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多路復用三線式RTD數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的誤差最小化

發(fā)布時間:2020-04-17 來源:Henry He 責任編輯:wenwei

【導讀】電阻溫度檢測器(RTD) 可在很多工業(yè)應用中監(jiān)控溫度。在一個分布式控制系統(tǒng) (DCS)或可編程邏輯控制器 (PLC)中, 一個數(shù)據(jù) 采集模塊可用來監(jiān)控很多安裝在遠處的RTD 溫度。在高性能應用中,若每個RTD 都自帶激勵電路和ADC,則具有最佳的精度,但數(shù)據(jù)采集模塊將會體積龐大、成本高昂,且功耗高。多路復用模塊具有體積較小、成本和功耗較低的特性,但可能會損失一定精度性能。本文討論如何最小化多路復用系統(tǒng)誤差。
 
電路結(jié)構
 
提供雙線式、三線式和四線式RTD 配置,其中,雙線式配置的器件成本最低,四線式器件精度最佳。三線式RTD 通常用 于工業(yè)應用中,可采用兩個相同的電流源激勵,以消除引腳電阻。與精密參考電阻一同使用時,電流源誤差不影響測量精度。高性能ADC(如AD7792和AD7793集成激勵電流源,適合高精度RTD 測量。
 
圖1 顯示片內(nèi)電流源激勵兩個三線式RTD。RTD 通道可由多 路復用器選擇,如ADG5433高壓、防閂鎖、三路SPDT 開關。
 
多路復用三線式RTD數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的誤差最小化
圖1. 兩個三線式RTD 多路復用至一個AD7792/AD7793 ADC
 
一次只能測量一個RTD。S1A、S1B 和S1C 閉合測量RTD #1; S2A、S2B 和S3B 閉合測量RTD #2。單個ADG5433 可切換兩個三線式RTD;可增加額外的多路復用器處理兩個以上的傳感 器。RLXX表示RTD 和測量系統(tǒng)之間由于導線過長引入的電阻以及開關的導通電阻。
 
計算RTD電阻
 
由于S1A、S1B 和S1C 閉環(huán)測量RTD #1,RTD 電阻可計算如下:
 
多路復用三線式RTD數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的誤差最小化
 
因此,測量值僅取決于 RREF的數(shù)值(和精度)。但請記住,我們假定IOUT1 = IOUT2 ,并且 RL1A = RL1B = RL1C。事實上,這些電流和電阻失配是測量誤差的主要來源。
 
電流源和線路電阻失配的影響
 
下一步,假定兩個電流源失配,比如 IOUT2 = (1 + x) IOUT1。現(xiàn)在,考慮下列情況:
 
多路復用三線式RTD數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的誤差最小化
 
請注意,失配會導致失調(diào)誤差以及增益誤差。失調(diào)誤差與兩個引腳電阻之間的失配有關,而增益誤差與兩個電流源之間的失配有關。如果不考慮這些失配情況,則根據(jù)ADC 的數(shù)據(jù)讀數(shù)計算的RTD 電阻值將是不準確的。
 
以200 Ω RTD 為例, 表1 顯示不考慮失配時,得到的數(shù)值;其 中RREF = 1000 Ω, IOUT1 = 1 mA, IOUT2 > IOUT1 (以百分比顯示), RL1A = 10 Ω, RL1C > RL1A (以電阻值顯示)。
 
表1. 不考慮失配時的RTD 測量值
多路復用三線式RTD數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的誤差最小化
 
最小化誤差
 
數(shù)據(jù)顯示很小的失配就會嚴重影響精度,因此應當使用匹配良好的電流源和開關,以便改進性能。
 
傳遞函數(shù)是線性的,因此可輕松校準電流源和電阻失配導致的初始誤差。然而,失配隨溫度的變化而改變,這使得補償變得 很不容易。因此,選用的器件應隨溫度的變化而具有低漂移特性。
 
若 IOUT1 ≠ IOUT2, 且電流源如圖所示連接:
 
多路復用三線式RTD數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的誤差最小化
 
假定我們交換 IOUT1 和 IOUT2, 使 IOUT1 連接 VIN– 和 IOUT2 并連接 VIN+:
 
多路復用三線式RTD數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的誤差最小化
 
現(xiàn)在,如果我們對轉(zhuǎn)換結(jié)果求和,并且電流源以初始方向連接, 同時第二次轉(zhuǎn)換時交換電流源,則可得:
 
請注意,測量值現(xiàn)已獨立于電流源失配。唯一的缺點是速度的損失,因為每次RTD 計算都需經(jīng)過兩次轉(zhuǎn)換。
 
AD7792 和AD7793 針對該應用設計。如圖2 所示,通過寫入 I/O 寄存器,集成開關可簡化電流源到輸出引腳的交換。
 
多路復用三線式RTD數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的誤差最小化
圖2. AD7792/AD7793 功能框圖
 
結(jié)論
 
在AD7792/AD7793 器件內(nèi)交換激勵電流源可改善多路復用 RTD 測量電路的精度。計算顯示了電流源和線路電阻之間失配 問題的重要性
 
參考電路
 
Kester, Walt, James Bryant, and Walt Jung. “Temperature Sensors.” Sensor Signal Conditioning, Section 7. Analog Devices, Inc., 1999.
 
 
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