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Come misurare l'RTD (Resistance Temperature Detectors) su lunghe distanze

Come misurare l'RTD (Resistance Temperature Detectors) su lunghe distanze

Al giorno d'oggi esistono grandi quantità di parametri di cui è necessario effettuare la misurazione nell'ambiente industriale (temperatura, pressione, umidità ecc.). Tra questi, il parametro indubbiamente più comune è la temperatura, poichè è questa proprietà ad influenzare la maggior parte dei parametri di produzione. Non c'è da stupirsi quindi se col passare del tempo l'industria ha sviluppato diverse metodologie per la misurazione della temperatura. Ci sono alcune categorie generali in cui ricade qualsiasi sensore di temperatura: termocoppie, RTD (Resistance Temperature Detectors - Rilevatori di Temperatura a Resistore), termoresistori e sensori integrati al silicio. Non è possibile definire quale tra questi sia il "miglior sensore" poichè ognuno di essi presenta dei pro e dei contro che devono essere valutati individualmente per ogni utilizzo. Gli RTD sono i più costosi, ma sono anche quelli che forniscono maggiore accuratezza e migliore risoluzione per le misurazioni. Questo però accade solo se viene impiegata la componentistica analogica appropriata assieme al sensore (e questo ovviamente aggiungerà dei costi al prezzo già relativamente alto degli RTD). Lo scopo di questo articolo è proprio descrivere questi circuiti analogici.

Gli RTD sono considerati i sensori di temperatura di migliore qualità (quando risulta essere conveniente pagare per avere la qualità). Essi forniscono una misurazione accurata e stabile nel tempo e, cosa più importante, forniscono una caratteristica lineare resistenza-temperatura. Sotto, potete osservare la caratteristica resistenza-temperatura di uno degli RTD più comuni, il PT100, che fornisce 1000 Ohms ad una temperatura di 0° Celsius.

 

Gli RTD rappresentano anche una tecnologia in continua evoluzione, infatti vengono studiati materiali sempre migliori per la loro produzione, così da poter migliorare le caratteristiche del sensore. Lo scopo di utilizzare un circuito analogico come buffer del sensore è di trasformare la variazione di resistenza del sensore in una variazione di tensione che potrà essere facilmente convertita in valori digitali attraverso l'uso di un ADC (Analog to Digital Converter). Anche se esistono diversi metodi per questa procedura, il più utilizzato prevede la costruzione di una sorgente costante di corrente di tipo analogico che produrrà una corrente costante di cui si conosce il valore attraverso l'RTD. La variazione di tensione dipenderà linearmente dalla variazione della resistenza del sensore, e quindi dalla temperatura.

 

Particolare cura dovrebbe essere riservata alla corrente di eccitazione in modo che sia la più bassa possibile. Pensandoci bene, un RTD è un normale componente passivo, che dissipa parte della potenza come calore, quindi una corrente troppo alta potrebbe determinare un riscaldamento eccessivo del sensore stesso e questo introdurrebbe errori nei risultati delle misurazioni. Un buon metodo è mantenere la corrente di eccitazione minore di 1mA, ma l'inconveniente di una corrente così piccola sta nel fatto che convertirà la variazione di temperatura in un intervallo di valori di tensione abbastanza ridotto. Se questo dovesse accadere, sarà necessario utilizzare un ADC ad alta risoluzione per ottenere un risultato con una risoluzione soddisfacente (per quanto riguarda la temperatura misurata). Per esempio la variazione di resistenza del PT100 tra 0° e 100° C è 38.5 Ohm, e una sorgente costante di corrente a 1mA la trasformerebbe in un intervallo di valori di tensione di 38.5mA (tra 100mV e 138.5mV), un intervallo di valori difficilmente interpretabile per l'ADC a 10-bit di solito incluso nel chip del microcontrollore.

Se si utilizzano i componenti appropriati, è possibile ottenere un'eccellente accuratezza e risoluzione dai dati forniti da un RTD. La tabella precedente mostra solo le variazioni di resistenza-temperatura tra 0° e 200° Celsius. Un RTD si comporta in maniera abbastanza lineare all'interno di quell'intervallo, ma se anche ci fosse necessità di range maggiori, utilizzando la matematica compresa tra il primo ed il terzo ordine si può calcolare una stima della temperatira basandosi sulla resistenza misurata. Questo procedimento inserisce qualche disturbo all'interno dell'algoritmo software, e fornisce quindi dei dati che è necessario valutare, poichè questi dati non possono avere un'incertezza maggiore di +/- 4.3°C rispetto al valore massimo (800° Celsius). Il grafico sottostante mostra l'errore di misurazione (con circuiti analogici) rispetto alla temperatura misurata (da notare il fatto che nella maggior parte degli intervalli di misurazione, tra 0° e 100° Celsius, l'errore di misurazione è minimo):

 

Per poter raggiungere questo tipo di performance, la soluzione migliore è eccitare il RTD con una corrente stabile e costante. Ci sono diversi modi per costruire una sorgente costante di corrente, ed uno di questi è mostrato nel seguente schema:

 

Il funzionamento è semplice: per il modo in cui un amplificatore operazionale funziona, U1A avrà sempre la stessa tensione ai suoi due ingressi. La tensione all'ingresso negativo è stabilita dal partitore R1/R2 a circa 4.5 V, ed ovviamente si troverà la stessa tensione anche al polo positivo. Di conseguenza si noterà una caduta di 0.5 V sul resistore R3, il che genererà circa 1mA di corrente. Questa sarà la stessa corrente su Q1, indipendentemente dal valore del sensore RTD. Q1 viene utilizzato per bufferizzare il sensore stesso con un'alta impedenza della sorgente di corrente (per una sorgente di tensione ideale, l'impedenza in uscita deve essere minima, ma per un sorgente di corrente ideale, l'impedenza in uscita deve essere massima). Inoltre bisogna prestare attenzione al modo in cui i componenti costituenti la sorgente di corrente vengono selezionati. L'amplificatore operazionale dovrebbe possedere un basso livello di offset e tutti i resistori dovrebbero avere una tolleranza dello 0.1%. Qualsiasi variazione nei valori di questi componenti potrebbe influenzare in maniera drastica la corrente generata, e di conseguenza anche la caduta di tensione da misurare sul RTD.
Un'altra sorgente di errore che potrebbe influenzare le misurazioni è la resistenza del filo tra il sensore stesso e il circuito di misurazione. Le situazioni che si potrebbero presentare all'interno dell'industria sono molteplici. Il sensore potrebbe essere inserito nei più svariati ambienti di utilizzo, da congelatori a vasche di vapore per il trattamento del legno. Molti di questi ambienti sono semplicemente troppo estremi per l'operabilità di periferiche elettroniche, perciò la periferica contenente il circuito di misurazione deve essere spesso collocata in una locazione a decine o a volte centinaia di metri dalla posizione del sensore. Così, le connessioni con filo di rame tra il sensore e il circuito di rilevamento diventano molto lunghe, e la loro resistenza diviene più significativa rispetto ai minori valori di resistenza del sensore stesso.
Per poter compensare non solo la resistenza assoluta del filo, ma anche la variazione della resistenza al variare della temperatura, sono state sviluppate soluzioni che utilizzano sensori a 3 o 4 fili. La configurazione a 4 fili è progettata in modo che ogni terminale del sensore sia connesso al circuito elettronico con fili in parallelo. La configurazione a 3 fili è invece progettata in modo che un terminale del sensore è collegato al circuito elettronico con due fili in parallelo, mentre l'altro terminale è connesso con un solo filo. Ciascuna di queste configurazioni permette di avere una compensazione della lunghezza del filo, assumendo che tutti i fili tra il sensore e il circuito siano della stessa lunghezza e della stessa resistenza.
Il seguente esempio illustra la configurazione a 3 fili. Il sensore RTD è sulla sinistra mentre il circuito di misurazione è sulla destra. Le resistenze rappresentanti i 3 fili sono Rw1=Rw2=Rw3. Chiameremo la caduta di tensione su questi fili con la sigla Vw1=Vw2=Vw3. Tenendo presente che la corrente di 1mA proveniente della sorgente di corrente costante percorre entrambe Rw1 e Rw3, questo provocherà la stessa caduta di tensione su questi due fili: Vw1=Vw3.

Il flusso di corrente passante per Rw2 è praticamente trascurabile avendo scelto un componente adatto allo scopo, e questo è dovuto al fatto che questa corrente è pari a quella in ingresso all'amplificatore operazionale (dell'ordine dei nanoampere).
Se scriviamo l'equazione della tensione in uscita dall'amplificatore, otteniamo:

 

Essendo R6=R5 possiamo semplificare così:

Combinando tutto con la precedente equazione e considerando che Vw1=Vw3 si ottiene:

Quindi la tensione all'uscita dell'amplificatore sarà uguale alla caduta di tensione sul sensore stesso, qualunque siano le resistenze o i fili (questo finchè i fili saranno della stessa lunghezza e della stessa resistenza).
Per assicurarci che il segnale arrivi pulito all'ADC, è una buona idea aggiungere al circuito un filtro passa-basso, posizionato tra il circuito di compensazione della resistenza del filo e l'ADC. Il filtro può variare da un semplice filtro passa-basso RC o LC fino a tipologie più complesse come il filtro Sallen-Key specificatamente progettato per alto guadagno e che include un amplificatore operazionale aggiuntivo (ancora una volta è bene pensare l'utilizzo del sensore, visto che questo filtro è abbastanza costoso).
Questo che segue è un esempio di uno schema a blocchi di tutta la circuiteria necessaria per misurare accuratamente l'uscita di un RTD:

Come discusso in precedenza, a causa delle piccole variazioni del segnale di tensione all'usicta del circuito analogico, è spesso necessario un ADC ad alta risoluzione (almeno da 12 bit).
La scelta di un ADC può risultare complessa, e ci sono altre guide ed articoli nel sito per aiutarvi ( per esempio: ADCS7476 12-Bit A/D Converter oppure 16 Top Kickass 16 bit ADConverter).
Il microcontrollore non è poi così importante in questo caso. I fattori su cui basarvi per la scelta dovrebbero essere ad esempio i potenziali algortimi in cui i valori digitali della temperatura devono essere usati, o altre richieste particolari dell'applicazione (utilizzo di un display, ecc.).

Leggi la versione inglese: Howto Measure RTD (Resistance Temperature Detectors) over long distances

 

 

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ritratto di aivlis89

Electronic Measurment device

Articolo fatto benissimo.

Vorrei chiedere com'è il circuito della configurazione a 4 fili, perchè mi tornerebbe utilissimo.

Grazie infinite.

Silvia

ritratto di Alessio.De Giorgi

Dubbio circuitale

Perdonate la mia sconfinata ignoranza, ma non capisco l'utilità di R7

 

 

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