Condicionamento de sinal RTD - 4

Anteriormente, exploramos configurações de dois e três fios para medições de RTDs excitados por tensão e corrente. Este artigo estende a discussão para a configuração de quatro fios e se aprofunda na medição raciométrica, que é amplamente utilizada em aplicações RTD. Além disso, veremos como os filtros de entrada RC podem ser usados ​​em configurações raciométricas e aprenderemos como os filtros de caminho de referência e entrada combinados podem melhorar o desempenho de ruído de uma configuração raciométrica.

A Figura 1 abaixo mostra uma técnica de fiação de quatro fios para um RTD excitado por corrente.

As entradas do conversor analógico-digital (ADC) são de alta impedância, o que faz com que a corrente de excitação flua através de Rwire1, Rrtd e Rwire4. Como nenhuma corrente flui através de Rwire2 e Rwire3, nenhuma tensão cai nesses dois resistores, e o ADC pode medir com precisão a tensão RTD Vrtd.

Enquanto uma configuração de três fios requer duas fontes de corrente combinadas para eliminar o erro de resistência do fio, a configuração de quatro fios pode conseguir isso com uma única fonte de corrente. Observe que o método acima, também chamado de detecção de Kelvin, é uma técnica geral de medição de resistência que pode ser usada em muitas outras áreas, como aplicações de detecção de corrente resistiva.

O conceito de medição de quatro fios também pode ser aplicado a um RTD excitado por tensão, conforme ilustrado na Figura 2.

Novamente, nenhuma tensão cai em Rwire2 e Rwire3, e o ADC mede com precisão a tensão no RTD Vrtd. Em um sistema excitado por tensão, a tensão de excitação Vexc é conhecida. No entanto, é impossível determinar a resistência do RTD conhecendo Vrtd e Vexc porque algumas tensões desconhecidas também caem em Rwire1 e Rwire4. Para combater esse problema, podemos fazer uma medição extra em um nó, como o nó B no diagrama acima, para descobrir a corrente que flui pelo sensor. Isso é semelhante ao método que usamos ao discutir a configuração de três fios excitada por tensão no artigo anterior.

Observe que com a excitação de corrente, uma segunda medição não é necessária porque a corrente que passa pelo sensor, Iexc, já é conhecida. O método de excitação de corrente é uma implementação mais direta, especialmente quando o erro de resistência do fio é um problema.

Todos os circuitos de medição RTD requerem uma fonte de excitação precisa e estável, pois a tensão do RTD é uma função da fonte de excitação. Por exemplo, considere o diagrama de circuito na Figura 1. A tensão medida pelo ADC relaciona-se com a resistência do RTD pela seguinte equação:

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

Se a corrente de excitação for ruidosa ou variar com a temperatura ou o tempo, a tensão no RTD muda mesmo quando a temperatura é fixa. Para manter a alta precisão, o projetista precisa usar componentes de precisão para minimizar variações no Iexc.

Como alternativa, você pode usar a medição raciométrica. Em vez de minimizar as variações da fonte de excitação, a medição raciométrica altera o circuito para que a saída se torne proporcional à relação de Iexc para outra corrente (ou tensão) no sistema.

Vamos supor que o circuito seja modificado de forma que a equação de saída seja alterada para:

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

Onde Ix é uma corrente no circuito. Além disso, se derivarmos Ix de Iexc de forma que ambos experimentem a mesma variação, a razão \(\frac{I_{exc}}{I_{x}}\) pode ser mantida constante. Isso torna o sistema de medição insensível às variações da fonte de excitação.

Na próxima seção, veremos que as medições raciométricas geralmente podem ser implementadas de forma barata. Essa implementação econômica nos permite usar configurações raciométricas para melhorar a precisão e relaxar os requisitos de certos componentes, como a tensão de excitação ou a fonte de corrente.

A Figura 3 mostra como a medição excitada por corrente de quatro fios pode ser modificada para ter uma configuração raciométrica.