È possibile ottenere misurazioni accurate dei sensori di resistenza-temperatura senza dover ricorrere all’uso di una sorgente di corrente di precisione.
Tradizionalmente, la resistenza del sensore RTD viene misurata applicando una sorgente di corrente di precisione e misurando la tensione sviluppata. Questo approccio di solito richiede un riferimento di tensione di precisione per creare la sorgente di corrente, seguito da un convertitore analogico-digitale (ADC) di alta qualità.
Non è difficile ottenere tutto ciò a temperatura ambiente, ma se si considera che la temperatura del sistema di misurazione può essere compresa tra −40 e + 55 ° C, il compito diventa più arduo.
Un approccio “brutale” a questo problema sarebbe quello di utilizzare un costoso riferimento di tensione stabile alla temperatura, un ADC e altri componenti combinati con la calibrazione del software per compensare la deriva dei parametri di temperatura.
È stato scoperto un approccio migliore utilizzando resistori ultra stabili da 5 ppm / ° C con una precisione dello 0,1% come riferimento per le misurazioni RTD. Questo approccio richiede due resistori ultra stabili integrati per la calibrazione (1k e 2k) per ottenere un’elevata precisione RTD. Questi resistori vengono utilizzati per calibrare la lettura dell’RTD e compensare gli errori di deriva della temperatura.
Il progetto per ottimi sensori utilizza i transistor Q1-Q3 in combinazione con il resistore R1 per formare una sorgente di corrente costante che genera circa 1 mA utilizzando un riferimento di tensione ADC da 2,5. I resistori di calibrazione R4 e R5 insieme ai sensori RT1 e RT2 RTD possono assorbire questa corrente quando il pin GPIO corrispondente è abbassato. Quando non utilizzati, i pin GPIO sono indicati in tre. La tensione viene misurata all’uscita dell’ADC.
I transistor Q1-Q3 e il resistore R1 formano una sorgente di corrente costante che genera circa 1 mA utilizzando un riferimento di tensione ADC da 2,5 V.
Per la calibrazione, avremo bisogno di leggere due resistori e calcolare il valore della sorgente di corrente costante e gli errori combinati, che chiamiamo VOffset. I valori Icc e VOffset calibrati vengono utilizzati per convertire le letture di temperatura RTD.
I risultati della calibrazione vengono applicati utilizzando la seguente formula:
dove:
- RRTD è la resistenza RTD misurata.
- VADC è la lettura della tensione dell’ADC.
- ICC è una fonte di corrente piuttosto costante.
- VOffset è l’offset di tensione degli errori cumulativi. Notare che questa variabile è una combinazione di più sorgenti di tensione di errore. Pertanto, potrebbe essere utile (anche se non necessario) suddividerla nei suoi componenti per ottenere una migliore precisione.
Per calcolare VOffset e ICC, dobbiamo fare alcune ipotesi per derivare la formula seguente:
- Primo presupposto: i resistori di calibrazione sono ideali e hanno rispettivamente valori di 1.000 e 2.000 Ω.
- Seconda ipotesi:la sorgente di corrente ICC è stabile per la durata delle misurazioni.
- Terzo presupposto: i risultati della conversione ADC sono perfetti.
Seguendo questi presupposti, possiamo scrivere che:
Nell’equazione2, VCAL1K e VCAL2K rappresentano le tensioni sviluppate sui resistori di calibrazione quando viene applicata la corrente ICC.
Risolvendo queste equazioni per ICC e VOffset, otteniamo le seguenti equazioni:
Misurazioni del setup sperimentale
La configurazione sperimentale ha due resistenze di calibrazione e due RTD montati in posizioni diverse. Abbiamo utilizzato un ADC con risoluzione a 10 bit e RTD a montaggio superficiale classificati 1k a temperatura ambiente.
Per raccogliere i dati, il software ha eseguito questi passaggi:
1. Leggere i livelli di tensione dell’ADC sui resistori di calibrazione e sugli RTD.
2. Calcolare Voffset utilizzando l’equazione 3.
3. Calcolare ICC con l’equazione 4.
4. Determinare la resistenza RTD utilizzando l’equazione 1.
5. Convertire i valori di resistenza RTD in temperatura con la ricerca in tabella e l’interpolazione a tratti.
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