Sensor de temperatura RTD PT100 de 2, 3 y 4 cables, una pluralidad de métodos de conexión diferentes
La temperatura es una cantidad física muy importante en el control del trabajo. Los sensores utilizados para la medición de temperatura incluyen principalmente resistencia térmica, termistor, termopar, sensor de temperatura de semiconductores, etc. Estos sensores tienen sus propias características y áreas de aplicación, por lo que los diseñadores deben elegir los sensores apropiados de acuerdo con sus aplicaciones específicas.
Sensor de temperatura PT100 de 2, 3 y 4 hilos
La resistencia térmica (RTD) es un sensor de temperatura con alta precisión que se enrolla en un soporte con un cable delgado y tiene un valor de resistencia que varía de la temperatura. El rango de temperatura de funcionamiento es de -200 ° C a + 850 ° C.Los materiales RTD comunes son níquel, cobre, platino, etc., entre los cuales la resistencia térmica de platino de 100 ohmios (0 ° C) es la más común. Debido a las propiedades físicas y químicas muy estables del platino metálico, la resistencia al platino se usa ampliamente debido a su alta precisión, estabilidad a largo plazo, buena repetibilidad y respuesta rápida.
La siguiente fórmula describe las características de temperatura de Pt100. De la fórmula, se puede ver que las características de temperatura y resistencia de Pt100 son obviamente no lineales. Sin embargo, en comparación con los termopares y termistores, la linealidad de Pt100 es mucho mejor, por lo que la corrección no lineal es más fácil. Las primeras correcciones no lineales se implementaron principalmente mediante complejos circuitos analógicos. Con el desarrollo de la tecnología electrónica, en aplicaciones prácticas, el microordenador de un solo chip se usa generalmente para la verificación de tablas y la interpolación para corregir Pt100 de forma no lineal.
Debido a que la resistencia térmica es un dispositivo pasivo, necesita excitación externa para funcionar en el proceso de uso. En el proceso de uso, y es necesario prestar atención a la magnitud de la corriente de excitación durante el uso. La corriente excesiva hace que el Pt100 se caliente solo, lo que genera 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 autocalentamiento del sensor esté dentro de un rango aceptable.
Uno, ¿Por qué usar un sistema de 3 hilos y un sistema de cuatro hilos?
Porque el coeficiente de temperatura de Pt100 es solo 0.385Ω / ° C. 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, suponga que un Pt100 está conectado al controlador a través de un cable de cobre de 100 pies (30 metros). La resistencia del cable de cobre de calibre 30 es 0.105 Ω / ft. Si se utiliza el método de conexión convencional de dos cables, como se muestra en la figura a continuación, se genera un total de resistencia de 21Ω en el cable, ¡lo que equivale al error de medición del 55%!
Para resolver este problema, además del método de conexión de dos cables, el Pt100 tiene métodos de conexión de tres y cuatro cables para reducir o incluso eliminar el error de medición causado por la resistencia del cable.
dos, Método de conexión de 2, 3 y 4 cables para excitación constante de la fuente de corriente
Como se mencionó anteriormente, el Pt100 es un sensor de temperatura resistivo cuya naturaleza de medición de temperatura en realidad mide la resistencia del sensor. Por lo general, la resistencia se convierte en señales de voltaje o corriente para la medición, y el resultado de la medición es linealizado por el microordenador de un solo chip. Hay dos opciones para medir la temperatura en el Pt100 general:
1. Una fuente de corriente constante está diseñada para calcular la temperatura midiendo el voltaje en Pt100 a través de la resistencia térmica Pt100.
2. Con un puente Wheatstone, tres de las cuatro resistencias del puente son constantes y la otra usa una resistencia térmica Pt100. Cuando el valor de resistencia de Pt100 cambia, el final de la prueba generará una diferencia de calentamiento eléctrico y, por lo tanto, la diferencia de calentamiento eléctrico se usa para calcular la temperatura.
También hay una clase de métodos de medición llamada "método proporcional", que puede verse como una mejora del primer tipo de método de medición, que se describirá en detalle más adelante.
El método de conexión de la excitación de la fuente de corriente constante de dos hilos se muestra en la figura a continuación. La fuente de corriente constante se emite a través de Pt100, y el voltaje a través de Pt100 se mide para convertirse en temperatura. Como se mencionó anteriormente, esta conexión causa un gran error cuando los cables Pt100 son largos. Por lo tanto, los más prácticos son el sistema de tres hilos y el sistema de cuatro hilos.
La siguiente figura muestra un método de cableado típico para un Pt100 de tres hilos excitado por una fuente de corriente constante. El principio básico es suponer que los tres cables del Pt100 usan el mismo tipo de cable de la misma longitud y tienen la misma resistencia. Es decir, Rw1 = Rw2 = Rw3 en la figura siguiente, utilizando el extremo de medición (cable Rw2) para compensar la resistencia del cable.
El método de cableado de cuatro hilos (método de conexión Kelvin) se muestra a continuación. Los extremos de excitación y medición del Pt100 son extraídos respectivamente por dos conjuntos diferentes de cables. Dado que el punto de medición de voltaje está en la conexión del cable del Pt100, el voltaje de excitación del cable no afecta el resultado de la medición.
El método de cableado de cuatro hilos es ampliamente utilizado en la medición de temperatura de laboratorio con su alta precisión. Sin embargo, debido a factores como el costo y la conveniencia del cableado, el sistema de tres cables se usa más ampliamente en los sitios de control industrial.
La siguiente figura muestra un método de cableado típico para un Pt100 de tres hilos excitado por una fuente de corriente constante. El principio básico es suponer que los tres cables del Pt100 usan el mismo tipo de cable de la misma longitud y tienen la misma resistencia. Es decir, Rw1 = Rw2 = Rw3 en la figura siguiente, utilizando el extremo de medición (cable Rw2) para compensar la resistencia del cable.
Específicamente, para el método de cableado en la figura, el voltaje de entrada en fase del amplificador de operación A3 V + = Vpt100 + VRw3, y el voltaje de entrada inversa del amplificador de operación A3 V- = VRw1 + Vpt100 + VRw3. Basado en el supuesto de Rw1 = Rw2 = Rw3, hay Vrw1 = Vrw3. La salida del amplificador operacional A3 es Vo = 2V + - V- = Vpt100. Es decir, la influencia de la resistencia del plomo en el resultado de la medición se elimina teóricamente.
En tercer lugar, el método de conexión de 2 a 3 hilos del Puente Wheatstone
El puente de Wheatstone es otra conexión común al Pt100. El método de conexión de dos cables se muestra en la figura a continuación. Obviamente, cuando el cable Pt100 es largo, se introduce un gran error.
El método de puente Pt100 Wheatstone de 3 hilos se muestra en la figura a continuación. La fórmula de salida del puente Wheatstone es la siguiente. Si se selecciona R3 = Rpt100, el error de medición introducido por la resistencia del cable puede eliminarse teóricamente.
Cuatro. Método de cableado del sistema de 2, 3 y 4 hilos en la medición del método proporcional Pt100
La esencia del método 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 de Pt100 es la misma que la corriente de la resistencia de referencia, la relación de voltaje de los dos es la relación de resistencia. El voltaje a través de la resistencia de referencia se usa como el voltaje de referencia del convertidor AD a AD para convertir el voltaje a través del Pt100. Luego, en la fórmula, D es el resultado de conversión de ADC y N es el número de bits de ADC.
Dado que la corriente que fluye a través de Pt100 es la misma que la corriente de la resistencia de referencia, este circuito tiene un requisito menor en la fuente de excitación que las dos estructuras anteriores. Debido a su estructura simple, pocos componentes de precisión y alta precisión de medición, el circuito de medición proporcional ha sido reconocido por más y más personas.
La siguiente figura muestra el método de conexión Pt100 de dos hilos del método proporcional. Obviamente, cuando el cable Pt100 es largo, se introducirá un gran error.
En este circuito, el Pt100 de dos hilos se puede reemplazar directamente con el Pt100 de cuatro hilos, y el método de conexión de cuatro hilos se puede cambiar para eliminar el error del cable.
La figura a continuación muestra el método de conexión Pt100 de 3 hilos del método proporcional, que utiliza dos fuentes de corriente constante con igual salida para compensar la resistencia del cable.
Sensor de temperatura PT100 de 2, 3 y 4 hilos
La resistencia térmica (RTD) es un sensor de temperatura con alta precisión que se enrolla en un soporte con un cable delgado y tiene un valor de resistencia que varía de la temperatura. El rango de temperatura de funcionamiento es de -200 ° C a + 850 ° C.Los materiales RTD comunes son níquel, cobre, platino, etc., entre los cuales la resistencia térmica de platino de 100 ohmios (0 ° C) es la más común. Debido a las propiedades físicas y químicas muy estables del platino metálico, la resistencia al platino se usa ampliamente debido a su alta precisión, estabilidad a largo plazo, buena repetibilidad y respuesta rápida.
La siguiente fórmula describe las características de temperatura de Pt100. De la fórmula, se puede ver que las características de temperatura y resistencia de Pt100 son obviamente no lineales. Sin embargo, en comparación con los termopares y termistores, la linealidad de Pt100 es mucho mejor, por lo que la corrección no lineal es más fácil. Las primeras correcciones no lineales se implementaron principalmente mediante complejos circuitos analógicos. Con el desarrollo de la tecnología electrónica, en aplicaciones prácticas, el microordenador de un solo chip se usa generalmente para la verificación de tablas y la interpolación para corregir Pt100 de forma no lineal.
Debido a que la resistencia térmica es un dispositivo pasivo, necesita excitación externa para funcionar en el proceso de uso. En el proceso de uso, y es necesario prestar atención a la magnitud de la corriente de excitación durante el uso. La corriente excesiva hace que el Pt100 se caliente solo, lo que genera 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 autocalentamiento del sensor esté dentro de un rango aceptable.
Uno, ¿Por qué usar un sistema de 3 hilos y un sistema de cuatro hilos?
Porque el coeficiente de temperatura de Pt100 es solo 0.385Ω / ° C. 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, suponga que un Pt100 está conectado al controlador a través de un cable de cobre de 100 pies (30 metros). La resistencia del cable de cobre de calibre 30 es 0.105 Ω / ft. Si se utiliza el método de conexión convencional de dos cables, como se muestra en la figura a continuación, se genera un total de resistencia de 21Ω en el cable, ¡lo que equivale al error de medición del 55%!
Para resolver este problema, además del método de conexión de dos cables, el Pt100 tiene métodos de conexión de tres y cuatro cables para reducir o incluso eliminar el error de medición causado por la resistencia del cable.
dos, Método de conexión de 2, 3 y 4 cables para excitación constante de la fuente de corriente
Como se mencionó anteriormente, el Pt100 es un sensor de temperatura resistivo cuya naturaleza de medición de temperatura en realidad mide la resistencia del sensor. Por lo general, la resistencia se convierte en señales de voltaje o corriente para la medición, y el resultado de la medición es linealizado por el microordenador de un solo chip. Hay dos opciones para medir la temperatura en el Pt100 general:
1. Una fuente de corriente constante está diseñada para calcular la temperatura midiendo el voltaje en Pt100 a través de la resistencia térmica Pt100.
2. Con un puente Wheatstone, tres de las cuatro resistencias del puente son constantes y la otra usa una resistencia térmica Pt100. Cuando el valor de resistencia de Pt100 cambia, el final de la prueba generará una diferencia de calentamiento eléctrico y, por lo tanto, la diferencia de calentamiento eléctrico se usa para calcular la temperatura.
También hay una clase de métodos de medición llamada "método proporcional", que puede verse como una mejora del primer tipo de método de medición, que se describirá en detalle más adelante.
El método de conexión de la excitación de la fuente de corriente constante de dos hilos se muestra en la figura a continuación. La fuente de corriente constante se emite a través de Pt100, y el voltaje a través de Pt100 se mide para convertirse en temperatura. Como se mencionó anteriormente, esta conexión causa un gran error cuando los cables Pt100 son largos. Por lo tanto, los más prácticos son el sistema de tres hilos y el sistema de cuatro hilos.
El método de cableado de cuatro hilos (método de conexión Kelvin) se muestra a continuación. Los extremos de excitación y medición del Pt100 son extraídos respectivamente por dos conjuntos diferentes de cables. Dado que el punto de medición de voltaje está en la conexión del cable del Pt100, el voltaje de excitación del cable no afecta el resultado de la medición.
El método de cableado de cuatro hilos es ampliamente utilizado en la medición de temperatura de laboratorio con su alta precisión. Sin embargo, debido a factores como el costo y la conveniencia del cableado, el sistema de tres cables se usa más ampliamente en los sitios de control industrial.
El método de cableado de cuatro hilos es ampliamente utilizado en la medición de temperatura de laboratorio con su alta precisión. Sin embargo, debido a factores como el costo y la conveniencia del cableado, el sistema de tres cables se usa más ampliamente en los sitios de control industrial.
La siguiente figura muestra un método de cableado típico para un Pt100 de tres hilos excitado por una fuente de corriente constante. El principio básico es suponer que los tres cables del Pt100 usan el mismo tipo de cable de la misma longitud y tienen la misma resistencia. Es decir, Rw1 = Rw2 = Rw3 en la figura siguiente, utilizando el extremo de medición (cable Rw2) para compensar la resistencia del cable.
El método de cableado de cuatro hilos (método de conexión Kelvin) se muestra a continuación. Los extremos de excitación y medición del Pt100 son extraídos respectivamente por dos conjuntos diferentes de cables. Dado que el punto de medición de voltaje está en la conexión del cable del Pt100, el voltaje de excitación del cable no afecta el resultado de la medición.
El método de cableado de cuatro hilos es ampliamente utilizado en la medición de temperatura de laboratorio con su alta precisión. Sin embargo, debido a factores como el costo y la conveniencia del cableado, el sistema de tres cables se usa más ampliamente en los sitios de control industrial.
La siguiente figura muestra un método de cableado típico para un Pt100 de tres hilos excitado por una fuente de corriente constante. El principio básico es suponer que los tres cables del Pt100 usan el mismo tipo de cable de la misma longitud y tienen la misma resistencia. Es decir, Rw1 = Rw2 = Rw3 en la figura siguiente, utilizando el extremo de medición (cable Rw2) para compensar la resistencia del cable.
Específicamente, para el método de cableado en la figura, el voltaje de entrada en fase del amplificador de operación A3 V + = Vpt100 + VRw3, y el voltaje de entrada inversa del amplificador de operación A3 V- = VRw1 + Vpt100 + VRw3. Basado en el supuesto de Rw1 = Rw2 = Rw3, hay Vrw1 = Vrw3. La salida del amplificador operacional A3 es Vo = 2V + - V- = Vpt100. Es decir, la influencia de la resistencia del plomo en el resultado de la medición se elimina teóricamente.
En tercer lugar, el método de conexión de 2 a 3 hilos del Puente Wheatstone
El puente de Wheatstone es otra conexión común al Pt100. El método de conexión de dos cables se muestra en la figura a continuación. Obviamente, cuando el cable Pt100 es largo, se introduce un gran error.
El método de puente Pt100 Wheatstone de 3 hilos se muestra en la figura a continuación. La fórmula de salida del puente Wheatstone es la siguiente. Si se selecciona R3 = Rpt100, el error de medición introducido por la resistencia del cable puede eliminarse teóricamente.
Cuatro. Método de cableado del sistema de 2, 3 y 4 hilos en la medición del método proporcional Pt100
La esencia del método 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 de Pt100 es la misma que la corriente de la resistencia de referencia, la relación de voltaje de los dos es la relación de resistencia. El voltaje a través de la resistencia de referencia se usa como el voltaje de referencia del convertidor AD a AD para convertir el voltaje a través del Pt100. Luego, en la fórmula, D es el resultado de conversión de ADC y N es el número de bits de ADC.
Dado que la corriente que fluye a través de Pt100 es la misma que la corriente de la resistencia de referencia, este circuito tiene un requisito menor en la fuente de excitación que las dos estructuras anteriores. Debido a su estructura simple, pocos componentes de precisión y alta precisión de medición, el circuito de medición proporcional ha sido reconocido por más y más personas.
La siguiente figura muestra el método de conexión Pt100 de dos hilos del método proporcional. Obviamente, cuando el cable Pt100 es largo, se introducirá un gran error.
En este circuito, el Pt100 de dos hilos se puede reemplazar directamente con el Pt100 de cuatro hilos, y el método de conexión de cuatro hilos se puede cambiar para eliminar el error del cable.
La figura a continuación muestra el método de conexión Pt100 de 3 hilos del método proporcional, que utiliza dos fuentes de corriente constante con igual salida para compensar la resistencia del cable.
