Une introduction aux circuits de conditionnement de signal de capteur RTD

Dans les articles précédents de cette série, nous avons abordé les principes de base des détecteurs de température à résistance (RTD) et la manière dont leur réponse est caractérisée. Cet article abordera les bases des différents circuits de conditionnement de signaux pour les applications RTD.

Un simple diviseur de tension résistif peut être utilisé pour convertir les variations de la résistance RTD en un signal de tension. La figure 1 montre un schéma de circuit typique pour un RTD en platine. Le Pt1000 sur la figure désigne un RTD en platine avec une résistance nominale de 1 000 Ω à 0 °C.

Comme la plupart des capteurs résistifs, les capteurs RTD changent d'un pourcentage relativement faible en réponse aux variations de la grandeur physique mesurée. Dans cette optique, le Pt1000 a un coefficient de température d’environ 3,85 Ω/°C. Voyons quelle est l'ampleur des variations de tension au nœud A.

Supposons que nous devions mesurer la température avec une résolution de 0,2 °C, ce qui peut être une exigence relativement exigeante. Si la température passe de 0 °C à 0,2 °C, la résistance du capteur augmente de 1 000 Ω à 1 000,77 Ω. Cela modifie par conséquent la tension du nœud A de 1,5 V à 1,500577 V, comme calculé ci-dessous :

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

Par conséquent, une modification de la température de 0,2 °C modifie la tension du nœud A d’environ 577 μV. Nous pouvons mesurer directement VA pour déterminer la valeur de résistance et la température RTD ; cependant, notre système de mesure doit avoir une résolution suffisante pour détecter des variations d'une fraction de millivolt dans un signal de 1,5 V. En divisant 1,5 V par le pas minimum requis (577 μV), nous pouvons estimer les comptes sans bruit du convertisseur analogique-numérique, ce qui revient à :

\[Bruit\,Free\,Counts=\frac{1.5V}{577 \mu V}\approx2600\,counts\]

Cela correspond à une résolution sans bruit d'environ log2(2600) = 11,34 bits. Notez que cela ne nous donne qu’une valeur approximative de la résolution A/D. L'exigence réelle est plus stricte et dépend de la plage de température pour laquelle le thermomètre est conçu. Nous avons également modélisé le RTD avec un coefficient de température constant de 3,85 Ω/°C, alors que les RTD sont en réalité des dispositifs non linéaires.

Une résolution sans bruit de 11 bits peut être facilement obtenue grâce aux convertisseurs delta-sigma (ΔΣ) actuels. Ainsi, nous pouvons utiliser le circuit de la figure 1, avec un convertisseur ΔΣ, pour numériser directement la tension aux bornes du RTD.

Il y a quelques décennies, cependant, de tels convertisseurs de données hautes performances n'étaient ni disponibles ni économiques ; et les concepteurs de circuits ont utilisé des techniques telles que les circuits en pont de Wheatstone pour les mesures RTD. Bien que les circuits en pont soient encore couramment utilisés dans d'autres domaines, tels que les applications de détection de force et de pression, ils sont rarement utilisés pour les mesures RTD. Malgré cela, par souci d'exhaustivité, nous expliquerons brièvement ci-dessous comment un circuit en pont peut assouplir les exigences du convertisseur analogique-numérique (CAN).

Un pont de Wheatstone de base pour la mesure Pt1000 est illustré à la figure 2.

La tension de sortie est la différence de tension entre les deux branches. En fait, un circuit en pont transforme la mesure asymétrique d'une simple branche diviseur de tension en une mesure différentielle. Dans ce cas, la sortie est de 0 V lorsque le pont est équilibré (à 0 °C). Si la température augmente de 0,2 °C, la sortie augmente jusqu'à 577 μV comme calculé ci-dessous :

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

Dans ce cas, le signal souhaité qui reflète les variations de résistance RTD ne chevauche pas un signal CC important. La sortie contient uniquement le signal que nous voulons mesurer. Pour déterminer la résolution sans bruit de l'ADC, nous devons considérer les valeurs maximales et minimales de VOUT sur toute la plage de température du thermomètre. Supposons que nous devions mesurer la plage de -40 °C à 150 °C. La résistance RTD passe de 842,47 Ω à 1 573,25 Ω sur cette plage de température. Nous pouvons utiliser ces informations pour déterminer la valeur maximale et minimale de VOUT telle que calculée dans le tableau 1 ci-dessous :