三線(xiàn)電阻式溫度檢測器測量系統中勵磁電流失配的影響（上）

許多醫療、過(guò)程控制和工業(yè)自動(dòng)化應用都需要精確溫度測量來(lái)實(shí)現其功能。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(xiàn)性度以及卓越的長(cháng)期穩定性和可復驗性。RTD是由金屬制成的傳感元件，在工作溫度范圍內具有可預測的電阻?？赏ㄟ^(guò)RTD注入電流并測量電壓來(lái)計算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)計算RTD溫度。

這篇文章討論了比例型三線(xiàn)測量系統的原理和優(yōu)勢。

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)現小尺寸的傳感器。由鉑制成的RTD傳感器有時(shí)被稱(chēng)為鉑電阻溫度計或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。當溫度為正值時(shí)，CVD方程式是二階多項式，如方程式(1)所示。當溫度為負值時(shí)，CVD方程式則擴展為方程式(2)所示的四階多項式。

在歐洲的IEC-60751標準中規定了CVD系數(A、B和C)。方程式(3)展示了這些系數值。R0是RTD在0℃時(shí)的電阻。

圖1標繪了溫度從-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(xiàn)RTD

三線(xiàn)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(xiàn)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(shí)，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(xiàn)的電阻(RLEAD)，如圖2和方程式(4-7)所示。

圖2：具有導線(xiàn)電阻的三線(xiàn)RTD

RTD測量電路配置

差分RTD電壓VDIFF通常由模數轉換器(ADC)進(jìn)行轉換，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)生數字輸出。圖3展示了使用離散性外部參考電壓的三線(xiàn)RTD測量電路。方程式(8)則定義了基于數字代碼總數、RTD電阻、勵磁電流大小和參考電壓的最終轉換結果。該示例假設ADC具有±VREF的滿(mǎn)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(huì )直接導致轉換錯誤。

圖3：具有外部參考的三線(xiàn)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(xiàn)RTD系統。在比例型配置里，流過(guò)RTD的勵磁電流可通過(guò)低側參考電阻器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(huì )同時(shí)反映在RTD差分電壓和參考電壓上。由于A(yíng)DC輸出代碼表示的是輸入電壓和參考電壓之間的關(guān)系，故最終轉換結果可換算為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，不影響最終轉換結果，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的影響，因為這種噪聲也會(huì )消除。

圖4：比例型三線(xiàn)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(shí)現理想的傳遞函數(方程式11)。勵磁電流失配會(huì )改變理想的系統傳遞函數，因為它能降低引線(xiàn)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范規定的極限值時(shí)，會(huì )對傳遞函數產(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發(fā)生改變(方程式13)。

通過(guò)將方程式(13)的計算結果與方程式(11)的理想傳遞函數進(jìn)行比較，方程式(14)可計算出勵磁電流失配引起的增益誤差。

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

可通過(guò)標準增益校準消除勵磁電流失配引起的增益誤差。不過(guò)，勵磁電流失配通常會(huì )隨溫度變化而漂移，這就需要復雜的校準來(lái)予以矯正。

總結

在本文中我們介紹了三線(xiàn)RTD、引線(xiàn)電阻抵消以及構建比例型三線(xiàn)RTD系統所帶來(lái)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(huì )引起增益誤差。