設(shè)計(jì)一個(gè)無校準(zhǔn)RTD溫度測量系統(tǒng)，第四部分誤差校準(zhǔn)和精度測試

接上一篇，盡管14條RTD測量通道的溫度測量誤差曲線具有一致的趨勢,但由于產(chǎn)量的變化,它們的斜率和截流量在一定程度上有所不同。為了對這一過程產(chǎn)生的所有RTD測量通道進(jìn)行誤差補(bǔ)償,需要找到14條溫度測量誤差曲線所包圍的區(qū)域的中間曲線。更合適的方法是使用一個(gè)分段函數(shù)來描述錯(cuò)誤函數(shù),它分為兩個(gè)部分:零和零。

首先,觀察零度以上的溫度測量誤差曲線.溫度測量誤差在0-140℃之間的變化是一個(gè)接近二次函數(shù)的曲線。 error (T) = AT2 + BT + C (T > 0).

本文選擇0℃時(shí)第三大和第三小誤差值的平均值作為誤差函數(shù)的常量C值。選擇0℃誤差的原因是,0℃時(shí)RTD的電阻值是它的名義電阻值。沒有選擇最大和最小誤差的兩個(gè)RTD測量通道的原因是它們更有可能是缺陷的。第二大和第二小誤差值也可能具有特異性。因此,選擇了第三大和第三小誤差值.據(jù)認(rèn)為,大多數(shù)好產(chǎn)品的誤差范圍(-0.04680℃,+0.08392℃)是由第三大和第三小誤差值包圍的。因此,取中點(diǎn)0。作為補(bǔ)償,01855°C可以在0°C時(shí)最大限度地優(yōu)化大多數(shù)好產(chǎn)品的性能。

系數(shù)A和B是通過曲線擬合得到的,如圖8所示。曲線擬合中使用的離散點(diǎn)是在每個(gè)固定溫度值上測量的14個(gè)誤差值的平均值。在零度以上有10個(gè)固定溫度值,因此曲線擬合基于這10個(gè)離散點(diǎn)的最佳擬合,曲線擬合的相關(guān)系數(shù)為0.9989。最后,將誤差函數(shù)確定為方程7.

圖8溫度測量誤差曲線擬合圖

觀察零度以下的溫度測量誤差曲線.可以看出,溫度誤差不會(huì)隨溫度在-25℃和0℃之間發(fā)生變化。因此,零以下的誤差曲線是一個(gè)接近常數(shù)的函數(shù) error [T] = D (T < 0). 同樣,誤差函數(shù)中的D值被確定為0℃時(shí)第三大和第三小誤差值的平均值。最后,將誤差函數(shù)確定為公式8.

誤差補(bǔ)償后的準(zhǔn)確性改進(jìn)

在得到誤差函數(shù)后，我們在微控制器程序中使用它來補(bǔ)償溫度測量值。當(dāng)我們得到由ADC轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù)據(jù)時(shí)，我們計(jì)算由方程3和4測量的t，然后用方程8對誤差進(jìn)行補(bǔ)償。換句話說，我們使用相同的誤差函數(shù)來校準(zhǔn)所有的RTD溫度測量通道，這是一種節(jié)省時(shí)間和提高精度的校準(zhǔn)方法，可以補(bǔ)償整個(gè)測量范圍內(nèi)的誤差。

此處：

測量的T’值是誤差補(bǔ)償后的測量值，其他變量在前面定義。最后,我們需要驗(yàn)證使用錯(cuò)誤函數(shù)的補(bǔ)償是否有效.通過從真實(shí)值中減去補(bǔ)償測量值,可以得到補(bǔ)償后的測量誤差,如公式10所示。

這里:

錯(cuò)誤[T] 是T(°C)誤差補(bǔ)償后的誤差,其他變量是前面定義的。

根據(jù)表5所示的組合方法,我們選擇了9臺(tái)RTD和3臺(tái)AD7124-8設(shè)備組成9個(gè)RTD溫度測量通道。在恒溫器中放置了rtds,并選擇了與以前相同的高于零的固定溫度值進(jìn)行溫度測量。

表5ADC通信通道組合(驗(yàn)證)

我們觀察了溫度測量誤差在零以上范圍內(nèi)的補(bǔ)償效應(yīng).初始溫度測量誤差和補(bǔ)償后的誤差分別見圖9和圖10。

圖9初始溫度測量誤差(T&T;0℃)。

圖10補(bǔ)償后的溫度測量誤差(T&T;0℃)。

圖中顯示的結(jié)果表明,當(dāng)溫度在0-140℃之間時(shí),誤差補(bǔ)償可以在這一溫度范圍內(nèi)將溫度測量誤差從-0.8℃降至+0.2℃至-0.3℃至+0.15%。

然后,觀察零度以下溫度范圍的溫度測量誤差補(bǔ)償效應(yīng),選擇相同的固定低于零度溫度值進(jìn)行溫度測量。圖11和圖12分別顯示初始溫度測量誤差和補(bǔ)償溫度測量誤差。

圖11初始溫度測量誤差(T<0℃)。

圖12補(bǔ)償后的溫度測量誤差(T<0℃)。

圖中顯示的結(jié)果表明,當(dāng)測量的溫度在-25℃至0℃的范圍內(nèi)時(shí),誤差補(bǔ)償可以使誤差從-0.1℃至+0.15%℃至-0.15%℃至+0.1℃。

總之,在-25℃至+140℃的溫度范圍內(nèi),溫度測量誤差用誤差函數(shù)補(bǔ)償后,可以保持在-0.3℃的范圍內(nèi),在-25℃至+140℃的溫度范圍內(nèi),9個(gè)RTD溫度測量通道中的8個(gè)通道可以保持在-25℃至+140℃的溫度測量誤差范圍內(nèi),這大大提高了溫度測量的準(zhǔn)確性。

引進(jìn)新產(chǎn)品

基于AD7124-8,ADI開發(fā)了一種新型芯片AD4130-8,具有超低功耗和尺寸小的特點(diǎn)。如數(shù)據(jù)表所示,當(dāng)啟用內(nèi)部振蕩器和內(nèi)部引用時(shí),PGA增益=1至16的連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下的典型耗電量為35倍A。在負(fù)荷周期比為1/4的模式下,典型的耗電量降至11-1,而在負(fù)荷周期比為1/16的模式下,典型的耗電量僅降至4.35-1。這種強(qiáng)大的性能可以在一個(gè)只有3.6毫米x2.74毫米的WLCSP包件中實(shí)現(xiàn)。

類似地,AD4130-8也適用于溫度測量,所以我們把rtd9插入AD4130-8Evb板,形成一個(gè)溫度測量通道。AD4130-8被配置為10sp,SINC3數(shù)字濾波器,全功率模式,PGA增益=1,勵(lì)磁電流=200a,它使模擬輸入緩沖區(qū)和參考電壓緩沖區(qū)。

測試了AD4130-8溫度測量系統(tǒng)的噪聲性能。我們記錄了100個(gè)溫度數(shù)據(jù)樣本,速率為10秒,持續(xù)時(shí)間為10秒。結(jié)果見圖13。

圖13AD4130-8噪聲圖。

如圖13所示,在上述配置下,Ad4130-8測量的100個(gè)樣本的尖峰至尖峰噪聲值為0.04℃。這一數(shù)值略高于Ad7124-8,但隨之而來的是電力消耗的大幅減少。

此外,還測量了AD4130-8溫度測量系統(tǒng)的溫度測量誤差。將rtd9置于恒溫器中,選擇15個(gè)固定溫度值,與以前一樣,在-25℃到+140℃之間,并記錄每一溫度下rdd溫度測量通道的溫度測量誤差。此外,我們還比較了結(jié)果與從rtd9和Ad7124-8形成的溫度測量通道獲得的溫度測量誤差曲線。結(jié)果見圖14。

如圖所示,在-25℃至+140℃的溫度范圍內(nèi),AD4130-8系統(tǒng)的溫度測量誤差與AD7124-8系統(tǒng)的溫度測量誤差無顯著差別。

圖14AD4130-8溫度測量系統(tǒng)的誤差曲線(-25℃<<140℃)。

結(jié)論

在本文中,我們選擇了ptfd101b1a0RTD溫度傳感器,并將其與ADC7124-8相結(jié)合,形成了一個(gè)溫度測量系統(tǒng),目的是最大限度地減少誤差源。詳細(xì)介紹了該芯片及其外圍器件的優(yōu)化配置.通過實(shí)際試驗(yàn),驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的溫度測量系統(tǒng)的優(yōu)良性能:制造過程中不需要校準(zhǔn)過程;測量的溫度誤差可以保持在-25℃到+140℃的溫度范圍內(nèi)。選擇高成本效益的RTD、ADC和周邊設(shè)備,使整個(gè)溫度測量解決方案具有成本效益,同時(shí)保持高精度。