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Application Note

RTD

测量基本指南

Joseph Wu

摘要

电阻温度检测器 (RTD) 是用于测量温度的传感器。这些传感器是市面上非常精确的温度传感器之一，可覆盖较大

的温度范围。但是，要使用精密模数转换器 (ADC) 进行精确测量，需要在测量电路设计和测量计算中注意细节。

本应用手册首先概述 RTD，介绍了其规格、结构以及在温度测量中的使用细节；针对不同的 RTD 配置，提供了

具有精密 ADC 的不同电路拓扑。每个电路均配有基本设计指南，其中显示了确定 ADC 设置、限制测量误差以及

验证设计是否适合 ADC 工作范围所需的计算。

内容

1 RTD 概述.................................................................................................................................................................................. 2

2 RTD 测量电路........................................................................................................................................................................... 9

3 总结.........................................................................................................................................................................................40

4 修订历史记录.......................................................................................................................................................................... 40

插图清单

图 1-1. PT100 RTD 从 –200°C 至 850°C 的电阻....................................................................................................................... 2

图 1-2. PT100 RTD 从 –200°C 至 850°C 的非线性度................................................................................................................ 2

图 1-3. 两线、三线和四线 RTD....................................................................................................................................................3

图 1-4. 比例式 RTD 测量示例.......................................................................................................................................................4

图 1-5. 引线电阻抵消示例............................................................................................................................................................ 5

图 1-6. 交换 IDAC1 和 IDAC2 以截断测量值................................................................................................................................5

图 2-1. 两线 RTD 低侧基准测量电路..........................................................................................................................................10

图 2-2. 两线 RTD 高侧基准测量电路..........................................................................................................................................12

图 2-3. 三线 RTD 低侧基准测量电路..........................................................................................................................................14

图 2-4. 具有一个 IDAC 电流源的三线 RTD 低侧基准测量电路.................................................................................................. 17

图 2-5. 三线 RTD 高侧基准测量电路..........................................................................................................................................20

图 2-6. 四线 RTD 低侧基准测量电路..........................................................................................................................................22

图 2-7. 两个串联两线 RTD 低侧基准测量电路........................................................................................................................... 24

图 2-8. 两个串联四线 RTD 低侧基准测量电路........................................................................................................................... 26

图 2-9. 多个两线 RTD 测量电路.................................................................................................................................................28

图 2-10. 多个三线 RTD 测量电路...............................................................................................................................................30

图 2-11. 多个并联四线 RTD 测量电路........................................................................................................................................32

图 2-12. 采用低侧基准的通用 RTD 测量接口电路......................................................................................................................34

图 2-13. 采用高侧基准的通用 RTD 测量接口电路......................................................................................................................37

表格清单

表 1-1. RTD 容差等级信息........................................................................................................................................................... 3

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ZHCACG9A – JUNE 2018 – REVISED MARCH 2023

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RTD

测量基本指南

English Document: SBAA275

结果显示非线性度大于 16Ω，这样，即使在小温度范围内也难以实现线性近似。如果温度高于 0°C，可通过求解

方程式 2 的二次方程来确定温度。如果温度低于 0°C，可能难以计算方程式 1 的三阶多项式。使用简单的微控制

器确定温度可能在计算上比较困难，通常使用查找表来确定温度。

较新的校准标准在分段的温度范围内使用更高阶的多项式来提高计算精度，但 Callendar-Van Dusen 方程仍是常

用的转换标准。

1.2 RTD 容差标准

RTD 具有良好的可互换性，因此，凭借良好的精度容差，传感器之间几乎没有差别。这可实现良好的测量精度，

即使在不同系统中更换了 RTD 传感器也是如此。

有两项容差标准定义了铂 RTD 精度的等级或级别。美国标准是 ASTM E1137，主要用于北美。欧洲标准称为 DIN

或 IEC 标准。DIN IEC 60751 在全球使用。两项标准都定义了 RTD 的精度，其在 0°C 温度下的基础电阻为

100Ω。

表 1-1 显示了不同级别 RTD 的规格。在这两项标准中，RTD 在 0°C 时具有最严格的容差。绝对误差包含比例误

差（具有温度系数）。

表 1-1. RTD 容差等级信息

容差容差值

(°C)

0°C 时的电阻

(Ω)

100°C 时的误差

(°C)

ASTM B 级 ± (0.25 + 0.0042 • |T|)

100 ± 0.1 ± 0.67

ASTM A 级 ± (0.13 + 0.0017 • |T|)

100 ± 0.05 ± 0.3

IEC C 类 ± (0.6 + 0.01 • |T|)

100 ± 0.24 ± 1.6

IEC B 类 ± (0.3 + 0.005 • |T|)

100 ± 0.12 ± 0.8

IEC A 类 ± (0.15 + 0.002 • |T|)

100 ± 0.06 ± 0.35

IEC AA 类 ± (0.1 + 0.0017 • |T|)

100 ± 0.04 ± 0.27

1/10 DIN

(1)

± (0.03 + 0.0005 • |T|)

100 ± 0.012 ± 0.08

(1) 1/10 DIN 不包括在 DIN-IEC 60751 规范中，但却是业内公认的容差，适用于对性能有严格要求的应用。它是 DIN IEC B 类规范的

1/10。

随着等级和级别精确度的提高，每个 RTD 级别容差的额定温度范围变得更小。此外，该范围因 RTD 结构类型而

异。有关容差值和温度范围的更多详细信息，请参阅 RTD 制造商的数据表。

1.3 RTD 接线配置

RTD 采用本应用手册中所述的三种不同接线配置。每种接线配置都需要不同的激励和电路拓扑以减少测量误差。

图 1-3 中显示了三种不同的接线配置。

Lead 1

Lead 2

Lead 1

Lead 3

Lead 1

Lead 4

Lead 2

Lead 3

2-Wire

RTD

3-Wire

RTD

4-Wire

RTD

图 1-3. 两线、三线和四线 RTD

在两线配置中，RTD 的两端各连接一根导线。在这种配置中，引线电阻无法与 RTD 电阻隔离，这样就增加了一

个无法与 RTD 测量隔离的误差。两线 RTD 产生的 RTD 测量结果精度最低，在精度不太重要或者引线长度较短时

使用。两线 RTD 是成本最低的 RTD 配置。

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RTD

概述

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RTD

测量基本指南

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在三线配置中，RTD 的一端连接一根引线，另一端连接两根引线。通过使用不同的电路拓扑和测量，可有效地消

除引线电阻效应，减少三线 RTD 测量中的误差。针对引线电阻的补偿假定引线电阻是匹配的。

在四线配置中，RTD 的任一端均连接两根引线。在此配置中，可以用四线电阻测量法测量 RTD 电阻，且精度更

高。RTD 激励通过两端上的一根引线驱动，而 RTD 电阻通过两端上的另一根引线测量。在此测量中，检测 RTD

电阻，且引线与传感器激励发生反应未造成误差。四线 RTD 产生的测量结果精度最高，但也是成本最高的 RTD

配置。

1.4 比例式测量

使用 ADC 进行 RTD 测量通常采用比例式测量。图 1-4 所示为比例式测量的基本拓扑。图中所示为具有两线 RTD

和基准电阻 R

REF

的 ADC。单个激励电流源 (IDAC1) 用于激励 RTD，并在 ADC 的 R

REF

上建立基准电压。

û

ADC

RTD

REF

IDAC1

REFP REFN

图 1-4. 比例式 RTD 测量示例

借助 IDAC1，ADC 使用 R

REF

上的电压作为基准来测量 RTD 上的电压。这样便可提供与 RTD 电压和基准电压之

比成比例的输出代码（如方程式 3 所示）。比例式测量将仅产生正输出数据（假设偏移误差为零）。对于全差分

测量，这只是 ADC 满量程范围的正半部分，会将测量分辨率降低一位。以下公式假设使用 24 位双极 ADC，其中

±V

REF

为 ADC 的满量程范围。

Output code = 2

• V

RTD

/ V

REF

= 2

• I

IDAC1

• R

RTD

/ (I

IDAC1

• R

REF

)

(3)

电流会抵消，因此公式将简化为方程式 4：

Output code = 2

• R

RTD

/ R

REF

(4)

最后，RTD 电阻可通过代码表示为基准电阻的函数。

RTD

= Output code • R

REF

/ 2

(5)

测量值取决于 RTD 和基准电阻 R

REF

的阻值，而不取决于 IDAC1 电流值。因此，激励电流的绝对精度和温度漂

移无关紧要。在比例式测量中，只要 IDAC1 在该电路外部没有漏电流，测量值就只取决于 R

RTD

和 R

REF

。ADC

转换不需要转换为电压。

假设 ADC 具有低增益误差，那么 R

REF

通常是最大的误差源。基准电阻必须是具有低漂移和高精度的精密电阻。

基准电阻中的任何误差都会在测量中引起增益误差。

1.4.1 引线电阻抵消

图 1-5 中显示了三线 RTD 的引线电阻，并添加了标记为 IDAC2 的第二个激励电流源。

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