《電子技術(shù)應(yīng)用》
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三線電阻式溫度檢測(cè)器測(cè)量系統(tǒng)中勵(lì)磁電流失配的影響

2015-12-11
作者:TI精密線性產(chǎn)品負(fù)責(zé)組應(yīng)用工程師, COLLIN WELLS TI精密Δ-Σ型ADC負(fù)責(zé)組應(yīng)用工程師, RYAN ANDREWS

       許多醫(yī)療,、過程控制和工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用都需要精確溫度測(cè)量來實(shí)現(xiàn)其功能。電阻式溫度檢測(cè)器(RTD)在這些精確溫度測(cè)量中通常用作傳感元件,因?yàn)樗鼈兙哂袑挿旱臏囟葴y(cè)量范圍,、良好的線性度以及卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可復(fù)驗(yàn)性,。RTD是由金屬制成的傳感元件,,在工作溫度范圍內(nèi)具有可預(yù)測(cè)的電阻,。可通過RTD注入電流并測(cè)量電壓來計(jì)算RTD傳感器的電阻,。然后可基于RTD電阻和溫度之間的關(guān)系來計(jì)算RTD溫度,。

       這篇文章討論了比例型三線測(cè)量系統(tǒng)的原理和優(yōu)勢(shì)。

Pt100 RTD概述 

       Pt100 RTD是一種鉑質(zhì)RTD傳感器,,可在很寬的溫度范圍內(nèi)提供卓越的性能,。鉑是一種貴金屬,作為常用的RTD材料具有最高的電阻率,,能實(shí)現(xiàn)小尺寸的傳感器,。由鉑制成的RTD傳感器有時(shí)被稱為鉑電阻溫度計(jì)或PRT。Pt100 RTD在0℃時(shí)阻抗為100Ω,,每1℃的溫度變化大約會(huì)引起0.385Ω的電阻變化,。當(dāng)處于可用溫度范圍的極限時(shí),電阻為18.51Ω(在-200℃時(shí))或390.48Ω(在850℃時(shí)),。Pt1000或Pt5000等價(jià)值更高的電阻式傳感器可用來提高靈敏度和分辨率,。

       Callendar Van-Dusen(CVD)方程式詮釋了RTD的電阻特性與溫度(T,以攝氏度為單位)的關(guān)系,。當(dāng)溫度為正值時(shí),,CVD方程式是二階多項(xiàng)式,如方程式(1)所示。當(dāng)溫度為負(fù)值時(shí),,CVD方程式則擴(kuò)展為方程式(2)所示的四階多項(xiàng)式,。

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       在歐洲的IEC-60751標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了CVD系數(shù)(A、B和C),。方程式(3)展示了這些系數(shù)值,。R0是RTD在0℃時(shí)的電阻。

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       圖1標(biāo)繪了溫度從-200℃增至850℃時(shí)Pt100 RTD電阻的變化,。

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           圖1:溫度從-200℃增至850℃時(shí)的Pt100 RTD電阻

三線RTD 

       三線RTD配置很受歡迎,因?yàn)樗鼈冊(cè)诔杀竞蜏?zhǔn)確度之間取得了平衡,。在所推薦的三線配置中,,一種勵(lì)磁電流(I1)可跨RTD元件產(chǎn)生電壓電勢(shì)。與此同時(shí),,另一種勵(lì)磁電流(I2)被注入,,以便從最終測(cè)量值中抵消RTD引線的電阻(RLEAD),如圖2和方程式(4-7)所示,。

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                圖2:具有導(dǎo)線電阻的三線RTD

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RTD測(cè)量電路配置 

       差分RTD電壓VDIFF通常由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,,并被傳送到處理器以供解讀。該ADC可將輸入電壓與參考電壓VREF作比較,,從而產(chǎn)生數(shù)字輸出,。圖3展示了使用離散性外部參考電壓的三線RTD測(cè)量電路。方程式(8)則定義了基于數(shù)字代碼總數(shù),、RTD電阻,、勵(lì)磁電流大小和參考電壓的最終轉(zhuǎn)換結(jié)果。該示例假設(shè)ADC具有±VREF的滿量程范圍,。如圖所示,,因參考電壓與勵(lì)磁電流的量值、噪聲和溫度漂移而產(chǎn)生的誤差會(huì)直接導(dǎo)致轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤,。

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               圖3:具有外部參考的三線RTD電路

       把RTD和ADC放置在比例型配置(圖4)中,,能獲得一種更精確的電路配置,適用于三線RTD系統(tǒng),。在比例型配置里,,流過RTD的勵(lì)磁電流可通過低側(cè)參考電阻器RREF返回到接地??鏡REF形成的電壓電勢(shì)VREF被提供給ADC的正參考引腳和負(fù)參考引腳(REFP和REFN),。

       跨RTD和RREF電阻器的電壓降是由相同的勵(lì)磁電流產(chǎn)生的(方程式9和方程式10)。因此,,勵(lì)磁電流的變化會(huì)同時(shí)反映在RTD差分電壓和參考電壓上,。由于ADC輸出代碼表示的是輸入電壓和參考電壓之間的關(guān)系,故最終轉(zhuǎn)換結(jié)果可換算為RTD電阻和RREF電阻的比,,并非取決于參考電壓或勵(lì)磁電流的值(方程式11),。所以,,如果勵(lì)磁電流完美匹配,不影響最終轉(zhuǎn)換結(jié)果,,那么因勵(lì)磁電流的大小,、溫度漂移和噪聲而產(chǎn)生的誤差就可以消除。此外,,比例型配置還有助于減小外部噪聲的影響,,因?yàn)檫@種噪聲也會(huì)消除。

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                圖4:比例型三線RTD電路

勵(lì)磁電流源失配誤差 

       這兩種勵(lì)磁電流必須彼此相等,,以實(shí)現(xiàn)理想的傳遞函數(shù)(方程式11),。勵(lì)磁電流失配會(huì)改變理想的系統(tǒng)傳遞函數(shù),因?yàn)樗芙档鸵€電阻抵消的有效性,。

當(dāng)一種勵(lì)磁電流被減小或增加的量達(dá)到失配規(guī)范規(guī)定的極限值時(shí),,會(huì)對(duì)傳遞函數(shù)產(chǎn)生最嚴(yán)重的影響。這在方程式(12)(其中Δ代表勵(lì)磁電流失配)里得到了詮釋,。

I2的失配可導(dǎo)致理想傳遞函數(shù)發(fā)生改變(方程式13),。

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       通過將方程式(13)的計(jì)算結(jié)果與方程式(11)的理想傳遞函數(shù)進(jìn)行比較,方程式(14)可計(jì)算出勵(lì)磁電流失配引起的增益誤差,。

       如果明確規(guī)定勵(lì)磁電流失配用%FSR表示,,那么可按方程式(15)所示計(jì)算增益誤差。

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       可通過標(biāo)準(zhǔn)增益校準(zhǔn)消除勵(lì)磁電流失配引起的增益誤差,。不過,,勵(lì)磁電流失配通常會(huì)隨溫度變化而漂移,這就需要復(fù)雜的校準(zhǔn)來予以矯正,。

總結(jié) 

       在本文中我們介紹了三線RTD,、引線電阻抵消以及構(gòu)建比例型三線RTD系統(tǒng)所帶來的好處。我們指出,,當(dāng)比例型RTD配置從勵(lì)磁電流的初始準(zhǔn)確度中消除誤差后,,這兩種勵(lì)磁電流之間的失配仍會(huì)引起增益誤差。

 


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