RTD信號調理——3線配置中的電壓與電流激勵

了解電阻式溫度檢測器（RTD）信號調理技術，如電壓與電流激勵以及用于處理引線和導線電阻誤差的三線配置。

之前，我們探討了RTD的基礎知識，并介紹了RTD信號調理電路。本文將進一步深入介紹RTD信號調理技術，并介紹電壓與電流激勵以及用于處理引線電阻誤差的三線配置等概念。

RTD應用中的電壓與電流激勵

盡管我們在上一篇關于信號調理的文章中使用了電壓激勵，但應注意的是，大多數RTD應用都使用電流源來激勵傳感器。圖1(a)和(b)分別描述了電壓和電流激勵方法的簡化圖。

電壓（a）和電流（b）勵磁方法圖。

圖1 電壓（a）和電流（b）勵磁方法示意圖。

這兩種方法的選擇由設計者自行決定；然而，電流激勵可以提供更好的噪聲抗擾性，通常是在嘈雜的工業環境中選擇的方法。大多數為RTD應用設計的delta-sigma（ΔΣ）轉換器都包含一個或多個用于RTD激勵的內部電流源。因此，電流激勵似乎比電壓激勵更常見。我們稍后還將討論，使用電流激勵時更容易補償RTD引線電阻誤差。

RTD電阻：接線電阻錯誤

引線和接線電阻與RTD電阻串聯，并給測量結果帶來誤差。假設一個100Ω的RTD通過一根10英尺長的電線連接到測量系統，該電線與傳感器的每條引線串聯，電阻為1Ω（在0℃時），如圖2所示。

描繪引線和布線電阻的示例圖。

圖2:描繪引線和布線電阻的示例圖。

在這種情況下，ADC（模數轉換器）“看到”的總電阻在0°C時為102Ω。考慮到RTD的溫度系數為0.385Ω/°C，布線電阻引入了5.2°C的誤差。實際上，傳感器可能離測量系統更遠，導致更大的誤差。此外，由于布線電阻隨溫度變化而變化，因此誤差不是恒定的，不能輕易地被消除。

圖2所示的簡單接線配置稱為兩線配置。另外兩種接線技術，即三線和四線配置，可以補償接線電阻誤差。兩線配置是三種可用選項中最簡單、最不準確的。請注意，在使用電壓激勵的圖1（a）所示的電路中，引線電阻也會產生誤差。

RTD三線配置

三線配置如圖3所示。

顯示三線配置的圖表。

圖3. 三線配置示意圖。

這種配置需要三條電線將傳感器連接到測量設備。紅線顯示了從測量系統到RTD再回到系統地面的電流路徑。假設ADC輸入具有高阻抗，則節點A和B之間的電線上不會有電流流過。因此，這兩個節點處于相同的電位，即Vwire2 = 0。應用基爾霍夫電壓定律，得出ADC輸入端出現的電壓為：

在這種情況下，只有一根導線的電阻會在ADC輸入端產生誤差電壓。假設導線的電阻相同，則上述配置可將導線電阻誤差減小一半。圖4顯示了三線配置如何與電壓激勵的RTD一起使用。

電壓激勵RTD的三線配置示例。

圖4. 電壓激勵RTD的三線配置示例。

同樣，沒有電流流過Rwire2，ADC感應到RTD兩端的電壓加上Rwire3兩端的電壓。這使布線電阻誤差減半。

使用兩個電流源的三線配置

圖5顯示了具有恒定電流勵磁的另一種三線配置。

一種具有恒流勵磁的替代三線配置。

圖5. 恒流勵磁的另一種三線配置。

在這種情況下，使用兩個匹配的電流源來完全消除導線電阻誤差。應用基爾霍夫電壓定律，我們有：

假設電流源和導線電阻相同（$I_{exc1}=I_{exc2}and{R}_{wire1}=R_{wire2}$ ），Rwire1和Rwire2上會出現相同的電壓降，因此VADC=Vrtd。因此，ADC測量的電壓消除了線電阻誤差。兩個激勵電流之和無害地通過第三根線流向系統地。一些針對RTD應用的ADC（如Analog Devices的AD7711）提供匹配的電流源，以方便上述三線配置。

圖6顯示了AD7711的功能框圖，其中包含兩個匹配的200μA電流源。

AD7711的框圖。

圖6：AD7711的框圖。圖片由Analog Devices提供

圖5中的電路假設兩個電流源相同。兩個電流源之間的任何不匹配都會使布線電阻在系統中引入誤差。解決這個問題的一種方法是在輸入端之間交換兩個電流。然后，對這兩種配置獲得的電壓進行平均，以消除電流不匹配誤差。讓我們推導出方程，以充分理解這種技術的工作原理。首先，考慮圖5中所示的情況，并假設電流源不相等。ADC測量的電壓可以表示為：

如果我們在兩個輸入端之間交換兩個電流源（圖7），我們就會得到一個新的測量結果：

圖表顯示兩個輸入端之間兩個電流源的交換。

圖7. 顯示兩個輸入之間兩個電流源交換的示意圖。

對兩次測量結果取平均值，我們得到：

如果線電阻相同

上述方程簡化為：

該方程與布線電阻無關。一些ADC（如ADS1220）在設計時考慮了RTD測量要求，包括一個多路復用器來交換內部電流源。圖8顯示了使用ADS1220的具有電流交換（或斬波）能力的三線RTD測量圖。

帶有電流交換的三線電阻式溫度檢測器測量圖。

圖8.帶有電流交換的三線電阻式溫度檢測器測量圖。圖片由德州儀器公司提供

提高三線電壓激勵RTD的精度

采用三線配置時，可以使用兩個匹配的電流源來消除線電阻誤差。那么電壓激勵的三線電阻溫度檢測器（RTD）呢？在這種情況下，有沒有一種簡單的方法可以完全消除線電阻誤差？我們上面討論過，電壓激勵的三線電路只能將線電阻誤差減半。我們可以使用下面（圖9）所示的修改后的圖表來消除線電阻誤差。

示例圖顯示了線電阻誤差的消除。

圖9 顯示消除線電阻錯誤的示例圖。

在這種情況下，我們使用了一個模擬開關，可以測量節點B和C的電壓。節點B的電壓由以下等式給出：

方程式1。

節點C的電壓為：

方程式2。

假設線電阻相同，我們可以得出Vwire3 = -Vwire1。因此，等式2簡化為：

方程式3。

將方程1和方程3結合起來，我們得到：

如您所見，通過測量VB和VC可以精確測量RTD上的電壓降。雖然這種技術可以補償導線電阻誤差，但它需要額外的硬件，增加了測量的復雜性。包含匹配電流源的ADC為消除導線電阻誤差提供了方便的解決方案。這就是在RTD應用中，電流激勵比電壓激勵更常見的原因之一。