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用电子表格设计RTD接口

Robert S Villanucci?? 波士顿 Wentworth 技术学院;?? 2008年04月30日 ?? 收藏0

  对于有精度要求的设计,RTD(电阻温度探测器)传感器是优先选择。虽然 RTD 在 0℃~100℃的有限温度范围内近似为线性,但当测量范围加宽时,这些传感器会表现出少量但却越来越大的非线性。因此,如果系统要在扩展温度范围内达到高精度,则需要曲线拟合。消除一只 RTD 传感器非线性特性的一种方法是在任何附加的信号处理段以前设计一个模拟硬件电路,它完成曲线拟合算法。如果要保持低成本和低元件数,并且当微处理器的设计不灵活情况下,这种方法尤其具备吸引力。低元件数还能为小尺寸 PCB(印刷电路板)带来额外的好处。

图1此RTD电路采用一个二次多项式对传感器的输出作线性化


  多数常见的RTD采用铂制造,在0℃时电阻值为100Ω,其金属纯度使之遵循正温度系数的标准欧洲曲线,温度系数a等于 0.00385Ω/Ω/℃。金属纯度略高的 RTD 也很常见,但普及性略差。这些 RTD 的α为0.00392Ω/Ω/℃,遵循美国曲线。图 1 中的电路采用一支标准 RTD 测量 0℃~ +350℃扩展范围内的温度,输出电压为 0V~3.5V,系统总精度优于 0.5℃。以下线性方程表示了这个传感器系统:

公式1


  IC1 管脚接成通过接地传感器 T1 提供一个 400mA 恒流。以这种电流水平驱动 T1(“零功率”运行)可使传感器内电路的功耗保持在低于40mW 的最低水平,减少自发热误差的二次效应(参考文献1)。另外,用恒流驱动 RTD可以保持其固有的非线性,可将传感器的输出电压 VS 表示为:400mA×RS,其中 RS 是传感器的电阻。

  IC2 先对传感器的输出作信号调整,方法是先缩放输出电压,然后对结果作偏置,使VT 略高于 +350℃ 时的 3.5V 输出,VT 等于 0℃时的 0V。对曲线拟合电路来说,在线性化之前增加增益和偏置增加不了多少负担,而有助于满足系统的精度规格。C1与R5的组合实现了一个约为10Hz的单极低通滤波器,以去除电源噪声。下式描述了IC2及其相关电路的性能:VT=75VS - 3V。

表1


  接下来,用一个 Excel 电子表建立电压 VT 与系统输出 VO 之间的非线性数学关系(表1)。电子表有17个被测温度项,从 0℃开始,以25℃增量增加,结束在 400℃。采用一种超过 350℃预期测量范围的数据集可以减少非线性系统的最终误差。用 RS 的值(可以从标准 RTD 电阻与温度表中查到)与方程可以计算 VS 和 VT。VT 与 VO 列分别是线性化电路的输入和输出信号;并用 Excel 的 XY 散点图功能对它们制图。可以用 Excel 的趋势线功能建立下列方程,这是需要用于传感器输出线性化的曲线拟合电路的数学表述:VO = 0.0005V +??? 0.8597VT+0.0123VT 2。IC3 与四支 1% 公差的电阻(或可选五只电阻)实现一个二次多项式:VO=a+bVT+cVT 2,其中 a 是偏置项,b 是一次项系数,c 是平方项系数。

  曲线拟合电路设计首先是将 IC3 的四个输入相连接,建立一个正的平方项,它通过一个 1/10V 的内部缩放因数对芯片的输出作调整。然后通过对项的比较,会发现系数 c 一定为 0.0123。因为 R6 和 R7 构成一个衰减信号 VT 的分压器,可以用下列方程表示系数:

公式2


  为 R7 选择一个值(本设计中是 10 kΩ),然后用前面的方程找到 R6 的值。

  电阻R8、R9及可选的R10构成一个无源累加器,建立偏移项a以及一次系数b。将无源累加器的输出直接加在IC3的Pin6,即 Z 输入,该 IC将偏移与线性项加到平方项上,形成Pin7的系统响应。再次比较这些项,会注意到偏移项一定等于0.5mV。由于偏移项只有 0.5mV,忽略它而增加的误差大约为0.05℃,因此开始就可以忽略不计。然后,由于一次项系数 b 一定为 0.8507,因此先为 R9 选择一个适当的值,再用方程计算出 R8:b=R9/(R8+R9)。

  如果打算设计可选电路,并包括是无源累加器一部分的偏移项,则要为 VREF 选择一个稳定的 2.5V 基准电压,计算 R8//R9=REQ 并联值(R8的等效电阻与 R9 并联),然后用下列分压器方程算出 R10,a=(REQ/(R9+REQ))VREF。

  校准这个电路时,用一只精密十进制电阻箱代替传感器。将十进制电阻箱设为仿真 0℃,调整 R2 的偏置端,使 IC3 的 Pin 7 输出为 0V。然后,将十进制箱设为仿真 350℃,调整 R3 的增益端获得 3.5V 输出。重复这个调整步骤,直到两个点均被确定。图 1 中的电路(包含了可选电路)表示的是 250℃和 2.504V 的 0.16%(或 0.4℃)时最差情况测量误差。对没有可选电路(基准电压与 R10)的测试表明,显示精度并未出现可以分辨的提高。


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RTD? 传感器? IC?

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