设计一个无校准RTD温度测量系统，第四部分误差校准和精度测试

接上一篇，尽管14条RTD测量通道的温度测量误差曲线具有一致的趋势,但由于产量的变化,它们的斜率和截流量在一定程度上有所不同。为了对这一过程产生的所有RTD测量通道进行误差补偿,需要找到14条温度测量误差曲线所包围的区域的中间曲线。更合适的方法是使用一个分段函数来描述错误函数,它分为两个部分:零和零。

首先,观察零度以上的温度测量误差曲线.温度测量误差在0-140℃之间的变化是一个接近二次函数的曲线。 error (T) = AT2 + BT + C (T > 0).

本文选择0℃时第三大和第三小误差值的平均值作为误差函数的常量C值。选择0℃误差的原因是,0℃时RTD的电阻值是它的名义电阻值。没有选择最大和最小误差的两个RTD测量通道的原因是它们更有可能是缺陷的。第二大和第二小误差值也可能具有特异性。因此,选择了第三大和第三小误差值.据认为,大多数好产品的误差范围(-0.04680℃,+0.08392℃)是由第三大和第三小误差值包围的。因此,取中点0。作为补偿,01855°C可以在0°C时最大限度地优化大多数好产品的性能。

系数A和B是通过曲线拟合得到的,如图8所示。曲线拟合中使用的离散点是在每个固定温度值上测量的14个误差值的平均值。在零度以上有10个固定温度值,因此曲线拟合基于这10个离散点的最佳拟合,曲线拟合的相关系数为0.9989。最后,将误差函数确定为方程7.

图8温度测量误差曲线拟合图

观察零度以下的温度测量误差曲线.可以看出,温度误差不会随温度在-25℃和0℃之间发生变化。因此,零以下的误差曲线是一个接近常数的函数 error [T] = D (T < 0). 同样,误差函数中的D值被确定为0℃时第三大和第三小误差值的平均值。最后,将误差函数确定为公式8.

误差补偿后的准确性改进

在得到误差函数后，我们在微控制器程序中使用它来补偿温度测量值。当我们得到由ADC转换的二进制数据时，我们计算由方程3和4测量的t，然后用方程8对误差进行补偿。换句话说，我们使用相同的误差函数来校准所有的RTD温度测量通道，这是一种节省时间和提高精度的校准方法，可以补偿整个测量范围内的误差。

此处：

测量的T’值是误差补偿后的测量值，其他变量在前面定义。最后,我们需要验证使用错误函数的补偿是否有效.通过从真实值中减去补偿测量值,可以得到补偿后的测量误差,如公式10所示。

这里:

错误[T] 是T(°C)误差补偿后的误差,其他变量是前面定义的。

根据表5所示的组合方法,我们选择了9台RTD和3台AD7124-8设备组成9个RTD温度测量通道。在恒温器中放置了rtds,并选择了与以前相同的高于零的固定温度值进行温度测量。

表5ADC通信通道组合(验证)

我们观察了温度测量误差在零以上范围内的补偿效应.初始温度测量误差和补偿后的误差分别见图9和图10。

图9初始温度测量误差(T&T;0℃)。

图10补偿后的温度测量误差(T&T;0℃)。

图中显示的结果表明,当温度在0-140℃之间时,误差补偿可以在这一温度范围内将温度测量误差从-0.8℃降至+0.2℃至-0.3℃至+0.15%。

然后,观察零度以下温度范围的温度测量误差补偿效应,选择相同的固定低于零度温度值进行温度测量。图11和图12分别显示初始温度测量误差和补偿温度测量误差。

图11初始温度测量误差(T<0℃)。

图12补偿后的温度测量误差(T<0℃)。

图中显示的结果表明,当测量的温度在-25℃至0℃的范围内时,误差补偿可以使误差从-0.1℃至+0.15%℃至-0.15%℃至+0.1℃。

总之,在-25℃至+140℃的温度范围内,温度测量误差用误差函数补偿后,可以保持在-0.3℃的范围内,在-25℃至+140℃的温度范围内,9个RTD温度测量通道中的8个通道可以保持在-25℃至+140℃的温度测量误差范围内,这大大提高了温度测量的准确性。

引进新产品

基于AD7124-8,ADI开发了一种新型芯片AD4130-8,具有超低功耗和尺寸小的特点。如数据表所示,当启用内部振荡器和内部引用时,PGA增益=1至16的连续转换模式下的典型耗电量为35倍A。在负荷周期比为1/4的模式下,典型的耗电量降至11-1,而在负荷周期比为1/16的模式下,典型的耗电量仅降至4.35-1。这种强大的性能可以在一个只有3.6毫米x2.74毫米的WLCSP包件中实现。

类似地,AD4130-8也适用于温度测量,所以我们把rtd9插入AD4130-8Evb板,形成一个温度测量通道。AD4130-8被配置为10sp,SINC3数字滤波器,全功率模式,PGA增益=1,励磁电流=200a,它使模拟输入缓冲区和参考电压缓冲区。

测试了AD4130-8温度测量系统的噪声性能。我们记录了100个温度数据样本,速率为10秒,持续时间为10秒。结果见图13。

图13AD4130-8噪声图。

如图13所示,在上述配置下,Ad4130-8测量的100个样本的尖峰至尖峰噪声值为0.04℃。这一数值略高于Ad7124-8,但随之而来的是电力消耗的大幅减少。

此外,还测量了AD4130-8温度测量系统的温度测量误差。将rtd9置于恒温器中,选择15个固定温度值,与以前一样,在-25℃到+140℃之间,并记录每一温度下rdd温度测量通道的温度测量误差。此外,我们还比较了结果与从rtd9和Ad7124-8形成的温度测量通道获得的温度测量误差曲线。结果见图14。

如图所示,在-25℃至+140℃的温度范围内,AD4130-8系统的温度测量误差与AD7124-8系统的温度测量误差无显著差别。

图14AD4130-8温度测量系统的误差曲线(-25℃<<140℃)。

结论

在本文中,我们选择了ptfd101b1a0RTD温度传感器,并将其与ADC7124-8相结合,形成了一个温度测量系统,目的是最大限度地减少误差源。详细介绍了该芯片及其外围器件的优化配置.通过实际试验,验证了本文设计的温度测量系统的优良性能:制造过程中不需要校准过程;测量的温度误差可以保持在-25℃到+140℃的温度范围内。选择高成本效益的RTD、ADC和周边设备,使整个温度测量解决方案具有成本效益,同时保持高精度。