TI精密线性产品负责组应用工程师, COLLIN WELLS

TI精密Δ-Σ型ADC负责组应用工程师, RYAN ANDREWS

 

许多医疗、过程控制和工业自动化应用都需要精确温度测量来实现其功能。电阻式温度检测器（RTD）在这些精确温度测量中通常用作传感元件，因为它们具有宽泛的温度测量范围、良好的线性度以及卓越的长期稳定性和可复验性。RTD是由金属制成的传感元件，在工作温度范围内具有可预测的电阻。可通过RTD注入电流并测量电压来计算RTD传感器的电阻。然后可基于RTD电阻和温度之间的关系来计算RTD温度。

 

本文由三部分组成，第1部分讨论了比例型三线测量系统的原理和优势。在第2部分，我们将励磁电流源失配的影响与其它误差源的影响进行了比较。在第3部分，我们提供了解决方案，以便最小化或减轻励磁失配的影响。

 

Pt100 RTD概述

 

Pt100 RTD是一种铂质RTD传感器，可在很宽的温度范围内提供卓越的性能。铂是一种贵金属，作为常用的RTD材料具有最高的电阻率，能实现小尺寸的传感器。由铂制成的RTD传感器有时被称为铂电阻温度计或PRT。Pt100 RTD在0℃时阻抗为100Ω，每1℃的温度变化大约会引起0.385Ω的电阻变化。当处于可用温度范围的极限时，电阻为18.51Ω（在-200℃时）或390.48Ω（在850℃时）。Pt1000或Pt5000等价值更高的电阻式传感器可用来提高灵敏度和分辨率。

 

Callendar Van-Dusen（CVD）方程式诠释了RTD的电阻特性与温度（T，以摄氏度为单位）的关系。当温度为正值时，CVD方程式是二阶多项式，如方程式（1）所示。当温度为负值时，CVD方程式则扩展为方程式（2）所示的四阶多项式。

 

在欧洲的IEC-60751标准中规定了CVD系数（A、B和C）。方程式（3）展示了这些系数值。R0是RTD在0℃时的电阻。

 

 

图1标绘了温度从-200℃增至850℃时Pt100 RTD电阻的变化。

 

图1：温度从-200℃增至850℃时的Pt100 RTD电阻

三线RTD

 

三线RTD配置很受欢迎，因为它们在成本和准确度之间取得了平衡。在所推荐的三线配置中，一种励磁电流（I1）可跨RTD元件产生电压电势。与此同时，另一种励磁电流（I2）被注入，以便从最终测量值中抵消RTD引线的电阻（R_LEAD），如图2和方程式（4-7）所示。

 图2：具有导线电阻的三线RTD

RTD测量电路配置

 

差分RTD电压V_DIFF通常由模数转换器（ADC）进行转换，并被传送到处理器以供解读。该ADC可将输入电压与参考电压V_REF作比较，从而产生数字输出。图3展示了使用离散性外部参考电压的三线RTD测量电路。方程式（8）则定义了基于数字代码总数、RTD电阻、励磁电流大小和参考电压的最终转换结果。该示例假设ADC具有±V_REF的满量程范围。如图所示，因参考电压与励磁电流的量值、噪声和温度漂移而产生的误差会直接导致转换错误。

 

图3：具有外部参考的三线RTD电路

把RTD和ADC放置在比例型配置（图4）中，能获得一种更精确的电路配置，适用于三线RTD系统。在比例型配置里，流过RTD的励磁电流可通过低侧参考电阻器RREF返回到接地。跨RREF形成的电压电势V_REF被提供给ADC的正参考引脚和负参考引脚（REFP和REFN）。

 

跨RTD和RREF电阻器的电压降是由相同的励磁电流产生的（方程式9和方程式10）。因此，励磁电流的变化会同时反映在RTD差分电压和参考电压上。由于ADC输出代码表示的是输入电压和参考电压之间的关系，故最终转换结果可换算为RTD电阻和RREF电阻的比，并非取决于参考电压或励磁电流的值（方程式11）。所以，如果励磁电流完美匹配，不影响最终转换结果，那么因励磁电流的大小、温度漂移和噪声而产生的误差就可以消除。此外，比例型配置还有助于减小外部噪声（对输入电压和参考电压而言似乎很常见）的影响，因为这种噪声也会消除。

 

图4：比例型三线RTD电路

励磁电流源失配误差

 

这两种励磁电流必须彼此相等，以实现理想的传递函数（方程式11）。励磁电流失配会改变理想的系统传递函数，因为它能降低引线电阻抵消的有效性。

 

当一种励磁电流被减小或增加的量达到失配规范规定的极限值时，会对传递函数产生最严重的影响。这在方程式（12）（其中Δ代表励磁电流失配）里得到了诠释。

 

I2的失配可导致理想传递函数发生改变（方程式13）。

 

 

通过将方程式（13）的计算结果与方程式（11）的理想传递函数进行比较，方程式（14）可计算出励磁电流失配引起的增益误差。

 

 

如果明确规定励磁电流失配用％FSR表示，那么可按方程式（15）所示计算增益误差。

 

 

可通过标准增益校准消除励磁电流失配引起的增益误差。不过，励磁电流失配通常会随温度变化而漂移，这就需要复杂的校准来予以矫正。

 

总结

 

在本文的第1部分，我们介绍了三线RTD、引线电阻抵消以及构建比例型三线RTD系统所带来的好处。我们指出，当比例型RTD配置从励磁电流的初始准确度中消除误差后，这两种励磁电流之间的失配仍会引起增益误差。

 

欢迎和我们一起把关注点转向本文的第2部分 —— 在该部分我们将提供对现代比例型三线RTD测量系统的分析，以便说明误差的来源，包括励磁电流失配和漂移的影响。

 

参考文献

 

1. 下载这些产品说明书：ADS1200、ADS1237和ADS1248

2. TI参考设计：TIPD120、TIPD154、TIPD152和TIDA165

3. 查看TI E2E社区的Precision Hub博客，在那里您可搜索相关主题，包括这一个。

 

原文链接：

http://embedded-computing.com/articles/excitation-current-mismatch-effects-in-three-wire-rtd-measurement-systems-part-1/