termoresistencias_2006

Termoresistencias, pg 1

Tecnología Electrónica.

UTN, FRBB, año 2006.

Termoresistencias.

Integrantes del grupo:• Antivero Mauro• Flores Ocampo Diego• Galasso Christian


Termoresistencias o RTDs.

¿Qué es un RTD?

RTD: Detector de temperatura por resistencia.PRTD: Detector de temperatura por resistencia de platino.

Es un sensor de temperatura basado en el cambio de resistividad que sufren las estructurascristalinas de los metales con la temperatura, la cuál es aproximadamente lineal para ciertosmetales.

Un RTD se fabrica para tener un valor Ro nominal a una temperatura dada (p. e 100 ohms a 0ºC).Al medir su resistencia a una temperatura desconocida y al compararla con Ro (valor al que deboajustar el resistor de referencia), puede conocerse el dR. Como la característica R=f(T) también esconocida, el cambio de temperatura dT desde el punto inicial será conocida.

Materiales usados como RTD's:• Cobre.• Balco (aleación de hierro-níquel).• Niquel.• Tungsteno.• Iridio.• Platino.

Debido a su baja resistividad, el oro y la plata no son usados como RTD’s. El tungsteno posee unaalta resistividad, pero se lo reserva para muy alta temperatura, al ser muy quebradizo y dificil demaquinar.

Resistividad de los materiales comunmente usados en RTDs, junto con el TCR respectivo.

La resistividad se define como: = R A

l =

1

m

Material Resistividadohm.m

TCR [1/K]

Cobre 1.59×10-8 0,00390

Tungsteno 5.6×10-8 0,00450

Platino 1.1×10-7 0,00392

Manganina 4.82 × 10-7 0,000002

El cobre se usa a veces como RTD. Su baja resistividad hace que el elemento sea más largo queuno de platino, pero su linealidad y bajo costo lo hacen una alternativa económica. Su límitesuperior de operación es de 120ºC.Los elementos de niquel o aleaciones de niquel son más no lineales y tienden a modificar su valorde resistencia con el tiempo.


Fig 1: Curvas R-T de varios metales.

El platino es el más popular de éstos, debido a su característica muy cercana a la linealidad en unrango amplio de temperaturas, estable a largo plazo. El costo de los PRTD's se vieron reducidos alimplementarse en película delgada.

Características encontradas en el platino:• Estabilidad química: resistencia a la oxidación y corrosión.• Facilidad de manofactura.• Disponibilidad de alambre de alta pureza.• Buena reproducibilidad de características eléctricas.

La última permite el poder reemplazar el elemento sensor sin tener que recalibrar un instrumento .Valores típicos: 100, 500 y 1000 ohms

Identificación.Se identifican por el metal del que se componen (según tabla periódica) y la resistencia quepresentan a 0ºC. Ejemplo: Pt100, Pt1000, Ni120, Cu200, etc.

Precisión de los RTD: Dada alrededor de 0ºC, donde es mayor.Clase A: ± 0,15ºC a 0ºCClase B: ± 0,30ºC a 0ºC

Luego presentan una degradación de la precisión hacia los extremos del rango. Por ejemplo, segúnel estandar IEC751, para clase B, se tiene:

Precisión:

±0,8ºC a -100ºC

±0,3ºC a 0ºC

±0,8ºC a 100ºC

±1,8ºC a 300ºC

±2,3ºC a 400ºC


Sensibilidad del RTDSe define como:

Sr = RT

ºC

1)

Indica el cambio existente de resistencia por grado centígrado o grados kelvin.La relación entre grados centígrados y kelvin:

T ºC = T K −273ºC 2)Pero no me permite comparar entre distintos RTDs, por lo que se define un nuevo coeficiente,llamado TCR, donde relativizo el cambio de resistencia respecto a la R nominal.

Coeficiente de temperatura de la resistencia.

El coeficiente de temperatura de un RTD, TCR o se define como:

TCR =

RRT

= R100−R0

100ºCR0

[ 1ºC ] 3)

R0 : Resistencia del sensor a 0ºC.R100 : Resistencia del sensor a 100ºC.TCR : Coeficiente térmico de resistencia (thermal coefficient of resistance).

Ejemplo: Un termómetro de platino midiendo 100 ohms a 0ºC y 138,5 ohms a 100ºC, el TCRresulta de 0,00385 1/ºC (0,385 ohms/ºC si se prefiere la sensibilidad).La relación con la sensibilidad del RTD:

TCR = 1R

RT

= 1R

Sry Sr = Ro TCR 4)

Se disponen de platinos con TCR variando desde 0,00375 a 0,003927. El mayor TCR indica elplatino de mayor pureza, y está regido por el estandar ITS-90 para termómetros de platino.Al reemplazar un RTD, es fundamental que el TCR coincida, aunque no hay ventaja en la elecciónde uno u otro.El platino más común usado en RTDs es el 0.00385, disponible en resistores bobinados y depelícula delgada, fijado en el estándar DIN EN 60751.


Formas constructivas de los RTD.

La construcción del RTD clásico usando platino fue propuesta por C.H. Meyers en 1932:

Fig 2: Construcción de RTD tipo Meyer.

Consiste en enrollar sobre una cruz de mica una bobina helicoidal de platino, y montar el conjuntodentro de un tubo de vidrio. Al ser el coeficiente de dilatación de la mica muy bajo, el esfuerzosobre el alambre será bajo, evitando la variación de resistencia por estiramiento, obteniendo asíun dispositivo estable.A su vez, al estar bobinado a la vez de enrollado, se maximiza la resistencia para un tamaño dado.Posee el problema de tener una RA (resistencia térmica de encapsulado) muy grande, lo que haceque el tiempo de respuesta a cambios bruscos de temperatura externa será muy lento (tiempo derespuesta térmica alto). Esto limita su uso al laboratorio.

Una mejora al diseño de Meyers fue el de no usar soporte para el bobinado de platino, surgiendo asíel elemento de jaula de pájaro. Esto permite que el platino se expanda y contraiga libremente, y selogra minimizar las variaciones de resistencia debidas al esfuerzo mecánico (strain) en el rangode temperatura de operación. Pero pasa a ser muy susceptible a vibraciones, y ésto lo hace muyfrágil para uso industrial.

RTD de película delgada de platino:La longitud de alambre y diámetro para controlar el valor de Ro se reemplaza por una estructura demeandro muy delgada sobre un substrato (hasta de 3 micrones), de allí las bajas corrientes demedición permitidas. El utilizar ésta estructura permite fabricar el resistor por proceso foto-litográfico, en forma similar aun circuito integrado monolítico.

Fig 3: Comparación estructura de meandro y de bobina.


Como primera etapa de producción, el platino dopado es depositado como vapor en un ambiente alvacío en un substrato Al203. El próximo paso es la transferencia foto-litográfica de la estructura demeandro sobre el substrato de platino, bajo condiciones de atmósfera limpias (hasta clase 1000).Luego de quitar el exceso de platino, el sensor así obtenido es encapsulado para obtener distintasversiones (baja, media y alta temperatura).

El RTD de película delgada ofrece una reducción en el tiempo de ensamble y posee mayorresistencia para un tamaño dado. Debido a la tecnología de fabricación, el dispositivo en sí espequeño, lo que significa que puede responder rapidamente a los cambios bruscos de temperatura.Además, se reduce la captación de ruido por campos magnéticos variables, problema que poseenlos de tipo bobinado, al ser un lazo magnético inherente.Los RTD de éste tipo son menos estables (existen dR debidos no sólo a la temperatura, sino tambiéna la dilatación y al esfuerzo) que sus contrapartes hechos a mano, pero al ser mucho más simplesde fabricar a gran escala, esto atraerá el interés de fabricarlos más estables.

Fig 4: RTD de película delgada.

Fig 5: Sonda RTD típica.

Variación de resistencia con la temperatura.

Para un material dado, la resistencia a cualquier temperatura puede obtenerse al aproximar la curvadel material con un polinomio de grado n (criterio de los mínimos cuadrados), de la forma:

T = b0b1 RRref

b2 RRref

2

...bn RR ref

n

5) donde Tref = b0b1...bn6)


O también puede escribirse la resistencia en función del incremento de la temperatura como:

R = Rref 11T2T2...nTn donde T = T−Tref

Aproximación lineal de la variación de resistencia con la temperatura.

Algunos materiales tienen una relación R-T aproximadamente lineal en un rango de temperaturasT1 < T < T2. Esta función lineal tomaría la forma:

R = R ref [1 T−Tref ] 7)

La temperatura será:T = Tref

RRref

1

8)

Donde es el coeficiente de temperatura de la resistencia promedio en el rango (T1, T2), y es lapendiente de la curva R=f(T). Tanto la temperatura medida como la de referencia deberían estar enel rango indicado. Para los PRTD's es el TCR nombrado anteriormente.

Caso del platino.

La función del Pt como sensor de temperatura se basa en la dependencia con la temperatura de laresistividad del metal. La relación existente puede ser descripta por el siguiente polinomiocaracterístico:

R T = R01a TbT2 9)

Donde: R(T) = Resistencia medida.R0 = Resistencia nominal a 0°CLas constantes están definidas por el estándar internacional (DIN EN 60751) para sensores deplatino:

a=3,9083 x10−3 1ºC

b = 5,775x10−7 1

ºC2

El coeficiente b es tan pequeño que para la mayoría de las aplicaciones puede considerarse unarelación lineal entre R(T) y T (expresiones 7 y 8).Los sensores de platino con altas resistencias nominales poseen una mayor sensibilidad (dR/dT),ya que la pendiente de la característica es directamente proporcional a R.Dependiendo de las substancias y el proceso usado en la fabricación del sensor, pueden ocurrirdesviaciones respecto a la característica óptima. Estas desviaciones definen el rango detemperatura de medición y la precisión de la tolerancia (clase A o B nombradas anteriormente)para cada tipo de sensor.


Ejemplos de resistencias de platino disponibles en el mercado.

Heraeus C 220, resistencia de platino sensor de temperatura, película delgada.

Fig 6: Encapsulado:

Resistencia nominal Ro: 100 ohms a 0ºC

Rango de temperatura:Coeficiente de temperatura: TCR=3850 ppm/K;

0,003850 1/ºC; 0,3850 ohms/ºCCondiciones ambientales: Sin protección en ambientes secos

solamenteResistencia de aislación: > 100 Mohms a 150ºCAutocalentamiento

Tiempo de respuestaCorriente de agua (v=0,4 m/s) t(0,5) = 0,06 s

t(0,9) = 0,2 sCorriente de aire (v =2 m/s) t(0,5)=3,5 s

t(0,9) = 13 sCorriente de medición 0,3 a 1 mA

(debe considerarse el autocalentamiento)

DIN EN 60751 clase B -196ºC a +150ºC

0,4 K/mW a 0ºC (típico); 400ºC/W ja


Heraeus HL420 Pt1000 El punto de medición de la resistencia nominal está definido a 4 mm del final de cuerpo del sensorEste modelo es recomendado para electrodomésticos (lavavajillas, lavarropas, heladeras, etc) y otrosproductos de producción a gran escala.

Fig 7 Encapsulado:

Resistencia nominal Ro: 1000 ohms a 0ºC

Rango de temperatura Coeficiente de temperatura: TCR=3850 ppm/K;

0,003850 1/ºC; 3,850 ohms/ºCAlambres conexión: PtRhLongitud alambres de conexión 6 mmCondiciones ambientales: Hasta 600ºC: sin protección en ambientes

Secos.Arriba de 600ºC: atmósfera no reductora,con requerimiento de entrada de aire

Resistencia de aislación: > 100 Mohms a 20ºC; > 2Mohms a 650ºC

Resistencia térmicaTiempo de respuestaCorriente de agua (v=0,4 m/s) t(0,5) = 0,07 s

t(0,9) = 0,2 sCorriente de aire (v =2 m/s) t(0,5) = 3,2 s

t(0,9)=11 sCorriente de medición 0,1 a 0,5 mA

(considerar autocalentamiento)

DIN EN60751, clase 2B: -70ºC a +750ºC

0,2 K/mW; 200ºC/W


Heraeus M-222Diseñados para producción en masa, presentan la mayor variedad de Ro y rangos de temperatura.

Fig 8 Encapsulado:

Resistencia nominal Ro: 100, 500 o 1000 ohms a 0ºC

Rango de temperatura:

Coeficiente de temperatura: TCR=3850 ppm/K;0,003850 1/ºC; 0,3850 ohms/ºC

Alambres conexión: Pt recubierto con NiEstabilidad a largo plazo: 0,04% desviación Ro luego de

1000 hs a 500ºCCondiciones ambientales: Sin protección en ambientes secos

solamente.Resistencia de aislación: >100 Mohms a 20ºC; > 2Mohms a 500ºC

Resistencia térmica:Tiempo de respuestaCorriente de agua (v=0,4 m/s) t(0,5)=0,05 s

t(0,9)=0,15 sCorriente de aire (v =2 m/s) t(0,5)=3 s

t(0,9)=10 sCorriente de medición 100 ohms: 0,3 a 1 mA

500 ohms: 0,1 a 0,7 mA1000 ohms: 0,1 a 0,3 mADebe considerarse autocalentamiento.

Clase B: -70ºC a +500ºC

Clase A: -50ºC a +300ºC

Clase 1/3 DIN: 0ºC a +150ºC

0,4 K/mW a 0ºC (típico); 400ºC/W


Comparación entre NTC, KTY, PRTDTeniendo en cuenta los siguientes datos, puede decidirse que termoresistencia es la más adecuadapara una aplicación en particular:

NTC TermistorÓxido metálico

KTYSilicio, Titanato deBario.

Termopares PRTDPelícula delgada.Sustrato Pt o cer.

Rango d e temperatura:-100°C to 300°C (tipos especiales 500 °C)

-55°C a +300°C -200°C a +1800°C(dependiendo del tipo)

-196°C a 1000°C

Característica no lineal.No hay estándar.

Características máslineales que NTC en elmismo rango de T. Desviación linealidad de0.6°C (con óptimalinealización).

Estandarizacióninternacional de los tiposde termopares.

Característicasprácticamente lineales yestandarizadas a DIN EN60751

Rango de medición típicode 200 K. Depende deltipo.

200 K; estandar: -55°C to+150°C

-40°C to +1700°C(depende del tipo),compensación por junturafría, con TF-PRTD.

Estándar: -70°C to +500°CAlto: -40°C to 1000°C

Desviación Ro: 0.35% luego de 100h a150°C

0.45% luego de 1250 h a150°C

Depende del diseño deltermómetro.

0.04% luego de 1000 h a+500°C

Precisión típica:± 1% resistencia, +/-0.2°Csobre rangos estrechos detemperatura.

Promedio: ± 5% resistencia.La mejor: ±0.5%

Precisión tolerancia Clase2 (depende del tipo): 2.5°C o 0.0075 x I t ICableado compensado.

Precisión de acuerdo aDIN EN 60751, Clase B: ± 0.21% a +100°C± 0.33% a +500 °C

Sensibilidad:Alta sensibilidad, enciertos intervalos de T.Mayor dR/ºC que Pt RTD

o KTY.

Alta: 15 ohm/K Rangos de µV/ºK amV/ºK, dependiendo deltipo de termopar.

Consistente en todo elrango de temperatura, bajaa media; 4 ohms/ºK paraPt1000

Modelos: Encapsulados Epoxy ovidrio, tipo diodo (DO-35), modelos SMD,muchas variantes.

Vidrio, SMD y diodo(DO-35).

Termopares aislados conmineral, alambresdesnudos (uniónexpuesta).

Elemento básico conalambres o cintas deconexión. Tipos SMD,SOT223 y TO92.

Fig 9: Comparación entre sensores de temperatura.

Ohms

ºC

Pt1000

Ro


Aplicaciones termoresistencias de platino: Medición de temperatura.

Aunque existe un gran número de circuitos integrados que permiten medir temperatura (por ejemploel LM35, LM335, etc), con buena precisión (< 1ºC), buscando linealizar la variación de tension deuna juntura PN, los rangos de temperatura medibles con ellos es bajo (0 a 70º para integradoscomerciales, -55ºC a +125º para los de tipo industrial), al estar expuesto todo el sistema (sensor,amplificadores operacionales, referencias) a grandes fluctuaciones de temperatura.La solución para medición de grandes rangos de temperatura es separar el sensor de los circuitosde instrumentación espacialmente.Pero no es tan simple, al requerir un sensor con buena linealidad en un rango de temperaturaextendido (a menor dT, cualquier sensor puede presentar mayor linealidad).Allí entran en juego las resistencias Pt100 (platino, 100 ohms) o Pt1000 (platino, 1000 ohms).Su rango de temperatura tipicamente va desde -200 ºC a +1000 ºC, con la ventaja de disponerse devariedad de encapsulados, desde los totalmente cerrados para resistir corrosión hasta versionesminiatura para circuitos impresos. Es también favorable el hecho de que por éstas resistencias sólo circula DC y poseen altasensibilidad (Sr), disminuyendo la incidencia de ruido externo, en contraste con los termopares,donde requiero medir tensiones muy bajas (del orden de microV), y me afectan otras unionesmetálicas del circuito de entrada, consideración que no existe con los PRTD's.

Medición por método de cero: puente de tres hilos.

En equilibrio, Vo = V2−V1 = 0V

Y entonces:R1

R1R2

= R3

R3Rg

Si R1=R2=R, tendré: Rg = R3 10)

Fig 10: Medición de temperatura por puente.

El valor del RTD a la temperatura de calibración del puente será el valor de R3.Se busca que R1, R2, R3 tengan coeficiente de variación de resistencia con la temperatura (Tc) nuloa la temperatura de trabajo. Como ésto se logra en un rango estrecho de temperatura, es necesarioseparar físicamente el puente del RTD. Al ser ésta separación hasta de decenas de metros, el circuitopasa a ser:

Fig 11: Resistencia agregada por elconexionado.


En equilibrio: R 'g = R3 = 2RcRg y tendré un error fijo de temperatura.

Para cancelar el efecto de Rc en equilibrio, se usará un 3º conductor desde Rg, que permitirá elsensado de tensión.

Is≪IRC Al ser sensado de tensión.

R2

R1R2

= RcR3

R3Rg2Rc

R2RgRcR2 = R1RcR3R1

Fig 12: Puente de medición a 3 hilos.

El error introducido por Rc sólo se cancelará si R1=R2=R (multiplicador unitario), y quedanuevamente:

Rg = R3

Al variar Rg de su punto de calibración, la tensión de desbalance será proporcional al valor de Rg.

Errores de medición introducidos en el puente de 3 hilos.

En la Fig 9, la tensión de desbalance será:

Vo = Vs

R3

RgR3

−Vs

211)

Como el puente no será equilibrado manualmente, la relación entre Vo y Rg debe ser conocida:

RgR3 VoVs

2 = VsR3 ; RgVoVs

2 = R3 Vs

2−Vo y

Rg = R3 Vs−2Vo

Vs2Vo 12) Esta expresión no incluye la resistencia de los cables de conexión Rc.

Teniendo en cuenta la resistencia del conexionado, la tensión de desbalance será:

Vo = Vs RcR3

RgR32Rc−Vs

2


Despejando Rg:

RgVoVs

2 R3VoVs

2 2RcVoVs

2 = VsRcR3 Vs

RgVoVs

2 = R3 Vs

2−Vo−2Rc Vo

Rg = R3 Vs−2Vo

Vs2Vo−Rc 4Vo

Vs2Vo 13)

El error en Rg será pequeño si Vo es pequeño. Esto es así en los medidores de deformación o peso(strain gauges), donde el cambio de Rg es un pequeño porcentaje del total R /R0 .Pero en un RTD, la R cambia en un alto porcentaje en el rango de operación R /R1 Estoincrementa el término de error debido al conexionado.

Ejemplo: Suponer un puente diseñado para Rg=100 ohms, que estará equilibrado en T=0ºC. ElRTD es un Pt100, con Sr = 0,385 ohms/ºC. Con dT=259,7ºC, Rg' = 200 ohms. El gráfico muestra latensión de salida en dicho caso:

Vo = 2,00662 V−3V

Vo = −0,99338 V

Fig 13: Puente a 3 hilos desbalanceado.

Como en realidad se desconoce el valor de Rc, al suponer que el puente cancela su efecto, según Vomedido, el valor de Rg será:de 12)

Rg = 100 6V−2x −0,99338 6V−2x0,99338 = 100

7,986764,01324

= 100 x1,99 = 199,01

El error porcentual en Rg: eRg = Rg−R 'g

R 'gx100 = −0,5%

El error absoluto de Rg: eabs = −0,99

Y en temperatura: eT = eabs

Sr

= −2,57ºC


Consecuencia: a menos que se conozca Rc o se balancee el puente, para poder utilizar la relaciónmás precisa entre Rg y Vo, el puente no ofrece una exactitud suficiente como para despreciar elerror de método. Si se recuerda, al definirse los RTD de clase B, el mayor error que cometen es de ±2,3ºC, por loque el error del circuito de medición debería ser de unos ±0,23ºC para ser despreciado, al agregarseluego el error de los amplificadores y sistema de presentación.Una mejor solución la brinda el método de 4 hilos con fuente de corriente constante.

Medición de temperatura con RTD por comparación.

Método de comparación: es aquel que compara una magnitud desconocida con otra de la mismaespecie conocida. El patrón y la incógnita coexisten en la medición. Puede ser de deflexión o cero. El método por fuentes de corriente es de deflexión, al obtener una tensión de salida proporcional ala diferencia de resistencia entre el RTD y Ro, que bien podría actuar sobre un instrumentocalibrado en ºC.

Esquema básico de medición:

Fig 14: Esquema básico de medición por comparación.

Rref posee un valor calibrado igual al valor de Ro nominal del PRTD a la temperatura de referencia,por ejemplo, 100 ohms a 0ºC. Ia y Ib son dos fuentes de corriente apareadas. Así, la tensióndesarrollada sobre el PRTD difiere en un dV de la de Rref dependiendo de la diferencia detemperatura, al existir una variación de resistencia igual a:R = SrT con T = T−T0

Un amplificador de instrumentación amplificará la diferencia de tensión generada y de su salidapodrá tomarse la tensión proporcional a la diferencia de la temperatura medida respecto a lareferencia:

Vo = R Ia Av 14) con Av: ganancia de tensión del amplificador.


Error introducido por el conexionado del sensor.

Como las distancias entre sensor y equipo pueden ser grandes (cientos de metros), la Rc agregadapor los conductores puede ser considerable y alterar la diferencia de resistencia medida.Además, ésta Rc también variará con la temperatura ambiente en forma menos lineal que lavariación del PRTD, siendo el error agregado variable en forma poco predecible.A continuación, se da una tabla con los valores de resistencia por unidad de longitud de distintasmedidas de alambres:

Ejemplo:

Fig 15: Conexión del RTD alejado del controlador de temperatura.

El valor de R agregado, si los alambres son de calibre AWG22:

Rc = r l = 0,0531m

.20m = 1,062

AWG ohms/m a 25ºC12 0,005214 0,008516 0,013518 0,021320 0,033822 0,053124 0,084326 0,135528 0,213630 0,3369

La resistividad del cobre es: Cu = 1,7.10−8m

La del aluminio: Al = 2,7.10−7

De la primera puede deducirse el diámetro de, por ejemplo,AWG22:

D = r

= 1,7.10−8

3,14150,0531 = 3,19.10−4m

O lo que es lo mismo, 0,3 mm.


Como el resistor de referencia se encuentra cercano al circuito integrado, la Rc agregada por susconexiones es despreciable, y el error observado dependerá de la Rc anterior:Si no tuviera Rc, mediría:

T = RSr

,pero tengo Rc agregada, por lo que mido: T ' = RRc

Sr

= Tea

Por comparación, el error absoluto de temperatura será: ea = Rc

Sr

15)

Que es constante en todo el rango de temperatura, y será más importante en las temperaturas bajas(valores relativos más próximos).Para el ejemplo, el error absoluto de temperatura es, con Sr = 0,385 ohms/ºC (Pt100).

ea = 1,062

0,385/ºC = 2,75ºC

Efecto de autocalentamiento.

Es el 2º contribuyente al error del RTD. Al circular corriente por el sensor,

P RTD = Ia2R

Será la potencia disipada. Por efecto Joule, el calentamiento generado provocará una suba de latemperatura del sensor, dependiente de la temperatura ambiente, dada por:

RA = TR−TA

P RTD

Que es la resistencia térmica del encapsulado de la PRTD, suministrada por el fabricante.Al ser Tr un incremento respecto a Ta, puedo escribir:

RA = T

Ia2R

T = RA Ia2R 16) Error absoluto por autocalentamiento.

Ejemplo:Suponiendo RA = 50ºC/W , Ro = 100 , Ia = 1mA , el incremento de temperaturapor autocalentamiento (error absoluto agregado al incremento de temperatura real) será:

Tauto = 50ºCW

1mA 2100 W = 5.10−3ºC

Quiere decir que si requiero un error de +/- 1% (que en general es adicionado por el controlador detemperatura), éste error será despreciable.Notar que el error por autocalentamiento es proporcional a la Ro, por lo que tendrá más peso paralas Pt1000.


Cancelación del error introducido por los alambres de conexión.

Con longitudes grandes entre sensor y circuito de instrumentación, la dV sensada tiene sumados loserrores introducidos por el conductor de retorno a tierra y de Ia. Aprovechando la baja corriente depolarización de entrada del amplificador de instrumentación (Iib << Ia), se puede hacer:

Fig 16: Medición usando 3 hilos con fuente de corriente.Ahora, al no tener caída de tensión en Rc(i), estoy restando directamente a la tensión del nodo A latensión sobre el resistor de referencia. Pero Va posee sumada la tensión de error debida al conductorde tierra, por lo que sólo reduje el error a la mitad.La eliminación completa del error absoluto se logra si el terminal (-) de Rref se encuentre almismo potencial que el punto B, midiendo entonces la diferencia de tensiones real entre Rref y elPRTD (por lo tanto el dR real).

Teniendo en cuenta que con un AO como seguidor de tensión:

Fig 17: Seguidor de tensión DC.

La tensión presente a su entrada es reflejada a su salida (con sólo un pequeño offset agregado, quepuede eliminarse por compensación), podría modificar el circuito anterior para copiar la VB alterminal negativo de Rref:


Fig 18: Medición por comparación a cuatro conductores o hilos.

1, 2, 3, 4 son los cuatro terminales de conexión del PRTD. Resultó en un método de medición porcomparación a cuatro hilos.Estos esquemas pueden obtenerse en espacios reducidos utilizando ICs monolíticos dedicados,como el ADT70 de Analog Devices.

ADT70 Circuito acondicionador PRTD (Dispositivos de Temperatura/Resistencia de Platino) y controladorde temperatura.

Descripción general / funcional.

Diseñado para Pt1000, adaptable a Pt100. Usando un PRTD de película delgada de bajo costo, elrango de medición será de -50 a +500ºC.En el rango de -200 a 1000ºC, el circuito introduce un error de +/- 1% al transductor.Consiste de dos fuentes de corriente iguales de 1mA (nominal), ajustables, para excitar eltransductor (PRTD) y el resistor de referencia, un AO riel a riel de instrumentación y una referenciade 2,5V.


El AO de instrumentación comparará la caída de tensión en el PRTD y en el resistor de referencia,generando una tensión de salida proporcional a la variación de resistencia (1.3 mV/ohm conRL=1kohm), que a su vez depende de la temperatura.La ganancia se controla a través de un resistor externo conectado al AO.El segundo AO disponible puede usarse para escalar la referencia de tensión interna, proveer unaseñal de sobretemperatura, generar una señal de accionamiento de calentador o otra función deacondicionamiento externo.

Implementación del circuito de medición usando el IC ADT70

Usando la referencia de tensión de 2,5V para alimentar las fuentes de corriente apareadas Ia e Ib, yel AO de uso general como el seguidor de tensión, el circuito de aplicación quedaría:

Fig 19: Medición a cuatro hilos usando el IC ADT70.

Rref y Rg deben ser de alta precisión (0,1% si es posible).

Ajuste de la tensión de salida en función de dR.

Para el circuito anterior, con el terminal BIAS conectado directamente a REFout, Rg=49,9K y unPRTD de 1K, la salida del amplificador de instrumentación tendrá una función de transferencia:

Vout = 1,299mV /xR

Si el TCR = 0,00385 1/ºC, la Sr=3,85 ohms/ºC, y el factor de escala de la tensión de salida será5 mV/ºC.La ganancia del AO de instrumentación normalmente se establece a 1,3, con Rg=49,9K entre los


terminales Rga y Rgb. Pueden obtenerse otros valores del factor de escala usando:

Av amp. inst = 1,30 49,9kRg

Medición de temperaturas por debajo de 0ºC y ajuste de offset de salida.

El circuito anterior no puede medir temperaturas por debajo de 0ºC, al no poder el AO deinstrumentación excursionar por debajo de 0V. De acuerdo a la tensión de salida máxima negativaesperada según la expresión de Vout, se elige una -Vs de por lo menos 1V por debajo, paramantener al amplificador en zona lineal.Si se requiere una Vout > 0V cuando T=0ºC (R(prtd) = 1K), puede usarse el pin GND SENSE parasumar la tensión necesaria (o restar).El circuito completo quedaría:

Fig 20: Medición de temperaturas por encima y por debajo de 0ºC, usando el IC ADT70.


Índice temático.

2.¿Qué es un RTD? Materiales usados en RTDs3.Identificación y precisión de los RTDs.4.Sensibilidad del RTD. Coeficiente de temperatura de la resistencia.

5.Formas constructivas de los RTD.6.Variación de resistencia con la temperatura. Aproximación lineal.7.Caso del platino, función R-T.8.PRTDs disponibles en el mercado. Heraeus C2209.Heraeus HL42010.Heraeus M22211.Comparación entre NTC, KTY y PRTD.

12.Aplicaciones PRTDs: Medición de temperatura por método de cero.13.Medición con puente de 3 hilos. Errores introducidos en la medición.14.Ejemplo de error cometido.

15.Medición de temperatura por comparación. Esquema básico.16.Error introducido por el conexionado del sensor.17.Efecto de autocalentamiento.18.Cancelación del error introducido por los alambres de conexión.19.Circuito típico de medición a 4 hilos.

20.Implementación del circuito a 4 hilos usando el IC ADT70.21.Medición de temperatura por debajo de 0ºC con el IC ADT70.

22.Indice temático23.Referencias del documento.


Referencias de éste documento:

http://www.amplifier.cd/Technische_Berichte/Pt100

Analog devices AD70:http://www.datasheetarchive.com

PRTDs:http://www.heraeus-sensor-nite.de/indexE.htmlhttp://temperature-measurement.globalspec.com/Industrial-Directory/RTD_elementhttp://www.omega.com/temperature/Z/TheRTD.htmlhttp://www.efunda.com/designstandards/sensors/rtd/rtd_theory.cfm

Documento hecho con:Open Office.org v1.1.4 (www.openoffice.org).Xcircuit v1.6 (www.ibiblio.org/pub/linux)GIMP v1.2.5 (www.gimp.org)

Documents

termoresistencias_2006