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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 —— 第1部分
發(fā)布時(shí)間:2021-06-10 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】許多醫(yī)療、過(guò)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(lái)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(guò)RTD注入電流并測(cè)量電壓來(lái)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(lái)計(jì)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(cè)量系統(tǒng)的原理和優(yōu)勢(shì)。在第2部分,我們將勵(lì)磁電流源失配的影響與其它誤差源的影響進(jìn)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(lì)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(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(lái)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。
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。
圖1標(biāo)繪了溫度從-200℃增至850℃時(shí)Pt100 RTD電阻的變化。
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。
圖2:具有導(dǎo)線電阻的三線RTD
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。
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(guò)RTD的勵(lì)磁電流可通過(guò)低側(cè)參考電阻器RREF返回到接地。跨RREF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(對(duì)輸入電壓和參考電壓而言似乎很常見(jiàn))的影響,因?yàn)檫@種噪聲也會(huì)消除。
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)。
通過(guò)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。
可通過(guò)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(guò),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(lái)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(lái)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。
歡迎和我們一起把關(guān)注點(diǎn)轉(zhuǎn)向本文的第2部分 —— 在該部分我們將提供對(duì)現(xiàn)代比例型三線RTD測(cè)量系統(tǒng)的分析,以便說(shuō)明誤差的來(lái)源,包括勵(lì)磁電流失配和漂移的影響。
參考文獻(xiàn)
1. 下載這些產(chǎn)品說(shuō)明書(shū):ADS1200、ADS1237和ADS1248
2. TI參考設(shè)計(jì):TIPD120、TIPD154、TIPD152和TIDA165
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