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技術專題

RTD傳感器在沒有精密電流源的情況下測量


電阻溫度檢測器(RTD)傳感器的電阻是通過施加精密電流源并測量產生的電壓來測量的。這種方法通常需要一個精密的電壓基準來創建電流源,然后是一個高質量的模數轉換器(ADC)以測量電壓。

在室溫下達到這一目標并不困難,但是當您認為測量系統的溫度可以在-40+55 C°的范圍內時,任務將變得更加艱巨。

解決此問題的蠻力方法是使用昂貴的溫度穩定電壓基準,ADC和其他組件,并結合軟件校準來補償參數的溫度漂移。這種方法很復雜,將無法實現限制傳感器精度的高精度。

發現一種更好的方法是使用精度為0.1%的5 ppm /°C超穩定電阻作為RTD測量的參考。這種方法需要兩個板載超穩定電阻進行校準(1k2k),以實現高RTD精度。這些電阻器用于校準RTD讀數并補償溫度漂移誤差。

該設計將Q1-Q3晶體管與R1電阻結合使用,以形成一個恒流源,該源使用2.5V ADC基準電壓源提供約1mA的電流(見圖)。當相應的GPIO引腳被驅動為低電平時,校準電阻R4R5以及RT1RT2 RTD傳感器可以吸收該電流。不用時,GPIO引腳為三態。在ADC輸出端測量電壓。

Q1-Q3晶體管和R1電阻形成一個恒流源,使用2.5V ADC基準電壓源可提供約1mA的電流

為了進行校準,我們將需要讀取兩個電阻并計算恒流源值和組合誤差,我們將其稱為V Offset。校準后的I ccV Offset值用于轉換RTD溫度讀數。

校準結果(請參見上表)使用以下公式計算:

哪里:

R RTD是測得的RTD電阻。

V ADCADC電壓讀數。

I CC是某種恒定電流源。

V Offset是累積誤差的電壓偏移。請注意,此變量是多個誤差電壓源的組合。因此,將其拆分成多個組件以獲得更好的精度可能是有益的(盡管不是必需的)。

要計算V OffsetI CC 我們需要做一些假設以得出以下公式:

第一個假設:校準電阻是理想的,其阻值分別為1,000-2,000-Ω

第二個假設: I CC電流源在測量期間保持穩定。

第三個假設: ADC轉換結果完美。

根據這些假設,我們可以這樣寫:

在公式2中,VCAL 1KVCAL 2K表示施加I CC電流時在校準電阻上產生的電壓。

通過求解I CCV Offset 等式,我們得到以下等式:

實驗裝置測量

實驗設置有兩個校準電阻和兩個RTD安裝在不同的位置。我們使用了具有10位分辨率的ADC和在室溫下額定1k的表面貼裝RTD。注意,上表中樣品23之間的板溫度變化時,校準值如何變化。

為了收集數據,軟件遵循以下步驟:

1.   讀取校準電阻和RTD上的ADC電壓電平。

2.   使用公式計算偏移。 

3.   用公式計算ICC

4.   利用公式1確定RTD電阻。

5.   通過查表和分段插值將RTD電阻值轉換為溫度。

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