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三線電阻式溫度檢測器測量系統(tǒng)中勵磁電流失配的影響 —— 第1部分

發(fā)布時間:2021-06-10 責任編輯:wenwei

【導讀】許多醫(yī)療、過程控制和工業(yè)自動化應用都需要精確溫度測量來實現(xiàn)其功能。電阻式溫度檢測器(RTD)在這些精確溫度測量中通常用作傳感元件,因為它們具有寬泛的溫度測量范圍、良好的線性度以及卓越的長期穩(wěn)定性和可復驗性。RTD是由金屬制成的傳感元件,在工作溫度范圍內(nèi)具有可預測的電阻。可通過RTD注入電流并測量電壓來計算RTD傳感器的電阻。然后可基于RTD電阻和溫度之間的關系來計算RTD溫度。
 
本文由三部分組成,第1部分討論了比例型三線測量系統(tǒng)的原理和優(yōu)勢。在第2部分,我們將勵磁電流源失配的影響與其它誤差源的影響進行了比較。在第3部分,我們提供了解決方案,以便最小化或減輕勵磁失配的影響。
 
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,能實現(xiàn)小尺寸的傳感器。由鉑制成的RTD傳感器有時被稱為鉑電阻溫度計或PRT。Pt100 RTD在0℃時阻抗為100Ω,每1℃的溫度變化大約會引起0.385Ω的電阻變化。當處于可用溫度范圍的極限時,電阻為18.51Ω(在-200℃時)或390.48Ω(在850℃時)。Pt1000或Pt5000等價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)的關系。當溫度為正值時,CVD方程式是二階多項式,如方程式(1)所示。當溫度為負值時,CVD方程式則擴展為方程式(2)所示的四階多項式。
 
三線電阻式溫度檢測器測量系統(tǒng)中勵磁電流失配的影響 —— 第1部分
 
在歐洲的IEC-60751標準中規(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℃時的電阻。
 
三線電阻式溫度檢測器測量系統(tǒng)中勵磁電流失配的影響 —— 第1部分
 
圖1標繪了溫度從-200℃增至850℃時Pt100 RTD電阻的變化。
 
三線電阻式溫度檢測器測量系統(tǒng)中勵磁電流失配的影響 —— 第1部分
圖1:溫度從-200℃增至850℃時的Pt100 RTD電阻
 
三線RTD
 
三線RTD配置很受歡迎,因為它們在成本和準確度之間取得了平衡。在所推薦的三線配置中,一種勵磁電流(I1)可跨RTD元件產(chǎn)生電壓電勢。與此同時,另一種勵磁電流(I2)被注入,以便從最終測量值中抵消RTD引線的電阻(RLEAD),如圖2和方程式(4-7)所示。
 
三線電阻式溫度檢測器測量系統(tǒng)中勵磁電流失配的影響 —— 第1部分
圖2:具有導線電阻的三線RTD
 
三線電阻式溫度檢測器測量系統(tǒng)中勵磁電流失配的影響 —— 第1部分
 
RTD測量電路配置
 
差分RTD電壓VDIFF通常由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)進行轉(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、勵磁電流大小和參考電壓的最終轉(zhuǎn)換結(jié)果。該示例假設ADC具有±VREF的滿量程范圍。如圖所示,因參考電壓與勵磁電流的量值、噪聲和溫度漂移而產(chǎn)生的誤差會直接導致轉(zhuǎn)換錯誤。
 
三線電阻式溫度檢測器測量系統(tǒng)中勵磁電流失配的影響 —— 第1部分
 
三線電阻式溫度檢測器測量系統(tǒng)中勵磁電流失配的影響 —— 第1部分
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VREF被提供給ADC的正參考引腳和負參考引腳(REFP和REFN)。
 
跨RTD和RREF電阻器的電壓降是由相同的勵磁電流產(chǎn)生的(方程式9和方程式10)。因此,勵磁電流的變化會同時反映在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磁電流的值(方程式11)。所以,如果勵磁電流完美匹配,不影響最終轉(zhuǎn)換結(jié)果,那么因勵磁電流的大小、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(對輸入電壓和參考電壓而言似乎很常見)的影響,因為這種噪聲也會消除。
 
三線電阻式溫度檢測器測量系統(tǒng)中勵磁電流失配的影響 —— 第1部分
 
三線電阻式溫度檢測器測量系統(tǒng)中勵磁電流失配的影響 —— 第1部分
圖4:比例型三線RTD電路
 
勵磁電流源失配誤差
 
這兩種勵磁電流必須彼此相等,以實現(xiàn)理想的傳遞函數(shù)(方程式11)。勵磁電流失配會改變理想的系統(tǒng)傳遞函數(shù),因為它能降低引線電阻抵消的有效性。
 
當一種勵磁電流被減小或增加的量達到失配規(guī)范規(guī)定的極限值時,會對傳遞函數(shù)產(chǎn)生最嚴重的影響。這在方程式(12)(其中Δ代表勵磁電流失配)里得到了詮釋。
 
I2的失配可導致理想傳遞函數(shù)發(fā)生改變(方程式13)。
 
三線電阻式溫度檢測器測量系統(tǒng)中勵磁電流失配的影響 —— 第1部分
 
通過將方程式(13)的計算結(jié)果與方程式(11)的理想傳遞函數(shù)進行比較,方程式(14)可計算出勵磁電流失配引起的增益誤差。
 
三線電阻式溫度檢測器測量系統(tǒng)中勵磁電流失配的影響 —— 第1部分
 
如果明確規(guī)定勵磁電流失配用%FSR表示,那么可按方程式(15)所示計算增益誤差。
 
三線電阻式溫度檢測器測量系統(tǒng)中勵磁電流失配的影響 —— 第1部分
 
可通過標準增益校準消除勵磁電流失配引起的增益誤差。不過,勵磁電流失配通常會隨溫度變化而漂移,這就需要復雜的校準來予以矯正。
 
總結(jié)
 
在本文的第1部分,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,當比例型RTD配置從勵磁電流的初始準確度中消除誤差后,這兩種勵磁電流之間的失配仍會引起增益誤差。
 
歡迎和我們一起把關注點轉(zhuǎn)向本文的第2部分 —— 在該部分我們將提供對現(xiàn)代比例型三線RTD測量系統(tǒng)的分析,以便說明誤差的來源,包括勵磁電流失配和漂移的影響。
 
參考文獻
 
1. 下載這些產(chǎn)品說明書:ADS1200、ADS1237和ADS1248
 
2. TI參考設計:TIPD120、TIPD154、TIPD152和TIDA165
 
 
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