多路复用三线式RTD数据采集系统的误差最小化

电阻温度检测器(RTD) 可在很多工业应用中监控温度。在一个分布式控制系统 (DCS)或可编程逻辑控制器 (PLC)中, 一个数据 采集模块可用来监控很多安装在远处的RTD 温度。在高性能应用中,若每个RTD 都自带激励电路和ADC,则具有最佳的精度,但数据采集模块将会体积庞大、成本高昂,且功耗高。多路复用模块具有体积较小、成本和功耗较低的特性,但可能会损失一定精度性能。本文讨论如何最小化多路复用系统误差。

电路结构

提供双线式、三线式和四线式RTD 配置,其中,双线式配置的器件成本最低,四线式器件精度最佳。三线式RTD 通常用 于工业应用中,可采用两个相同的电流源激励,以消除引脚电阻。与精密参考电阻一同使用时,电流源误差不影响测量精度。高性能ADC(如AD7792AD7793集成激励电流源,适合高精度RTD 测量。

图1 显示片内电流源激励两个三线式RTD。RTD 通道可由多 路复用器选择,如ADG5433高压、防闩锁、三路SPDT 开关。

Figure 1
图1. 两个三线式RTD 多路复用至一个AD7792/AD7793 ADC

一次只能测量一个RTD。S1A、S1B 和S1C 闭合测量RTD #1; S2A、S2B 和S3B 闭合测量RTD #2。单个ADG5433 可切换两个三线式RTD;可增加额外的多路复用器处理两个以上的传感 器。RLXX表示RTD 和测量系统之间由于导线过长引入的电阻以及开关的导通电阻。

计算RTD电阻

由于S1A、S1B 和S1C 闭环测量RTD #1,RTD 电阻可计算如下:

Equaton 1

因此,测量值仅取决于 RREF的数值(和精度)。但请记住,我们假定
IOUT1 = IOUT2 ,并且 RL1A = RL1B = RL1C。事实上,这些电流和电阻失配是测量误差的主要来源。

电流源和线路电阻失配的影响

下一步,假定两个电流源失配,比如 IOUT2 = (1 + x) IOUT1。现在,考虑下列情况:

Equation 2

请注意,失配会导致失调误差以及增益误差。失调误差与两个引脚电阻之间的失配有关,而增益误差与两个电流源之间的失配有关。如果不考虑这些失配情况,则根据ADC 的数据读数计算的RTD 电阻值将是不准确的。

以200 Ω RTD 为例, 表1 显示不考虑失配时,得到的数值;其 中RREF = 1000 Ω, IOUT1 = 1 mA, IOUT2 > IOUT1 (以百分比显示), RL1A = 10 Ω, RL1C > RL1A (以电阻值显示)。

表1. 不考虑失配时的RTD 测量值

RL1CRL1A

(IOUT2 – IOUT1)/IOUT1
0.01 Ω 0.1 Ω 1 Ω
0.1% 199.88 199.79 198.89
0.5% 199.44 199.35 198.45
1.0% 198.90 198.81 197.90

最小化误差

数据显示很小的失配就会严重影响精度,因此应当使用匹配良好的电流源和开关,以便改进性能。

传递函数是线性的,因此可轻松校准电流源和电阻失配导致的初始误差。然而,失配随温度的变化而改变,这使得补偿变得 很不容易。因此,选用的器件应随温度的变化而具有低漂移特性。

IOUT1IOUT2, 且电流源如图所示连接:

Equation 3

假定我们交换 IOUT1IOUT2, 使 IOUT1 连接 VIN–IOUT2 并连接 VIN+:

Equation 5

现在,如果我们对转换结果求和,并且电流源以初始方向连接, 同时第二次转换时交换电流源,则可得:

请注意,测量值现已独立于电流源失配。唯一的缺点是速度的损失,因为每次RTD 计算都需经过两次转换。

AD7792 和AD7793 针对该应用设计。如图2 所示,通过写入 I/O 寄存器,集成开关可简化电流源到输出引脚的交换。

Figure 2
图2. AD7792/AD7793 功能框图

结论

在AD7792/AD7793 器件内交换激励电流源可改善多路复用 RTD 测量电路的精度。计算显示了电流源和线路电阻之间失配 问题的重要性

参考电路

Kester, Walt, James Bryant, and Walt Jung. “Temperature Sensors.” Sensor Signal Conditioning, Section 7. Analog Devices, Inc., 1999.

作者

Henry-He

Henry He

Henry He 于2012 年加入 ADI 公司,担任中国北京现场应用工程师一职。加入ADI之前,Henry 曾经作为硬件工程师服务于GE Energy 和SUPCON公司。他拥有浙江大学工业自动化专业的学士学位和硕士学、位。