比例式三线测量系统的原理和优势

许多医疗、过程控制和工业自动化应用需要精确的温度测量来完成其功能。电阻式温度检测器 （RTD） 通常用作这些精密温度测量中的传感元件，因为它们具有广泛的温度测量范围、良好的线性度以及出色的长期稳定性和可重复性。RTD 是一种由金属制成的传感元件，在温度范围内具有可预测的电阻。RTD 传感器的电阻可以通过向 RTD 注入电流并测量电压来计算。然后可以根据 RTD 电阻和温度之间的关系计算 RTD 温度。

这篇由三部分组成的文章的第 1 部分讨论了比例式三线测量系统的原理和优势。在第 2 部分中，我们比较了励磁电流源失配与其他误差源的影响。在第 3 部分中，我们提供了最小化或减少激励失配影响的解决方案。

Pt100 RTD 概述

Pt100 RTD 是一种铂基 RTD 传感器，可在宽温度范围内提供出色的性能。铂是一种贵金属，在常用的 RTD 材料中具有最高的电阻率，可实现小传感器尺寸。由铂制成的 RTD 传感器有时被称为铂电阻温度计或 PRT。Pt100 RTD 在 0 °C 时的阻抗为 100 Ω，温度每变化 1 °C，电阻变化大约为 0.385 Ω。在可用温度范围的极端情况下，电阻在 -200 °C 时为 18.51 Ω，在 850 °C 时为 390.48 Ω。更高价值的电阻传感器，例如 Pt1000 或 Pt5000，可用于提高灵敏度和分辨率。

Callendar Van-Dusen （CVD） 方程定义了 RTD 的电阻特性与温度 （T） 的关系，以摄氏度为单位。对于正温度，CVD 方程是一个二阶多项式，如方程 （1） 所示。对于负温度，CVD 方程扩展为方程 （2） 中所示的四阶多项式。

CVD 系数（A、B 和 C）在欧洲 IEC-60751 标准中定义。系数值显示在等式（3）中。R0 是 RTD 在 0 °C 时的电阻。

Pt100 RTD 从 –200 °C 到 850 °C 的电阻变化如图 1 所示。

图 1： –200 °C 至 850 °C 的 Pt100 RTD 电阻。

三线 RTD

三线 RTD 配置因其在成本和精度之间的平衡而广受欢迎。在提出的三线配置中，一个激励电流 （I1） 在 RTD 元件上产生一个电压电位。同时，注入第二个激励电流 （I2） 以消除图 2 和公式 （4-7） 所示最终测量结果中的 RTD 引线 （RLEAD） 电阻。

图 2：带引线电阻的三线 RTD。

RTD 测量电路配置

差分 RTD 电压 V DIFF通常由模数转换器 （ADC） 转换并发送到处理器进行解释。ADC 将输入电压与参考电压 V REF进行比较，以产生数字输出。使用离散外部参考电压的三线 RTD 测量电路如图 3 所示。等式 （8） 定义了基于数字代码总数、RTD 电阻、激励电流幅度和参考电压的最终转换结果。此示例假设 ADC 具有 ±V REF的满量程范围。如图所示，由于参考电压和激励电流的幅度、噪声和温度漂移导致的误差直接导致转换误差。

图 3：具有外部基准的三线 RTD 电路。

将 RTD 和 ADC 置于比例配置中（图 4）对于三线 RTD 系统来说是一种更精确的电路配置。在比率配置中，流经 RTD 的激励电流通过低端参考电阻 RREF 返回到地。RREF 上产生的电压电位 V REF提供给 ADC 的正和负参考引脚（REFP 和 REFN）。

RTD 和 RREF 电阻器上的电压降由相同的激励电流产生（等式 9 和 10）。因此，激励电流的变化反映在 RTD 差分电压和参考电压中。由于 ADC 输出代码是输入电压和参考电压之间的关系，因此最终转换结果降低为 RTD 和 RREF 电阻的比率，并且不依赖于参考电压或激励电流的值（等式 11）。因此，如果在不影响最终转换结果的情况下完美匹配，则由于激励电流的幅度、温度漂移和噪声导致的不准确性会被抵消。比率配置还有助于减少对输入和参考都常见的外部噪声的影响，因为它也可以抵消。

图 4：比例式三线 RTD 电路。

励磁电流源失配误差

两个激励电流必须彼此相等才能实现理想的传递函数（等式 11）。励磁电流失配会改变理想的系统传递函数，因为它会降低引线电阻消除的有效性。

当一个激励电流减少或增加最大失配规范时，传递函数的最坏影响就会出现。这在等式 （12） 中定义，其中 Δ 是激励电流失配。

I2 的失配导致理想传递函数发生变化（等式 13）。

等式 （14） 通过将等式 （13） 的结果与等式 （11） 中的理想传递函数进行比较来计算由励磁电流失配引起的增益误差。

如果在 %FSR 中指定励磁电流失配，则增益误差可以如公式 （15） 所示计算。

由激励电流不匹配引起的增益误差可以通过标准增益校准来消除。然而，激励电流失配通常会随着温度的变化而漂移，这需要复杂的校准来纠正。

概括

在本文的第 1 部分中，我们介绍了三线 RTD、引线电阻消除以及构建比例式三线 RTD 系统的好处。我们表明，虽然比率 RTD 配置消除了激励电流初始精度的误差，但两个激励电流之间的不匹配仍然会导致增益误差。

加入我们的第 2 部分，我们将对现代比例式三线 RTD 测量系统进行分析，以描述误差源，包括励磁电流不匹配和漂移的影响。

作者：Collin Wells ，Ryan Andrews

审核编辑：郭婷