RTD PT100 Sensor de Corriente de 3 Cables
Muchas aplicaciones médicas, de control de procesos y de automatización industrial requieren una medición precisa de la temperatura para funcionar. Los detectores de temperatura resistivos (sensores RTD) se utilizan a menudo como elemento sensor en estas mediciones precisas de temperatura. Porque tienen un amplio rango de medición de temperatura, buena linealidad y excelente estabilidad y repetibilidad a largo plazo. Los RTD son elementos sensores hechos de metal que tienen una resistencia predecible en el rango de temperatura de funcionamiento. La resistencia de un sensor RTD se puede calcular inyectando corriente a través del RTD y midiendo el voltaje. Luego, la temperatura del RTD se puede calcular basándose en la relación entre la resistencia del RTD y la temperatura.
Este artículo analiza los principios y ventajas del sistema de medición RTD de tres hilos PT100.
Descripción general de la RTD Pt100
El Pt100 RTD es un sensor RTD de platino que proporciona un rendimiento excelente en un amplio rango de temperaturas. El platino es un metal precioso que tiene la resistividad más alta como material RTD de uso común, lo que permite sensores de tamaño pequeño. Los sensores RTD fabricados de platino a veces se denominan termómetros de resistencia de platino o PRT. La impedancia del Pt100 RTD es de 100 Ω a 0 ℃, y cada cambio de temperatura de 1 ℃ provocará un cambio de resistencia de aproximadamente 0,385 Ω. Cuando se encuentra en los extremos del rango de temperatura disponible, la resistencia es de 18,51 Ω (a -200 °C) o 390,48 Ω (a 850 °C). Hay disponibles sensores resistivos de mayor valor, como Pt1000 o Pt5000, para aumentar la sensibilidad y la resolución.
La ecuación de Callendar Van-Dusen (CVD) explica las características de resistencia de un RTD en función de la temperatura (T, en grados Celsius). Cuando la temperatura es positiva, la ecuación CVD es un polinomio de segundo orden, como se muestra en la ecuación (1). Cuando la temperatura es negativa, la ecuación CVD se expande al polinomio de cuarto orden que se muestra en la ecuación (2).
Los coeficientes CVD (A, B y C) se especifican en la norma europea IEC-60751. La ecuación (3) muestra estos valores de coeficientes. R0 es la resistencia del RTD a 0°C.
La Figura 1 muestra el cambio en la resistencia de un RTD Pt100 a medida que la temperatura aumenta de -200 °C a 850 °C.
Figura 1: Resistencia RTD Pt100 a medida que la temperatura aumenta de -200 °C a 850 °C
RTD de tres cables
Las configuraciones RTD de tres hilos son populares porque logran un equilibrio entre costo y precisión. En la configuración recomendada de tres cables, una corriente de excitación (I1) crea un potencial de voltaje a través del elemento RTD. Al mismo tiempo, se inyecta otra corriente de excitación (I2) para compensar la resistencia de los cables RTD (RLEAD) de la medición final, como se muestra en la Figura 2 y la Ecuación (4-7).
Figura 2: RTD de tres hilos con resistencia de cable
Configuración del circuito de medición RTD
El voltaje diferencial RTD VDIFF generalmente se convierte mediante un convertidor analógico a digital (ADC) y se pasa al procesador para su interpretación. El ADC compara el voltaje de entrada con un voltaje de referencia VREF para producir una salida digital. La Figura 3 muestra un circuito de medición RTD de tres cables que utiliza un voltaje de referencia externo discreto. La ecuación (8) define el resultado final de la conversión en función del número total de códigos digitales, la resistencia RTD, la magnitud de la corriente de excitación y el voltaje de referencia. Este ejemplo supone que el ADC tiene un rango de escala completa de ±VREF. Como se muestra en la figura, los errores debidos a la magnitud del voltaje de referencia y la corriente de excitación, el ruido y la deriva de temperatura pueden conducir directamente a errores de conversión.
Figura 3: Circuito RTD de tres hilos con referencia externa
Colocar el RTD y el ADC en una configuración radiométrica (Figura 4) da como resultado una configuración de circuito más precisa adecuada para sistemas RTD de tres cables. En una configuración radiométrica, la corriente de campo que fluye a través del RTD puede devolverse a tierra a través de la resistencia de referencia del lado bajo RREF. El potencial de voltaje VREF desarrollado a través de RREF se proporciona a los pines de referencia positivo y negativo (REFP y REFN) del ADC.
La caída de voltaje a través de las resistencias RTD y RREF se produce por la misma corriente de excitación (Ecuación 9 y Ecuación 10). Por lo tanto, los cambios en la corriente de excitación se reflejan tanto en el voltaje diferencial del RTD como en el voltaje de referencia. Dado que el código de salida del ADC representa la relación entre el voltaje de entrada y el voltaje de referencia, el resultado final de la conversión se puede convertir en la relación entre la resistencia RTD y la resistencia RREF y no depende del valor del voltaje de referencia o de la corriente de excitación. . Por lo tanto, si la corriente de excitación coincide perfectamente y no afecta el resultado final de la conversión, entonces se pueden eliminar los errores causados por el tamaño de la corriente de excitación, la deriva de temperatura y el ruido. Además, la configuración proporcional también ayuda a reducir el impacto del ruido externo porque este ruido también se elimina.
Figura 4: Circuito RTD proporcional de tres hilos
Error de discrepancia en la fuente de corriente de excitación
Las dos corrientes de campo deben ser iguales entre sí para lograr la función de transferencia ideal (Ecuación 11). La falta de coincidencia de la corriente de excitación cambia la función de transferencia ideal del sistema porque reduce la efectividad de la cancelación de la resistencia del cable.
El impacto más severo en la función de transferencia ocurre cuando una corriente de campo se reduce o aumenta en una cantidad que alcanza el límite especificado por la especificación de desajuste. Esto se explica en la ecuación (12) (donde Δ representa el desajuste de la corriente de excitación).
Una falta de coincidencia en I2 puede hacer que cambie la función de transferencia ideal (Ecuación 13).
La ecuación (14) calcula el error de ganancia debido al desajuste de la corriente de excitación comparando el cálculo de la ecuación (13) con la función de transferencia ideal de la ecuación (11).
Si se especifica que la pérdida de corriente de campo se exprese en %FSR, entonces el error de ganancia se puede calcular como se muestra en la Ecuación (15).
Los errores de ganancia causados por la falta de coincidencia de la corriente de excitación se pueden eliminar mediante la calibración de ganancia estándar. Sin embargo, la falta de coincidencia de la corriente de campo a menudo varía con la temperatura, lo que requiere una calibración compleja para corregirla.
Resumir
En este artículo presentamos los RTD de tres cables, la cancelación de resistencia de los cables y los beneficios de construir un sistema RTD proporcional de tres cables. Señalamos que cuando la configuración RTD proporcional elimina el error de la precisión inicial de la corriente de excitación, la falta de coincidencia entre las dos corrientes de excitación aún causa errores de ganancia.
Este artículo analiza los principios y ventajas del sistema de medición RTD de tres hilos PT100.
Descripción general de la RTD Pt100
El Pt100 RTD es un sensor RTD de platino que proporciona un rendimiento excelente en un amplio rango de temperaturas. El platino es un metal precioso que tiene la resistividad más alta como material RTD de uso común, lo que permite sensores de tamaño pequeño. Los sensores RTD fabricados de platino a veces se denominan termómetros de resistencia de platino o PRT. La impedancia del Pt100 RTD es de 100 Ω a 0 ℃, y cada cambio de temperatura de 1 ℃ provocará un cambio de resistencia de aproximadamente 0,385 Ω. Cuando se encuentra en los extremos del rango de temperatura disponible, la resistencia es de 18,51 Ω (a -200 °C) o 390,48 Ω (a 850 °C). Hay disponibles sensores resistivos de mayor valor, como Pt1000 o Pt5000, para aumentar la sensibilidad y la resolución.
La ecuación de Callendar Van-Dusen (CVD) explica las características de resistencia de un RTD en función de la temperatura (T, en grados Celsius). Cuando la temperatura es positiva, la ecuación CVD es un polinomio de segundo orden, como se muestra en la ecuación (1). Cuando la temperatura es negativa, la ecuación CVD se expande al polinomio de cuarto orden que se muestra en la ecuación (2).
Los coeficientes CVD (A, B y C) se especifican en la norma europea IEC-60751. La ecuación (3) muestra estos valores de coeficientes. R0 es la resistencia del RTD a 0°C.
La Figura 1 muestra el cambio en la resistencia de un RTD Pt100 a medida que la temperatura aumenta de -200 °C a 850 °C.
RTD de tres cables
Las configuraciones RTD de tres hilos son populares porque logran un equilibrio entre costo y precisión. En la configuración recomendada de tres cables, una corriente de excitación (I1) crea un potencial de voltaje a través del elemento RTD. Al mismo tiempo, se inyecta otra corriente de excitación (I2) para compensar la resistencia de los cables RTD (RLEAD) de la medición final, como se muestra en la Figura 2 y la Ecuación (4-7).
Figura 2: RTD de tres hilos con resistencia de cable
Configuración del circuito de medición RTD
El voltaje diferencial RTD VDIFF generalmente se convierte mediante un convertidor analógico a digital (ADC) y se pasa al procesador para su interpretación. El ADC compara el voltaje de entrada con un voltaje de referencia VREF para producir una salida digital. La Figura 3 muestra un circuito de medición RTD de tres cables que utiliza un voltaje de referencia externo discreto. La ecuación (8) define el resultado final de la conversión en función del número total de códigos digitales, la resistencia RTD, la magnitud de la corriente de excitación y el voltaje de referencia. Este ejemplo supone que el ADC tiene un rango de escala completa de ±VREF. Como se muestra en la figura, los errores debidos a la magnitud del voltaje de referencia y la corriente de excitación, el ruido y la deriva de temperatura pueden conducir directamente a errores de conversión.
Colocar el RTD y el ADC en una configuración radiométrica (Figura 4) da como resultado una configuración de circuito más precisa adecuada para sistemas RTD de tres cables. En una configuración radiométrica, la corriente de campo que fluye a través del RTD puede devolverse a tierra a través de la resistencia de referencia del lado bajo RREF. El potencial de voltaje VREF desarrollado a través de RREF se proporciona a los pines de referencia positivo y negativo (REFP y REFN) del ADC.
La caída de voltaje a través de las resistencias RTD y RREF se produce por la misma corriente de excitación (Ecuación 9 y Ecuación 10). Por lo tanto, los cambios en la corriente de excitación se reflejan tanto en el voltaje diferencial del RTD como en el voltaje de referencia. Dado que el código de salida del ADC representa la relación entre el voltaje de entrada y el voltaje de referencia, el resultado final de la conversión se puede convertir en la relación entre la resistencia RTD y la resistencia RREF y no depende del valor del voltaje de referencia o de la corriente de excitación. . Por lo tanto, si la corriente de excitación coincide perfectamente y no afecta el resultado final de la conversión, entonces se pueden eliminar los errores causados por el tamaño de la corriente de excitación, la deriva de temperatura y el ruido. Además, la configuración proporcional también ayuda a reducir el impacto del ruido externo porque este ruido también se elimina.
Error de discrepancia en la fuente de corriente de excitación
Las dos corrientes de campo deben ser iguales entre sí para lograr la función de transferencia ideal (Ecuación 11). La falta de coincidencia de la corriente de excitación cambia la función de transferencia ideal del sistema porque reduce la efectividad de la cancelación de la resistencia del cable.
El impacto más severo en la función de transferencia ocurre cuando una corriente de campo se reduce o aumenta en una cantidad que alcanza el límite especificado por la especificación de desajuste. Esto se explica en la ecuación (12) (donde Δ representa el desajuste de la corriente de excitación).
Una falta de coincidencia en I2 puede hacer que cambie la función de transferencia ideal (Ecuación 13).
Si se especifica que la pérdida de corriente de campo se exprese en %FSR, entonces el error de ganancia se puede calcular como se muestra en la Ecuación (15).
Los errores de ganancia causados por la falta de coincidencia de la corriente de excitación se pueden eliminar mediante la calibración de ganancia estándar. Sin embargo, la falta de coincidencia de la corriente de campo a menudo varía con la temperatura, lo que requiere una calibración compleja para corregirla.
Resumir
En este artículo presentamos los RTD de tres cables, la cancelación de resistencia de los cables y los beneficios de construir un sistema RTD proporcional de tres cables. Señalamos que cuando la configuración RTD proporcional elimina el error de la precisión inicial de la corriente de excitación, la falta de coincidencia entre las dos corrientes de excitación aún causa errores de ganancia.
