Devices 的 LTC2983 有 20 個通用輸入，可依需求混用，以便熱電偶、二線、三線和四線 RTD、熱敏電阻，以及作為溫度感測器的二極體共用輸入。(圖片來源：Analog Devices)

此 IC 透過一個 SPI 介面提供數位結果 (以 °C 或 °F 為單位)，準確度為 0.1°C，解析度為 0.001°C。能以單一 2.85 V 至 5.25 V 電源操作，並包含適用於各種溫度感測器的激磁電流源和故障偵測電路，也包含適用於任何熱電偶的冷接點補償 (CJC)。

團隊如果想針對 RTD 數據採集設計打造量身定做的完整電路，但又不想再「多此一舉」，則可選用 Microchip Technology 推出的 TMPSNS-RTD1 Pt100 RTD 評估板。此評估板支援兩個 RTD，並能讓使用者配置重要工作參數，包括 RTD 電流 (圖 8)。

圖 8：Microchip Technology 的 TMPSNS-RTD1 Pt100 RTD 評估板支援兩個 RTD，並可讓使用者配置重要工作參數。(圖片來源：Microchip Technology)

評估板方塊圖顯示如何依照功能建構完整的 RTD 介面通道，讓使用者能瞭解電路，並在需要時加以改造 (圖 9)。此評估板具備一個內部 RTD，也能連接一個外部二、三或四線 Pt100 RTD，搭配一個低電流的電流源，將自體發熱降到最少。RTD 上的電壓可使用 MCP6S26 可編程增益放大器 (PGA) 進行放大。PGA 將 RTD 電壓調高，並能讓使用者對放大器增益進行數位編程，並擴大感測器的輸出範圍。此外，具有一個差動放大器，可驅動 12 位元的差動類比轉數位轉換器 (ADC)。最後，轉換器的輸出資料可用微控制器透過 SPI 介面讀出，再經由 USB 介面傳送到主機 PC。

圖 9：TMPSNS-RTD1 Pt100 RTD 評估板的方塊圖顯示從 RTD 激磁／感測經由 SPI 介面的 AFE 及相關訊號路徑。(圖片來源：Microchip Technology)

相關的使用者指南包含完整的安裝和設定資訊，以及直覺式 PC 圖形使用者介面 (GUI) 的逐步指示。此 GUI 能讓使用者設定參數，例如樣本數、取樣率、PGA 增益、內部 RTD 電流及外部電流 (圖 10)。

圖 10：採用隨附的 PC GUI 後，TMPSNS-RTD1 Pt100 RTD 評估板的使用者就能調整重要的操作點，並評估產生的效能。(圖片來源：Microchip Technology)

為了讓文件說明更完備，使用者指南納入詳盡的物料清單 (BOM)、線路圖、頂部與底部電路板佈局，以及絲網印刷。

結論

溫度量測是基本的功能，而 RTD 是這種應用廣泛使用的常見感測器，儘管要正確使用可能看似複雜。不過，若利用適當的電路進行驅動和感測，此元件能在寬廣的溫度範圍中提供高精準度，且結果可重現。如同任何高效能的感測器一樣，必須對元件特性有所瞭解，才能達到最佳效能。如本文所述，不同功能整合度的 IC，能避免使用者建構的 RTD 架構系統出現重大意外，同時具備優異效能。