Condizionamento del segnale RTD—4

In precedenza, abbiamo esplorato configurazioni a due e tre fili per misurazioni RTD eccitate sia in tensione che in corrente. Questo articolo estende la discussione alla configurazione a quattro fili e approfondisce la misurazione raziometrica, ampiamente utilizzata nelle applicazioni RTD. Oltre a ciò, esamineremo come i filtri di ingresso RC possono essere utilizzati nelle configurazioni raziometriche e impareremo come filtri di ingresso e percorso di riferimento abbinati possono migliorare le prestazioni di rumore di una configurazione raziometrica.

La Figura 1 seguente mostra una tecnica di cablaggio a quattro fili per un RTD eccitato da corrente.

Gli ingressi del convertitore analogico-digitale (ADC) sono ad alta impedenza, il che fa sì che la corrente di eccitazione fluisca attraverso Rwire1, Rrtd e Rwire4. Poiché nessuna corrente scorre attraverso Rwire2 e Rwire3, nessuna caduta di tensione tra questi due resistori e l'ADC può misurare con precisione la tensione RTD Vrtd.

Mentre una configurazione a tre fili richiede due sorgenti di corrente abbinate per eliminare l'errore di resistenza del filo, la configurazione a quattro fili può ottenere questo risultato con un'unica sorgente di corrente. Si noti che il metodo di cui sopra, chiamato anche rilevamento Kelvin, è una tecnica generale di misurazione della resistenza che trova utilizzo in molte altre aree, come le applicazioni di rilevamento della corrente resistiva.

Il concetto di misurazione a quattro fili può essere applicato anche a un RTD eccitato in tensione, come illustrato nella Figura 2.

Anche in questo caso, nessuna caduta di tensione su Rwire2 e Rwire3 e l'ADC misura accuratamente la tensione su RTD Vrtd. In un sistema eccitato in tensione la tensione di eccitazione Vexc è nota. Tuttavia, è impossibile determinare la resistenza dell'RTD conoscendo Vrtd e Vexc perché alcune tensioni sconosciute cadono anche su Rwire1 e Rwire4. Per combattere questo problema, possiamo effettuare una misurazione aggiuntiva su un nodo, come il nodo B nel diagramma sopra, per capire la corrente che scorre attraverso il sensore. Questo è simile al metodo che abbiamo utilizzato quando abbiamo discusso della configurazione a tre fili eccitati dalla tensione nell'articolo precedente.

Si noti che con l'eccitazione della corrente non è necessaria una seconda misurazione perché la corrente che scorre attraverso il sensore, Iexc, è già nota. L'attuale metodo di eccitazione è un'implementazione più semplice, soprattutto quando l'errore di resistenza del filo è un problema.

Tutti i circuiti di misura dell'RTD richiedono una sorgente di eccitazione precisa e stabile, poiché la tensione dell'RTD è una funzione della sorgente di eccitazione. Ad esempio, si consideri lo schema circuitale nella Figura 1. La tensione misurata dall'ADC è correlata alla resistenza dell'RTD mediante la seguente equazione:

\[V_{ADC}=R_{rtd}\times I_{exc}\]

Se la corrente di eccitazione è rumorosa o varia con la temperatura o il tempo, la tensione attraverso l'RTD cambia anche quando la temperatura è fissa. Per mantenere un'elevata precisione, il progettista deve utilizzare componenti di precisione per ridurre al minimo le variazioni in Iexc.

In alternativa, è possibile utilizzare la misurazione raziometrica. Invece di ridurre al minimo le variazioni della sorgente di eccitazione, la misurazione raziometrica modifica il circuito in modo che l'uscita diventi proporzionale al rapporto tra Iexc e un'altra corrente (o tensione) nel sistema.

Supponiamo che il circuito venga modificato in modo tale che l'equazione di uscita venga modificata in:

\[V_{ADC}=R_{rtd}\times\frac{I_{exc}}{I_{x}}\]

Dove Ix è la corrente nel circuito. Inoltre, se deriviamo Ix da Iexc in modo che entrambi subiscano la stessa variazione, il rapporto \(\frac{I_{exc}}{I_{x}}\) può essere mantenuto costante. Ciò rende il sistema di misura insensibile alle variazioni della sorgente di eccitazione.

Nella sezione successiva vedremo che le misurazioni raziometriche possono solitamente essere implementate in modo economico. Questa implementazione economica ci consente di utilizzare configurazioni raziometriche per migliorare la precisione e allentare i requisiti di alcuni componenti, come la tensione di eccitazione o la sorgente di corrente.

La Figura 3 mostra come è possibile modificare la misura di corrente eccitata a quattro fili per avere una configurazione raziometrica.