本文由三部分組成，第1部分討論了比例型三線測量係統的原理和優勢。在第2部分
，我們將勵磁電流源失配的影響與其它誤差源的影響進行了比較。在第3部分，我們提供了解決方案，以便最小化或減輕勵磁失配的影響。

 

Pt100 RTD概述

 

Pt100 RTD是一種鉑質RTD傳感器，可在很寬的溫度範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，能實現小尺寸的傳感器。由鉑製成的RTD傳感器有時被稱為鉑電阻溫度計或PRT。Pt100 RTD在0℃時阻抗為100Ω
，每1℃的溫度變化大約會引起0.385Ω的電阻變化。當處於可用溫度範圍的極限時
，電阻為18.51Ω（在-200℃時）或390.48Ω（在850℃時）。Pt1000或Pt5000等價值更高的電阻式傳感器可用來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）的關係。當溫度為正值時
，CVD方程式是二階多項式，如方程式（1）所示。當溫度為負值時，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係數（A
、B和C）。方程式（3）展示了這些係數值。R0是RTD在0℃時的電阻。

 

 

圖1標繪了溫度從-200℃增至850℃時Pt100 RTD電阻的變化。

 

圖1：溫度從-200℃增至850℃時的Pt100 RTD電阻

 

三線RTD

 

三線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。在所推薦的三線配置中
，一種勵磁電流（I1）可跨RTD元件產生電壓電勢。與此同時，另一種勵磁電流（I2）被注入，以便從最終測量值中抵消RTD引線的電阻（RLEAD），如圖2和方程式（4-7）所示。

 

圖2：具有導線電阻的三線RTD

 

 

RTD測量電路配置

 

差分RTD電壓VDIFF通常由模數轉換器（ADC）進行轉換
，並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，從而產生數字輸出。圖3展示了使用離散性外部參考電壓的三線RTD測量電路。方程式（8）則定義了基於數字代碼總數
、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的滿量程範圍。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生的誤差會直接導致轉換錯誤。

 

 

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，適用於三線RTD係統。在比例型配置裏
，流過RTD的勵磁電流可通過低側參考電阻器RREF返回到接地。跨RREF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生的（方程式9和方程式10）。因此，勵磁電流的變化會同時反映在RTD差分電壓和參考電壓上。由於ADC輸出代碼表示的是輸入電壓和參考電壓之間的關係
，故最終轉換結果可換算為RTD電阻和RREF電阻的比
，並非取決於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

，那麼因勵磁電流的大小
、溫度漂移和噪聲而產生的誤差就可以消除。此外，比例型配置還有助於減小外部噪聲（對輸入電壓和參考電壓而言似乎很常見）的影響
，因為這種噪聲也會消除。

 

 

圖4：比例型三線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，以實現理想的傳遞函數（方程式11）。勵磁電流失配會改變理想的係統傳遞函數
，因為它能降低引線電阻抵消的有效性。

 

當一種勵磁電流被減小或增加的量達到失配規範規定的極限值時，會對傳遞函數產生最嚴重的影響。這在方程式（12）（其中Δ代表勵磁電流失配）裏得到了詮釋。

 

I2的失配可導致理想傳遞函數發生改變（方程式13）。

 

 

通過將方程式（13）的計算結果與方程式（11）的理想傳遞函數進行比較，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，那麼可按方程式（15）所示計算增益誤差。

 

 

ketongguobiaozhunzengyixiaozhunxiaochulicidianliushipeiyinqidezengyiwucha。buguo，licidianliushipeitongchanghuisuiwendubianhuaerpiaoyi，zhejiuxuyaofuzadexiaozhunlaiyuyijiaozheng。

 

總結

 

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建比例型三線RTD係統所帶來的好處。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後，這兩種勵磁電流之間的失配仍會引起增益誤差。

 

歡迎和我們一起把關注點轉向本文的第2部分 —— 在該部分我們將提供對現代比例型三線RTD測量係統的分析，以便說明誤差的來源，包括勵磁電流失配和漂移的影響。

 

參考文獻

 

1. 下載這些產品說明書：ADS1200、ADS1237和ADS1248

 

2. TI參考設計：TIPD120

、TIPD154、TIPD152和TIDA165

 

 

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