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Misurare i sensori RTD senza una sorgente di corrente di precisione

da | 5 Nov, 20 | Design |

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.

Leggi l’articolo originale e completo su Electronic Design

https://www.electronicdesign.com/resources/ideas-for-design/article/21139334/measure-rtd-sensors-without-a-precision-current-source

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