設(shè)計(jì)一個(gè)無(wú)校準(zhǔn)RTD溫度測(cè)量系統(tǒng)，第二部分激勵(lì)源和采樣電阻選擇

一般來(lái)說(shuō),勵(lì)磁電流越大,溫度測(cè)量的靈敏度就越高,從而提高了溫度測(cè)量的性能。然而,較大的勵(lì)磁電流并不總是更好的。一方面,激發(fā)電流在RTD上產(chǎn)生的熱能與電流的平方成正比,電流越大,自熱效應(yīng)越大,這可能對(duì)溫度測(cè)量產(chǎn)生重大影響。另一方面,它受到電流源的順應(yīng)電壓的限制.因此,在選擇勵(lì)磁電流值時(shí),必須同時(shí)考慮自熱效應(yīng)和順應(yīng)性電壓。

圖3顯示了由自熱效應(yīng)引起的溫度漂移,電流值為250-a、500-a和1000-a。水平軸以秒表示時(shí)間,而垂直軸則以攝氏度自熱效應(yīng)引起的溫度漂移。不同的顏色代表了不同的電流值,藍(lán)色代表250個(gè)數(shù)字,紅色代表500個(gè)數(shù)字,綠色代表1000個(gè)數(shù)字。每種顏色有三條線代表三個(gè)不同的溫度測(cè)量通道的結(jié)果,它們具有相同的電流值?？梢杂^察到,勵(lì)磁電流越大,自熱效應(yīng)引起的溫度漂移就越大。

圖3自熱效應(yīng)引起的溫度漂移,電流值為250歐卡/500歐卡/1000奧卡。

在對(duì)勵(lì)磁電流進(jìn)行控制實(shí)驗(yàn)后,將勵(lì)磁電流設(shè)置為250倍a,以消除自熱對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

順應(yīng)性電壓是指非理想電流源保持恒流輸出所需的最小電壓。如果電壓低于此值,則電流源無(wú)法維持其輸出,因而失效。當(dāng)輸出電流設(shè)置為250安特A時(shí),AD7124-8內(nèi)的電流源的順應(yīng)性電壓為370mv。因此,電流源輸出銷(xiāo)的電壓不能超過(guò)平均值0.37V,其中平均值為3.3V。因此,外部電阻值的選擇必須滿足下列條件:

Where, R 最大值 是溫度測(cè)量范圍內(nèi)的最大電阻值.

比率測(cè)量

通過(guò)查閱AD7124-8系統(tǒng)的數(shù)據(jù)表,可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)部集成電流源誤差的典型值是(%)。如果使用共壓參考源作為ADC的參考電壓,電流源可能會(huì)導(dǎo)致增益誤差為+4%。在本文所描述的應(yīng)用中,在最壞的情況下,這將導(dǎo)致溫度測(cè)量誤差約為10.4℃(100×4%/0.385=10.4℃)。然而,使用比率測(cè)量法將完全消除由該誤差源引起的誤差。

參考電阻的選擇

Ptfd101B1A0的溫度測(cè)量范圍為-50℃到+600℃。根據(jù)卡倫達(dá)爾-范杜森方程,相應(yīng)的RTD電阻值大約為80.3-313.7。因此,參考電阻的標(biāo)稱(chēng)電阻值必須大于337.7厘米,才能測(cè)量整個(gè)范圍。數(shù)據(jù)表指定,外部參考電壓的輸入范圍必須大于0.5V,且小于avd。因此,0.5V&lxR 參考文件 3.3V,但也必須注意到R 參考文件 不應(yīng)過(guò)大且超過(guò)方程5中的順應(yīng)性電壓限制.

ADC基準(zhǔn)電壓是由通過(guò)基準(zhǔn)電阻的電流產(chǎn)生的。當(dāng)電流源所引起的增益誤差通過(guò)概率測(cè)量消除后,基準(zhǔn)電壓的誤差僅由基準(zhǔn)電阻的公差和溫度系數(shù)所決定,最終導(dǎo)致溫度測(cè)量誤差。

簡(jiǎn)而言之,選擇由蘇蘇木公司制造的耐公差僅0.02%,標(biāo)稱(chēng)電阻值為3.9kb的RG1608V-392-p-T1型電阻器,以及僅為等于25mc/℃的溫度系數(shù)。在本文所述的應(yīng)用中,由公差引起的溫度測(cè)量誤差在最壞情況下僅為0.052℃,計(jì)算方法是100×0.02%/0.385。

4線RTD配置

RTD有時(shí)用于遠(yuǎn)程溫度測(cè)量。長(zhǎng)金屬絲的鉛電阻不能忽略,這導(dǎo)致系統(tǒng)中的溫度測(cè)量誤差。目前有三種布線形式:兩線、三線和四線。其中,四線連接法的誤差最小。如圖2所示,RL1到RL4是鉛電阻。四線法的想法是使用兩條電線(RL1和RL4)來(lái)傳遞勵(lì)磁電流,而另外兩條電線(RL2和RL3)連接到高阻抗測(cè)量端,測(cè)量穿過(guò)RTD的電壓。由于測(cè)量端具有極高的輸入阻抗,幾乎沒(méi)有電流通過(guò)測(cè)量端的鉛,而由鉛電阻形成的I×R電壓幾乎為零,從而消除了鉛電阻引起的誤差.如果采用雙線法,24條特設(shè)工作組銅線的名義電阻為0.08微米/米。如果RTD的導(dǎo)線長(zhǎng)度為1米,它的總鉛電阻等于0.16吧。RTD溫度系數(shù)約為0.385微米/℃。因此,由于鉛電阻,0.16微米鉛電阻產(chǎn)生的誤差為(0.16/0.385)=0.42℃。

本文采用四線RTD配置方法,允許多臺(tái)RDS共享一個(gè)參考電阻。AD7124-8最多可連接五臺(tái)四線無(wú)線電。本文中,每臺(tái)AD7124-8設(shè)備都連接到三臺(tái)四線無(wú)線電網(wǎng)絡(luò),從而給出了系統(tǒng)的三個(gè)溫度測(cè)量通道。在多通道應(yīng)用中,三個(gè)通道是時(shí)間復(fù)用的,當(dāng)前源的輸出銷(xiāo)和對(duì)應(yīng)于每個(gè)通道的微分模擬輸入銷(xiāo)顯示在表2中。

表2通道配置

采樣電阻器

如果啟用了參考電壓緩沖區(qū),則應(yīng)考慮到鋼軌的輸入電壓限制。緩沖器啟用后,參考電壓輸入端子的絕對(duì)電壓輸入范圍為AVSS0.1V至AVD0.1V。如果基準(zhǔn)電阻的一端是直接接地,那么精煉1-PIN的電壓將等于平均電壓,超過(guò)允許的輸入范圍。因此,增加了一個(gè)采樣電阻,其電阻必須大于0.1V/250AM=400電子。本文選擇510電子作為采樣電阻的電阻值,它提供了足夠的余量,同時(shí)也不違反依從電壓要求。

收益選擇

除了由外圍電路引起的測(cè)量誤差外,ADC內(nèi)部也有可能導(dǎo)致某些誤差的誤差源。

AD7124-8在內(nèi)部集成了PGA,可用于放大不同增益的輸入信號(hào),從而充分利用了ADC的大動(dòng)態(tài)范圍,減少了量化噪聲引起的測(cè)量不確定性。然而,PGA也有可以在數(shù)據(jù)表中看到的增益錯(cuò)誤。當(dāng)增益=1和PGA不啟用時(shí),最大增益誤差僅為+0.0025%,因?yàn)樵诠S中每個(gè)AD7124-8都進(jìn)行增益校準(zhǔn)。然而,一旦啟動(dòng)了增益1和PGA,典型的增益誤差就達(dá)到-0.3%,因此必須進(jìn)行內(nèi)部增益校準(zhǔn),以減少PGA造成的無(wú)法忍受的增益誤差。當(dāng)增益設(shè)置為2、4或8時(shí),校準(zhǔn)后的最大增益誤差為+0.016%,大約是增益=1的誤差的10倍。當(dāng)然,增益選擇不僅會(huì)改變?cè)鲆驽e(cuò)誤,但也是積分的非線性。本文采用增益=1配置,因?yàn)榱炕肼曇鸬臏y(cè)量誤差小于增益&t;1校準(zhǔn)后的增益誤差。

數(shù)字濾波器

本文選擇SINC4濾波器和10個(gè)SPS的輸出數(shù)據(jù)速率,原因如下。

選擇SINC4濾波器的數(shù)據(jù)輸出速率為10的優(yōu)點(diǎn)是,SINC濾波器在數(shù)據(jù)輸出速率的倍數(shù)上具有極高的衰減率,另一個(gè)考慮因素是噪聲的有效值。在全功率模式下,增益=1,輸出數(shù)據(jù)速率為10秒,和一個(gè)SINC4濾波器,RMS的噪聲值為0.23VV,峰值到峰值的噪聲為1.5VV。在溫度測(cè)量中,最高到最高的分辨率為21.7比特,這一分辨率被轉(zhuǎn)換為1.5安特V/250安特A/0.385(單位/溫度)=0.0156℃。測(cè)量過(guò)程中的實(shí)際溫度噪聲如圖4所示.

Figure 4. AD7124-8 noise.

內(nèi)部校準(zhǔn)

AD7124-8具有內(nèi)部校準(zhǔn)功能,可以大大降低ADC的增益和偏移誤差。由于AD7124-8在工廠進(jìn)行增益=1的增益校準(zhǔn),所以在選擇增益=1時(shí),ADC不支持內(nèi)部增益校準(zhǔn)。因此,對(duì)于增益誤差,本文不執(zhí)行內(nèi)部增益校準(zhǔn),而是直接使用工廠增益校準(zhǔn)后的性能增益=1。

在充電重置后,系統(tǒng)將進(jìn)行內(nèi)部偏移校準(zhǔn)的AD7124-8每次,以減少偏移錯(cuò)誤。這樣就可以將偏移誤差和溫度漂移降低到噪聲范圍。在溫度測(cè)量中,Ad7124-8的典型偏移誤差是15VM-15VM,它被轉(zhuǎn)換為1/250VM/0.385=0.156℃。在內(nèi)部偏移校準(zhǔn)之后,最壞情況下的偏移誤差約為尖峰至尖峰噪聲值的一半,導(dǎo)致溫度測(cè)量的誤差僅約為0.008℃。

系統(tǒng)錯(cuò)誤分析摘要

表3系統(tǒng)誤差分析表