PT100 Drei-Kabel RTD Sensor strom
Viele medizinische, Prozesssteuerungs- und industrielle Automatisierung anwendungen erfordern eine präzise Temperaturmessung, um zu funktionieren. Bei diesen präzisen Temperaturmessungen werden häufig Widerstand temperatur detektoren (RTD-Sensoren) als Sensorelement verwendet. Denn sie verfügen über einen großen Temperaturmessbereich, eine gute Linearität sowie eine hervorragende Langzeitstabilität und Wiederholbarkeit. RTDs sind Sensorelemente aus Metall, die über den gesamten Betriebstemperaturbereich einen vorhersehbaren Widerstand aufweisen. Der Widerstand eines RTD-Sensors kann berechnet werden, indem Strom durch den RTD eingespeist und die Spannung gemessen wird. Die RTD-Temperatur kann dann basierend auf der Beziehung zwischen dem RTD-Widerstand und der Temperatur berechnet werden.
In diesem Artikel werden die Prinzipien und Vorteile des RTD-Dreileiter-PT100-Messsystems erläutert.
Pt100 RTD-Übersicht
Der Pt100 RTD ist ein Platin-RTD-Sensor, der über einen weiten Temperaturbereich hervorragende Leistung bietet. Platin ist ein Edelmetall, das als häufig verwendetes RTD-Material den höchsten spezifischen Widerstand aufweist und kleine Sensoren ermöglicht. RTD-Sensoren aus Platin werden manchmal auch Platin-Widerstand thermometer oder PRTs genannt. Die Impedanz des Pt100-Widerstand thermometers beträgt 100 Ω bei 0 °C, und jede Temperaturänderung um 1 °C führt zu einer Widerstandsänderung von etwa 0,385 Ω. Im Extrembereich des verfügbaren Temperaturbereichs beträgt der Widerstand 18,51 Ω (bei -200 °C) bzw. 390,48 Ω (bei 850 °C). Zur Erhöhung der Empfindlichkeit und Auflösung stehen höherwertige Widerstand sensoren wie Pt1000 oder Pt5000 zur Verfügung.
Die Callendar Van-Dusen (CVD)-Gleichung erklärt die Widerstand eigenschaften eines RTD als Funktion der Temperatur (T, in Grad Celsius). Bei positiver Temperatur ist die CVD-Gleichung ein Polynom zweiter Ordnung, wie in Gleichung (1) dargestellt. Wenn die Temperatur negativ ist, erweitert sich die CVD-Gleichung auf das in Gleichung (2) gezeigte Polynom vierter Ordnung.
CVD-Koeffizienten (A, B und C) sind in der europäischen Norm IEC-60751 spezifiziert. Gleichung (3) zeigt diese Koeffizientenwerte. R0 ist der Widerstand des RTD bei 0 °C.
Abbildung 1 zeigt die Widerstandsänderung eines Pt100-Widerstand thermometers, wenn die Temperatur von -200 °C auf 850 °C steigt.
Abbildung 1: Pt100-RTD-Widerstand bei Temperaturanstieg von -200 °C auf 850 °C
Drei-Kabel-RTD
Dreileiter-RTD-Konfigurationen sind beliebt, weil sie ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Kosten und Genauigkeit bieten. In der empfohlenen Dreileiterkonfiguration erzeugt ein Erregerstrom (I1) ein Spannungspotential am RTD-Element. Gleichzeitig wird ein weiterer Erregerstrom (I2) eingespeist, um den Widerstand der RTD-Leitungen (RLEAD) aus der Endmessung auszugleichen, wie in Abbildung 2 und Gleichung (4-7) dargestellt.
Abbildung 2: Dreileiter-RTD mit Leitungswiderstand
Konfiguration des RTD-Messkreises
Die differenzielle RTD-Spannung VDIFF wird typischerweise von einem Analog-Digital-Wandler (ADC) umgewandelt und zur Interpretation an den Prozessor weitergeleitet. Der ADC vergleicht die Eingangsspannung mit einer Referenzspannung VREF, um eine digitale Ausgabe zu erzeugen. Abbildung 3 zeigt eine Dreileiter-RTD-Messschaltung mit einer diskreten externen Referenzspannung. Gleichung (8) definiert das endgültige Konvertierungsergebnis basierend auf der Gesamtzahl der digitalen Codes, dem RTD-Widerstand, der Größe des Erregerstroms und der Referenzspannung. In diesem Beispiel wird davon ausgegangen, dass der ADC einen Vollbereich von ±VREF hat. Wie in der Abbildung dargestellt, können Fehler aufgrund der Größe der Referenzspannung und des Erregerstroms, Rauschen und Temperaturdrift direkt zu Umwandlungsfehlern führen.
Abbildung 3: Dreileiter-RTD-Schaltung mit externer Referenz
Die Platzierung von RTD und ADC in einer ratiometrischen Konfiguration (Abbildung 4) führt zu einer genaueren Schaltungskonfiguration, die für Dreileiter-RTD-Systeme geeignet ist. In einer ratiometrischen Konfiguration kann der durch den RTD fließende Feldstrom über den Low-Side-Referenz widerstand RREF zur Erde zurückgeführt werden. Das über RREF entwickelte Spannungspotential VREF wird an die positiven und negativen Referenzpins (REFP und REFN) des ADC angelegt.
Der Spannungsabfall an den RTD- und RREF-Widerständen wird durch denselben Erregerstrom erzeugt (Gleichung 9 und Gleichung 10). Daher spiegeln sich Änderungen des Erregerstroms sowohl in der RTD-Differenzspannung als auch in der Referenzspannung wider. Da der ADC-Ausgabecode die Beziehung zwischen der Eingangsspannung und der Referenzspannung darstellt, kann das endgültige Umwandlung ergebnis in das Verhältnis des RTD-Widerstands und des RREF-Widerstands umgewandelt werden und hängt nicht vom Wert der Referenzspannung oder des Erregerstroms ab . Wenn daher der Erregerstrom perfekt angepasst ist und das endgültige Umwandlung ergebnis nicht beeinflusst, können die durch die Größe des Erregerstroms, Temperaturdrift und Rauschen verursachten Fehler eliminiert werden. Darüber hinaus trägt die proportionale Konfiguration auch dazu bei, die Auswirkungen von Außengeräuschen zu reduzieren, da diese Geräusche ebenfalls eliminiert werden.
Abbildung 4: Proportionaler Dreileiter-RTD-Schaltkreis
Fehler bei der Nichtübereinstimmung der Erregerstromquelle
Die beiden Feldströme müssen einander gleich sein, um die ideale Übertragungsfunktion zu erreichen (Gleichung 11). Eine Fehlanpassung des Erregerstroms verändert die ideale System übertragungsfunktion, da sie die Wirksamkeit der Aufhebung des Leitungswiderstands verringert.
Die schwerwiegendsten Auswirkungen auf die Übertragungsfunktion treten auf, wenn ein Feldstrom um einen Betrag reduziert oder erhöht wird, der den in der Mismatch-Spezifikation angegebenen Grenzwert erreicht. Dies wird in Gleichung (12) erklärt (wobei Δ die Fehlanpassung des Erregerstroms darstellt).
Eine Nichtübereinstimmung von I2 kann dazu führen, dass sich die ideale Übertragungsfunktion ändert (Gleichung 13).
Gleichung (14) berechnet den Verstärkungsfehler aufgrund der Fehlanpassung des Erregerstroms durch Vergleich der Berechnung von Gleichung (13) mit der idealen Übertragungsfunktion von Gleichung (11).
Wenn der Feldstromverlust in %FSR angegeben wird, kann der Verstärkungsfehler wie in Gleichung (15) berechnet werden.
Verstärkungsfehler, die durch eine Fehlanpassung des Erregerstroms verursacht werden, können durch eine standardmäßige Verstärkungskalibrierung beseitigt werden. Die Nichtübereinstimmung des Feldstroms schwankt jedoch häufig mit der Temperatur und erfordert zur Korrektur eine komplexe Kalibrierung.
Zusammenfassen
In diesem Artikel stellen wir Dreileiter-RTDs, die Aufhebung des Leitungswiderstands und die Vorteile des Aufbaus eines proportionalen Dreileiter-RTD-Systems vor. Wir weisen darauf hin, dass, wenn die proportionale RTD-Konfiguration den Fehler von der anfänglichen Genauigkeit des Erregerstroms entfernt, die Nichtübereinstimmung zwischen den beiden Erregerströmen immer noch Verstärkungsfehler verursacht.
Pt100 RTD-Übersicht
Der Pt100 RTD ist ein Platin-RTD-Sensor, der über einen weiten Temperaturbereich hervorragende Leistung bietet. Platin ist ein Edelmetall, das als häufig verwendetes RTD-Material den höchsten spezifischen Widerstand aufweist und kleine Sensoren ermöglicht. RTD-Sensoren aus Platin werden manchmal auch Platin-Widerstand thermometer oder PRTs genannt. Die Impedanz des Pt100-Widerstand thermometers beträgt 100 Ω bei 0 °C, und jede Temperaturänderung um 1 °C führt zu einer Widerstandsänderung von etwa 0,385 Ω. Im Extrembereich des verfügbaren Temperaturbereichs beträgt der Widerstand 18,51 Ω (bei -200 °C) bzw. 390,48 Ω (bei 850 °C). Zur Erhöhung der Empfindlichkeit und Auflösung stehen höherwertige Widerstand sensoren wie Pt1000 oder Pt5000 zur Verfügung.
Die Callendar Van-Dusen (CVD)-Gleichung erklärt die Widerstand eigenschaften eines RTD als Funktion der Temperatur (T, in Grad Celsius). Bei positiver Temperatur ist die CVD-Gleichung ein Polynom zweiter Ordnung, wie in Gleichung (1) dargestellt. Wenn die Temperatur negativ ist, erweitert sich die CVD-Gleichung auf das in Gleichung (2) gezeigte Polynom vierter Ordnung.
CVD-Koeffizienten (A, B und C) sind in der europäischen Norm IEC-60751 spezifiziert. Gleichung (3) zeigt diese Koeffizientenwerte. R0 ist der Widerstand des RTD bei 0 °C.
Abbildung 1 zeigt die Widerstandsänderung eines Pt100-Widerstand thermometers, wenn die Temperatur von -200 °C auf 850 °C steigt.
Abbildung 1: Pt100-RTD-Widerstand bei Temperaturanstieg von -200 °C auf 850 °C
Drei-Kabel-RTD
Dreileiter-RTD-Konfigurationen sind beliebt, weil sie ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Kosten und Genauigkeit bieten. In der empfohlenen Dreileiterkonfiguration erzeugt ein Erregerstrom (I1) ein Spannungspotential am RTD-Element. Gleichzeitig wird ein weiterer Erregerstrom (I2) eingespeist, um den Widerstand der RTD-Leitungen (RLEAD) aus der Endmessung auszugleichen, wie in Abbildung 2 und Gleichung (4-7) dargestellt.
Konfiguration des RTD-Messkreises
Die differenzielle RTD-Spannung VDIFF wird typischerweise von einem Analog-Digital-Wandler (ADC) umgewandelt und zur Interpretation an den Prozessor weitergeleitet. Der ADC vergleicht die Eingangsspannung mit einer Referenzspannung VREF, um eine digitale Ausgabe zu erzeugen. Abbildung 3 zeigt eine Dreileiter-RTD-Messschaltung mit einer diskreten externen Referenzspannung. Gleichung (8) definiert das endgültige Konvertierungsergebnis basierend auf der Gesamtzahl der digitalen Codes, dem RTD-Widerstand, der Größe des Erregerstroms und der Referenzspannung. In diesem Beispiel wird davon ausgegangen, dass der ADC einen Vollbereich von ±VREF hat. Wie in der Abbildung dargestellt, können Fehler aufgrund der Größe der Referenzspannung und des Erregerstroms, Rauschen und Temperaturdrift direkt zu Umwandlungsfehlern führen.
Abbildung 3: Dreileiter-RTD-Schaltung mit externer Referenz
Der Spannungsabfall an den RTD- und RREF-Widerständen wird durch denselben Erregerstrom erzeugt (Gleichung 9 und Gleichung 10). Daher spiegeln sich Änderungen des Erregerstroms sowohl in der RTD-Differenzspannung als auch in der Referenzspannung wider. Da der ADC-Ausgabecode die Beziehung zwischen der Eingangsspannung und der Referenzspannung darstellt, kann das endgültige Umwandlung ergebnis in das Verhältnis des RTD-Widerstands und des RREF-Widerstands umgewandelt werden und hängt nicht vom Wert der Referenzspannung oder des Erregerstroms ab . Wenn daher der Erregerstrom perfekt angepasst ist und das endgültige Umwandlung ergebnis nicht beeinflusst, können die durch die Größe des Erregerstroms, Temperaturdrift und Rauschen verursachten Fehler eliminiert werden. Darüber hinaus trägt die proportionale Konfiguration auch dazu bei, die Auswirkungen von Außengeräuschen zu reduzieren, da diese Geräusche ebenfalls eliminiert werden.
Fehler bei der Nichtübereinstimmung der Erregerstromquelle
Die beiden Feldströme müssen einander gleich sein, um die ideale Übertragungsfunktion zu erreichen (Gleichung 11). Eine Fehlanpassung des Erregerstroms verändert die ideale System übertragungsfunktion, da sie die Wirksamkeit der Aufhebung des Leitungswiderstands verringert.
Die schwerwiegendsten Auswirkungen auf die Übertragungsfunktion treten auf, wenn ein Feldstrom um einen Betrag reduziert oder erhöht wird, der den in der Mismatch-Spezifikation angegebenen Grenzwert erreicht. Dies wird in Gleichung (12) erklärt (wobei Δ die Fehlanpassung des Erregerstroms darstellt).
Eine Nichtübereinstimmung von I2 kann dazu führen, dass sich die ideale Übertragungsfunktion ändert (Gleichung 13).
Gleichung (14) berechnet den Verstärkungsfehler aufgrund der Fehlanpassung des Erregerstroms durch Vergleich der Berechnung von Gleichung (13) mit der idealen Übertragungsfunktion von Gleichung (11).
Wenn der Feldstromverlust in %FSR angegeben wird, kann der Verstärkungsfehler wie in Gleichung (15) berechnet werden.
Verstärkungsfehler, die durch eine Fehlanpassung des Erregerstroms verursacht werden, können durch eine standardmäßige Verstärkungskalibrierung beseitigt werden. Die Nichtübereinstimmung des Feldstroms schwankt jedoch häufig mit der Temperatur und erfordert zur Korrektur eine komplexe Kalibrierung.
Zusammenfassen
In diesem Artikel stellen wir Dreileiter-RTDs, die Aufhebung des Leitungswiderstands und die Vorteile des Aufbaus eines proportionalen Dreileiter-RTD-Systems vor. Wir weisen darauf hin, dass, wenn die proportionale RTD-Konfiguration den Fehler von der anfänglichen Genauigkeit des Erregerstroms entfernt, die Nichtübereinstimmung zwischen den beiden Erregerströmen immer noch Verstärkungsfehler verursacht.
