设计一个无校准RTD温度测量系统，第二部分激励源和采样电阻选择

一般来说,励磁电流越大,温度测量的灵敏度就越高,从而提高了温度测量的性能。然而,较大的励磁电流并不总是更好的。一方面,激发电流在RTD上产生的热能与电流的平方成正比,电流越大,自热效应越大,这可能对温度测量产生重大影响。另一方面,它受到电流源的顺应电压的限制.因此,在选择励磁电流值时,必须同时考虑自热效应和顺应性电压。

图3显示了由自热效应引起的温度漂移,电流值为250-a、500-a和1000-a。水平轴以秒表示时间,而垂直轴则以摄氏度自热效应引起的温度漂移。不同的颜色代表了不同的电流值,蓝色代表250个数字,红色代表500个数字,绿色代表1000个数字。每种颜色有三条线代表三个不同的温度测量通道的结果,它们具有相同的电流值。可以观察到,励磁电流越大,自热效应引起的温度漂移就越大。

图3自热效应引起的温度漂移,电流值为250欧卡/500欧卡/1000奥卡。

在对励磁电流进行控制实验后,将励磁电流设置为250倍a,以消除自热对测量结果的影响。

顺应性电压是指非理想电流源保持恒流输出所需的最小电压。如果电压低于此值,则电流源无法维持其输出,因而失效。当输出电流设置为250安特A时,AD7124-8内的电流源的顺应性电压为370mv。因此,电流源输出销的电压不能超过平均值0.37V,其中平均值为3.3V。因此,外部电阻值的选择必须满足下列条件:

Where, R 最大值 是温度测量范围内的最大电阻值.

比率测量

通过查阅AD7124-8系统的数据表,可以发现内部集成电流源误差的典型值是(%)。如果使用共压参考源作为ADC的参考电压,电流源可能会导致增益误差为+4%。在本文所描述的应用中,在最坏的情况下,这将导致温度测量误差约为10.4℃(100×4%/0.385=10.4℃)。然而,使用比率测量法将完全消除由该误差源引起的误差。

参考电阻的选择

Ptfd101B1A0的温度测量范围为-50℃到+600℃。根据卡伦达尔-范杜森方程,相应的RTD电阻值大约为80.3-313.7。因此,参考电阻的标称电阻值必须大于337.7厘米,才能测量整个范围。数据表指定,外部参考电压的输入范围必须大于0.5V,且小于avd。因此,0.5V&lxR 参考文件 3.3V,但也必须注意到R 参考文件 不应过大且超过方程5中的顺应性电压限制.

ADC基准电压是由通过基准电阻的电流产生的。当电流源所引起的增益误差通过概率测量消除后,基准电压的误差仅由基准电阻的公差和温度系数所决定,最终导致温度测量误差。

简而言之,选择由苏苏木公司制造的耐公差仅0.02%,标称电阻值为3.9kb的RG1608V-392-p-T1型电阻器,以及仅为等于25mc/℃的温度系数。在本文所述的应用中,由公差引起的温度测量误差在最坏情况下仅为0.052℃,计算方法是100×0.02%/0.385。

4线RTD配置

RTD有时用于远程温度测量。长金属丝的铅电阻不能忽略,这导致系统中的温度测量误差。目前有三种布线形式:两线、三线和四线。其中,四线连接法的误差最小。如图2所示,RL1到RL4是铅电阻。四线法的想法是使用两条电线(RL1和RL4)来传递励磁电流,而另外两条电线(RL2和RL3)连接到高阻抗测量端,测量穿过RTD的电压。由于测量端具有极高的输入阻抗,几乎没有电流通过测量端的铅,而由铅电阻形成的I×R电压几乎为零,从而消除了铅电阻引起的误差.如果采用双线法,24条特设工作组铜线的名义电阻为0.08微米/米。如果RTD的导线长度为1米,它的总铅电阻等于0.16吧。RTD温度系数约为0.385微米/℃。因此,由于铅电阻,0.16微米铅电阻产生的误差为(0.16/0.385)=0.42℃。

本文采用四线RTD配置方法,允许多台RDS共享一个参考电阻。AD7124-8最多可连接五台四线无线电。本文中,每台AD7124-8设备都连接到三台四线无线电网络,从而给出了系统的三个温度测量通道。在多通道应用中,三个通道是时间复用的,当前源的输出销和对应于每个通道的微分模拟输入销显示在表2中。

表2通道配置

采样电阻器

如果启用了参考电压缓冲区,则应考虑到钢轨的输入电压限制。缓冲器启用后,参考电压输入端子的绝对电压输入范围为AVSS0.1V至AVD0.1V。如果基准电阻的一端是直接接地,那么精炼1-PIN的电压将等于平均电压,超过允许的输入范围。因此,增加了一个采样电阻,其电阻必须大于0.1V/250AM=400电子。本文选择510电子作为采样电阻的电阻值,它提供了足够的余量,同时也不违反依从电压要求。

收益选择

除了由外围电路引起的测量误差外,ADC内部也有可能导致某些误差的误差源。

AD7124-8在内部集成了PGA,可用于放大不同增益的输入信号,从而充分利用了ADC的大动态范围,减少了量化噪声引起的测量不确定性。然而,PGA也有可以在数据表中看到的增益错误。当增益=1和PGA不启用时,最大增益误差仅为+0.0025%,因为在工厂中每个AD7124-8都进行增益校准。然而,一旦启动了增益1和PGA,典型的增益误差就达到-0.3%,因此必须进行内部增益校准,以减少PGA造成的无法忍受的增益误差。当增益设置为2、4或8时,校准后的最大增益误差为+0.016%,大约是增益=1的误差的10倍。当然,增益选择不仅会改变增益错误,但也是积分的非线性。本文采用增益=1配置,因为量化噪声引起的测量误差小于增益&t;1校准后的增益误差。

数字滤波器

本文选择SINC4滤波器和10个SPS的输出数据速率,原因如下。

选择SINC4滤波器的数据输出速率为10的优点是,SINC滤波器在数据输出速率的倍数上具有极高的衰减率,另一个考虑因素是噪声的有效值。在全功率模式下,增益=1,输出数据速率为10秒,和一个SINC4滤波器,RMS的噪声值为0.23VV,峰值到峰值的噪声为1.5VV。在温度测量中,最高到最高的分辨率为21.7比特,这一分辨率被转换为1.5安特V/250安特A/0.385(单位/温度)=0.0156℃。测量过程中的实际温度噪声如图4所示.

Figure 4. AD7124-8 noise.

内部校准

AD7124-8具有内部校准功能,可以大大降低ADC的增益和偏移误差。由于AD7124-8在工厂进行增益=1的增益校准,所以在选择增益=1时,ADC不支持内部增益校准。因此,对于增益误差,本文不执行内部增益校准,而是直接使用工厂增益校准后的性能增益=1。

在充电重置后,系统将进行内部偏移校准的AD7124-8每次,以减少偏移错误。这样就可以将偏移误差和温度漂移降低到噪声范围。在温度测量中,Ad7124-8的典型偏移误差是15VM-15VM,它被转换为1/250VM/0.385=0.156℃。在内部偏移校准之后,最坏情况下的偏移误差约为尖峰至尖峰噪声值的一半,导致温度测量的误差仅约为0.008℃。

系统错误分析摘要

表3系统误差分析表