Arnés de Sonda para Sensor de Resistencia de Platino
Diferentes métodos de conexión del arnés de sonda del sensor de temperatura de resistencia de platino PT100/PT1000/PT500/PT200. La temperatura es una magnitud física muy importante en el control del trabajo. Los sensores utilizados para la medición de temperatura incluyen principalmente resistencias térmicas, termistores, termopares, sensores de temperatura semiconductores, etc. Cada uno de estos sensores tiene sus propias características y campos aplicables, y los diseñadores deben elegir el sensor apropiado en función de sus aplicaciones específicas.
Un detector térmico de resistencia (RTD) es un sensor de temperatura de alta precisión que utiliza cables metálicos delgados enrollados alrededor de un soporte para formar una resistencia cuya resistencia cambia con la temperatura. El rango de temperatura de funcionamiento es de -200 ℃ ~ +850 ℃. Los materiales RTD comunes incluyen níquel, cobre, platino, etc., entre los cuales las resistencias térmicas de platino de 100 Ω (a 0 °C) son las más comunes. Dado que las propiedades físicas y químicas del metal platino son muy estables, las resistencias de platino se utilizan ampliamente debido a su alta precisión, buena estabilidad a largo plazo, buena repetibilidad y respuesta rápida.
La siguiente fórmula describe las características de temperatura del Pt100. De la fórmula se puede ver que las características de temperatura y resistencia del Pt100 son obviamente no lineales. Sin embargo, en comparación con los termopares y termistores, la linealidad del Pt100 es mucho mejor, por lo que la corrección no lineal es relativamente sencilla. Las primeras correcciones no lineales se implementaron principalmente utilizando circuitos analógicos complejos. Con el desarrollo de la tecnología electrónica, en las aplicaciones prácticas actuales, los microcontroladores se utilizan generalmente para realizar la corrección no lineal de Pt100 mediante búsqueda de tablas combinada con interpolación.
Dado que la resistencia térmica es un dispositivo pasivo, requiere estimulación externa para funcionar durante su uso. Durante el uso, se debe prestar atención al tamaño apropiado de la corriente de excitación. Una corriente excesiva hará que el Pt100 se caliente, lo que provocará errores de medición. Por lo tanto, el circuito de acondicionamiento de señal debe diseñarse cuidadosamente de acuerdo con los requisitos de medición durante el proceso de diseño para garantizar que el error causado por el propio calentamiento del sensor esté dentro del rango aceptable.
1. ¿Por qué utilizar métodos de conexión de tres y cuatro hilos?
Dado que el coeficiente de temperatura de Pt100 es solo 0,385 Ω/℃, si la distancia entre el sensor y el controlador es larga y se requiere un cable largo, el error de medición debido a la resistencia del cable puede ser grave. Por ejemplo, supongamos que hay un Pt100 conectado al controlador mediante 100 pies (aproximadamente 30 metros) de cables de cobre de calibre 30. La resistencia del alambre de cobre de calibre 30 es de 0,105 Ω/pie. Si se utiliza el método de conexión convencional de dos cables, como se muestra en la siguiente figura, se generará una resistencia total de 21 Ω en los cables, lo que equivale a un error de medición de 55.
Para resolver este problema, además del método de conexión de dos cables, el Pt100 también cuenta con métodos de conexión de tres y cuatro cables para reducir o incluso eliminar el error de medición causado por la resistencia del cable.
2. Métodos de conexión de dos, tres y cuatro cables para excitación de fuente de corriente constante
Como se mencionó anteriormente, Pt100 es un sensor de temperatura resistivo y la esencia de su medición de temperatura es en realidad medir la resistencia del sensor. El enfoque habitual consiste en convertir la resistencia en señales eléctricas, como voltaje o corriente, para medir y luego utilizar un microcontrolador para linealizar los resultados de la medición. Generalmente existen dos opciones para medir la temperatura con Pt100:
1. Diseñe una fuente de corriente constante para pasar a través de la resistencia térmica Pt100 y calcule la temperatura detectando el voltaje en el Pt100;
2. Utilice el puente de Wheatstone. Tres de las cuatro resistencias del puente son constantes y la otra utiliza una resistencia térmica Pt100. Cuando el valor de resistencia de Pt100 cambia, se generará una diferencia de calor eléctrico al final de la prueba y la temperatura se calcula a partir de la diferencia de calor eléctrico.
También existe un tipo de método de medición llamado "método proporcional", que puede considerarse como una mejora del primer tipo de método de medición y se presentará en detalle más adelante.
El método de conexión de la fuente de excitación de corriente constante de 2 cables se muestra en la siguiente figura. Pase la salida de la fuente de corriente constante a través de Pt100, mida el voltaje a través de Pt100 y conviértalo en temperatura. Como se mencionó anteriormente, este método de conexión provocará grandes errores cuando el cable Pt100 sea largo. Por lo tanto, los métodos más prácticos en aplicaciones reales son las conexiones de tres y cuatro hilos.
El método de conexión de 4 cables (método de conexión Kelvin) se muestra en la siguiente figura. Utilice dos juegos diferentes de cables para sacar los extremos de excitación y medición del Pt100. Dado que el punto de medición de voltaje se encuentra en la conexión del cable de Pt100, el voltaje de excitación del cable no afectará los resultados de la medición.
El método de conexión de cuatro hilos se utiliza ampliamente en la medición de temperatura en laboratorio debido a su alta precisión. Sin embargo, debido a limitaciones como el costo y la conveniencia del cableado, el método de conexión de tres cables se usa más ampliamente en sitios de control industrial.
La siguiente figura muestra un método de conexión típico de un Pt100 de tres hilos excitado por una fuente de corriente constante. El principio básico es asumir que los tres cables de Pt100 usan el mismo tipo de cable con la misma longitud y tienen el mismo valor de resistencia, es decir, Rw1=Rw2=Rw3 en la figura siguiente, y usar el extremo de medición (cable Rw2 ) para compensar la resistencia del cable.
Específicamente, para la conexión en la figura, el voltaje en el terminal de entrada no inversor del amplificador operacional A3 es V+=Vpt100+VRw3, y el voltaje en el terminal de entrada inversor del amplificador operacional A3 es V-=VRw1 + Vpt100 + VRw3 . Basado en el supuesto de que Rw1=Rw2=Rw3, existe Vrw1 = Vrw3. Entonces la salida Vo del amplificador operacional A3 = 2V+ - V- = Vpt100. Es decir, teóricamente se elimina la influencia de la resistencia del cable en los resultados de la medición.
3. Métodos de conexión de dos y tres hilos del puente de Wheatstone
El puente de Wheatstone es otro método de conexión común para Pt100. Su método de conexión de dos cables se muestra en la siguiente figura. Obviamente, cuando el cable Pt100 es más largo, se introducirán errores mayores.
El método de conexión del puente Wheatstone Pt100 de tres cables se muestra en la siguiente figura. La fórmula de salida del puente de Wheatstone es la siguiente: si se selecciona R3 = Rpt100, el error de medición causado por la resistencia del cable se puede eliminar teóricamente.
4. Métodos de conexión de 2, 3 y 4 cables en medición con método proporcional
La esencia del método de medición proporcional es conectar Pt100 en serie con una resistencia de referencia y aplicar una fuente de excitación. Dado que la corriente que fluye a través del Pt100 y la resistencia de referencia es la misma, la relación de voltaje entre los dos es la relación de los valores de resistencia. Tomando el voltaje a través de la resistencia de referencia como voltaje de referencia del convertidor AD y realizando la conversión AD en el voltaje a través del Pt100, existe la fórmula donde D es el resultado de la conversión ADC y N es el número de bits ADC.
Dado que la corriente que fluye a través del Pt100 y la resistencia de referencia es la misma, en comparación con las dos estructuras anteriores, este circuito tiene menores requisitos para la fuente de excitación. Debido a su estructura simple, pocos componentes de precisión y alta precisión de medición, cada vez más personas reconocen los circuitos de medición del método proporcional.
La siguiente figura muestra el método de conexión Pt100 proporcional de dos hilos. Obviamente, cuando el cable Pt100 es más largo, se introducirán errores mayores.
En este circuito, el Pt100 de dos cables se puede reemplazar directamente con el Pt100 de cuatro cables y cambiar a una conexión de cuatro cables para eliminar errores de cables.
La siguiente figura muestra el método de conexión Pt100 proporcional de tres hilos. Utilice dos fuentes de corriente constante con salidas iguales para compensar la resistencia de los cables.
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| Arnés de cables del sensor de resistencia de platino de China | Mazo de cables y conector del sensor de resistencia de platino |
Un detector térmico de resistencia (RTD) es un sensor de temperatura de alta precisión que utiliza cables metálicos delgados enrollados alrededor de un soporte para formar una resistencia cuya resistencia cambia con la temperatura. El rango de temperatura de funcionamiento es de -200 ℃ ~ +850 ℃. Los materiales RTD comunes incluyen níquel, cobre, platino, etc., entre los cuales las resistencias térmicas de platino de 100 Ω (a 0 °C) son las más comunes. Dado que las propiedades físicas y químicas del metal platino son muy estables, las resistencias de platino se utilizan ampliamente debido a su alta precisión, buena estabilidad a largo plazo, buena repetibilidad y respuesta rápida.
La siguiente fórmula describe las características de temperatura del Pt100. De la fórmula se puede ver que las características de temperatura y resistencia del Pt100 son obviamente no lineales. Sin embargo, en comparación con los termopares y termistores, la linealidad del Pt100 es mucho mejor, por lo que la corrección no lineal es relativamente sencilla. Las primeras correcciones no lineales se implementaron principalmente utilizando circuitos analógicos complejos. Con el desarrollo de la tecnología electrónica, en las aplicaciones prácticas actuales, los microcontroladores se utilizan generalmente para realizar la corrección no lineal de Pt100 mediante búsqueda de tablas combinada con interpolación.
Dado que la resistencia térmica es un dispositivo pasivo, requiere estimulación externa para funcionar durante su uso. Durante el uso, se debe prestar atención al tamaño apropiado de la corriente de excitación. Una corriente excesiva hará que el Pt100 se caliente, lo que provocará errores de medición. Por lo tanto, el circuito de acondicionamiento de señal debe diseñarse cuidadosamente de acuerdo con los requisitos de medición durante el proceso de diseño para garantizar que el error causado por el propio calentamiento del sensor esté dentro del rango aceptable.
Dado que el coeficiente de temperatura de Pt100 es solo 0,385 Ω/℃, si la distancia entre el sensor y el controlador es larga y se requiere un cable largo, el error de medición debido a la resistencia del cable puede ser grave. Por ejemplo, supongamos que hay un Pt100 conectado al controlador mediante 100 pies (aproximadamente 30 metros) de cables de cobre de calibre 30. La resistencia del alambre de cobre de calibre 30 es de 0,105 Ω/pie. Si se utiliza el método de conexión convencional de dos cables, como se muestra en la siguiente figura, se generará una resistencia total de 21 Ω en los cables, lo que equivale a un error de medición de 55.
Para resolver este problema, además del método de conexión de dos cables, el Pt100 también cuenta con métodos de conexión de tres y cuatro cables para reducir o incluso eliminar el error de medición causado por la resistencia del cable.
Como se mencionó anteriormente, Pt100 es un sensor de temperatura resistivo y la esencia de su medición de temperatura es en realidad medir la resistencia del sensor. El enfoque habitual consiste en convertir la resistencia en señales eléctricas, como voltaje o corriente, para medir y luego utilizar un microcontrolador para linealizar los resultados de la medición. Generalmente existen dos opciones para medir la temperatura con Pt100:
1. Diseñe una fuente de corriente constante para pasar a través de la resistencia térmica Pt100 y calcule la temperatura detectando el voltaje en el Pt100;
2. Utilice el puente de Wheatstone. Tres de las cuatro resistencias del puente son constantes y la otra utiliza una resistencia térmica Pt100. Cuando el valor de resistencia de Pt100 cambia, se generará una diferencia de calor eléctrico al final de la prueba y la temperatura se calcula a partir de la diferencia de calor eléctrico.
También existe un tipo de método de medición llamado "método proporcional", que puede considerarse como una mejora del primer tipo de método de medición y se presentará en detalle más adelante.
El método de conexión de la fuente de excitación de corriente constante de 2 cables se muestra en la siguiente figura. Pase la salida de la fuente de corriente constante a través de Pt100, mida el voltaje a través de Pt100 y conviértalo en temperatura. Como se mencionó anteriormente, este método de conexión provocará grandes errores cuando el cable Pt100 sea largo. Por lo tanto, los métodos más prácticos en aplicaciones reales son las conexiones de tres y cuatro hilos.
El método de conexión de 4 cables (método de conexión Kelvin) se muestra en la siguiente figura. Utilice dos juegos diferentes de cables para sacar los extremos de excitación y medición del Pt100. Dado que el punto de medición de voltaje se encuentra en la conexión del cable de Pt100, el voltaje de excitación del cable no afectará los resultados de la medición.
El método de conexión de cuatro hilos se utiliza ampliamente en la medición de temperatura en laboratorio debido a su alta precisión. Sin embargo, debido a limitaciones como el costo y la conveniencia del cableado, el método de conexión de tres cables se usa más ampliamente en sitios de control industrial.
La siguiente figura muestra un método de conexión típico de un Pt100 de tres hilos excitado por una fuente de corriente constante. El principio básico es asumir que los tres cables de Pt100 usan el mismo tipo de cable con la misma longitud y tienen el mismo valor de resistencia, es decir, Rw1=Rw2=Rw3 en la figura siguiente, y usar el extremo de medición (cable Rw2 ) para compensar la resistencia del cable.
Específicamente, para la conexión en la figura, el voltaje en el terminal de entrada no inversor del amplificador operacional A3 es V+=Vpt100+VRw3, y el voltaje en el terminal de entrada inversor del amplificador operacional A3 es V-=VRw1 + Vpt100 + VRw3 . Basado en el supuesto de que Rw1=Rw2=Rw3, existe Vrw1 = Vrw3. Entonces la salida Vo del amplificador operacional A3 = 2V+ - V- = Vpt100. Es decir, teóricamente se elimina la influencia de la resistencia del cable en los resultados de la medición.
3. Métodos de conexión de dos y tres hilos del puente de Wheatstone
El puente de Wheatstone es otro método de conexión común para Pt100. Su método de conexión de dos cables se muestra en la siguiente figura. Obviamente, cuando el cable Pt100 es más largo, se introducirán errores mayores.
El método de conexión del puente Wheatstone Pt100 de tres cables se muestra en la siguiente figura. La fórmula de salida del puente de Wheatstone es la siguiente: si se selecciona R3 = Rpt100, el error de medición causado por la resistencia del cable se puede eliminar teóricamente.
La esencia del método de medición proporcional es conectar Pt100 en serie con una resistencia de referencia y aplicar una fuente de excitación. Dado que la corriente que fluye a través del Pt100 y la resistencia de referencia es la misma, la relación de voltaje entre los dos es la relación de los valores de resistencia. Tomando el voltaje a través de la resistencia de referencia como voltaje de referencia del convertidor AD y realizando la conversión AD en el voltaje a través del Pt100, existe la fórmula donde D es el resultado de la conversión ADC y N es el número de bits ADC.
Dado que la corriente que fluye a través del Pt100 y la resistencia de referencia es la misma, en comparación con las dos estructuras anteriores, este circuito tiene menores requisitos para la fuente de excitación. Debido a su estructura simple, pocos componentes de precisión y alta precisión de medición, cada vez más personas reconocen los circuitos de medición del método proporcional.
La siguiente figura muestra el método de conexión Pt100 proporcional de dos hilos. Obviamente, cuando el cable Pt100 es más largo, se introducirán errores mayores.
En este circuito, el Pt100 de dos cables se puede reemplazar directamente con el Pt100 de cuatro cables y cambiar a una conexión de cuatro cables para eliminar errores de cables.
La siguiente figura muestra el método de conexión Pt100 proporcional de tres hilos. Utilice dos fuentes de corriente constante con salidas iguales para compensar la resistencia de los cables.
