比例式三線測量系統(tǒng)的原理和優(yōu)勢

許多醫(yī)療、過程控制和工業(yè)自動化應用需要精確的溫度測量來完成其功能。電阻式溫度檢測器 （RTD） 通常用作這些精密溫度測量中的傳感元件，因為它們具有廣泛的溫度測量范圍、良好的線性度以及出色的長期穩(wěn)定性和可重復性。RTD 是一種由金屬制成的傳感元件，在溫度范圍內(nèi)具有可預測的電阻。RTD 傳感器的電阻可以通過向 RTD 注入電流并測量電壓來計算。然后可以根據(jù) RTD 電阻和溫度之間的關系計算 RTD 溫度。

這篇由三部分組成的文章的第 1 部分討論了比例式三線測量系統(tǒng)的原理和優(yōu)勢。在第 2 部分中，我們比較了勵磁電流源失配與其他誤差源的影響。在第 3 部分中，我們提供了最小化或減少激勵失配影響的解決方案。

Pt100 RTD 概述

Pt100 RTD 是一種鉑基 RTD 傳感器，可在寬溫度范圍內(nèi)提供出色的性能。鉑是一種貴金屬，在常用的 RTD 材料中具有最高的電阻率，可實現(xiàn)小傳感器尺寸。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 °C 時的阻抗為 100 Ω，溫度每變化 1 °C，電阻變化大約為 0.385 Ω。在可用溫度范圍的極端情況下，電阻在 -200 °C 時為 18.51 Ω，在 850 °C 時為 390.48 Ω。更高價值的電阻傳感器，例如 Pt1000 或 Pt5000，可用于提高靈敏度和分辨率。

Callendar Van-Dusen （CVD） 方程定義了 RTD 的電阻特性與溫度 （T） 的關系，以攝氏度為單位。對于正溫度，CVD 方程是一個二階多項式，如方程 （1） 所示。對于負溫度，CVD 方程擴展為方程 （2） 中所示的四階多項式。

CVD 系數(shù)（A、B 和 C）在歐洲 IEC-60751 標準中定義。系數(shù)值顯示在等式（3）中。R0 是 RTD 在 0 °C 時的電阻。

Pt100 RTD 從 –200 °C 到 850 °C 的電阻變化如圖 1 所示。

圖 1： –200 °C 至 850 °C 的 Pt100 RTD 電阻。

三線 RTD

三線 RTD 配置因其在成本和精度之間的平衡而廣受歡迎。在提出的三線配置中，一個激勵電流 （I1） 在 RTD 元件上產(chǎn)生一個電壓電位。同時，注入第二個激勵電流 （I2） 以消除圖 2 和公式 （4-7） 所示最終測量結(jié)果中的 RTD 引線 （RLEAD） 電阻。

圖 2：帶引線電阻的三線 RTD。

RTD 測量電路配置

差分 RTD 電壓 V DIFF通常由模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 轉(zhuǎn)換并發(fā)送到處理器進行解釋。ADC 將輸入電壓與參考電壓 V REF進行比較，以產(chǎn)生數(shù)字輸出。使用離散外部參考電壓的三線 RTD 測量電路如圖 3 所示。等式 （8） 定義了基于數(shù)字代碼總數(shù)、RTD 電阻、激勵電流幅度和參考電壓的最終轉(zhuǎn)換結(jié)果。此示例假設 ADC 具有 ±V REF的滿量程范圍。如圖所示，由于參考電壓和激勵電流的幅度、噪聲和溫度漂移導致的誤差直接導致轉(zhuǎn)換誤差。

圖 3：具有外部基準的三線 RTD 電路。

將 RTD 和 ADC 置于比例配置中（圖 4）對于三線 RTD 系統(tǒng)來說是一種更精確的電路配置。在比率配置中，流經(jīng) RTD 的激勵電流通過低端參考電阻 RREF 返回到地。RREF 上產(chǎn)生的電壓電位 V REF提供給 ADC 的正和負參考引腳（REFP 和 REFN）。

RTD 和 RREF 電阻器上的電壓降由相同的激勵電流產(chǎn)生（等式 9 和 10）。因此，激勵電流的變化反映在 RTD 差分電壓和參考電壓中。由于 ADC 輸出代碼是輸入電壓和參考電壓之間的關系，因此最終轉(zhuǎn)換結(jié)果降低為 RTD 和 RREF 電阻的比率，并且不依賴于參考電壓或激勵電流的值（等式 11）。因此，如果在不影響最終轉(zhuǎn)換結(jié)果的情況下完美匹配，則由于激勵電流的幅度、溫度漂移和噪聲導致的不準確性會被抵消。比率配置還有助于減少對輸入和參考都常見的外部噪聲的影響，因為它也可以抵消。

圖 4：比例式三線 RTD 電路。

勵磁電流源失配誤差

兩個激勵電流必須彼此相等才能實現(xiàn)理想的傳遞函數(shù)（等式 11）。勵磁電流失配會改變理想的系統(tǒng)傳遞函數(shù)，因為它會降低引線電阻消除的有效性。

當一個激勵電流減少或增加最大失配規(guī)范時，傳遞函數(shù)的最壞影響就會出現(xiàn)。這在等式 （12） 中定義，其中 Δ 是激勵電流失配。

I2 的失配導致理想傳遞函數(shù)發(fā)生變化（等式 13）。

等式 （14） 通過將等式 （13） 的結(jié)果與等式 （11） 中的理想傳遞函數(shù)進行比較來計算由勵磁電流失配引起的增益誤差。

如果在 %FSR 中指定勵磁電流失配，則增益誤差可以如公式 （15） 所示計算。

由激勵電流不匹配引起的增益誤差可以通過標準增益校準來消除。然而，激勵電流失配通常會隨著溫度的變化而漂移，這需要復雜的校準來糾正。

概括

在本文的第 1 部分中，我們介紹了三線 RTD、引線電阻消除以及構(gòu)建比例式三線 RTD 系統(tǒng)的好處。我們表明，雖然比率 RTD 配置消除了激勵電流初始精度的誤差，但兩個激勵電流之間的不匹配仍然會導致增益誤差。

加入我們的第 2 部分，我們將對現(xiàn)代比例式三線 RTD 測量系統(tǒng)進行分析，以描述誤差源，包括勵磁電流不匹配和漂移的影響。

作者：Collin Wells ，Ryan Andrews

審核編輯：郭婷