Uma introdução aos circuitos de condicionamento de sinal do sensor RTD

Em artigos anteriores desta série, discutimos os princípios básicos dos detectores de temperatura de resistência (RTD) e como sua resposta é caracterizada. Este artigo discutirá os fundamentos de diferentes circuitos de condicionamento de sinal para aplicações RTD.

Um simples divisor de tensão resistiva pode ser usado para converter as variações na resistência do RTD em um sinal de tensão. A Figura 1 mostra um diagrama de circuito típico para um RTD de platina. O Pt1000 na figura denota um RTD de platina com uma resistência nominal de 1000 Ω a 0 °C.

Como a maioria dos sensores resistivos, os sensores RTD mudam em uma porcentagem relativamente pequena em resposta a variações na grandeza física medida. Com isso em mente, o Pt1000 tem um coeficiente de temperatura de cerca de 3,85 Ω/°C. Vamos ver quão grandes são as variações de tensão no nó A.

Suponha que precisamos medir a temperatura com uma resolução de 0,2 °C, o que pode ser um requisito relativamente exigente. Se a temperatura mudar de 0 °C para 0,2 °C, a resistência do sensor aumentará de 1000 Ω para 1000,77 Ω. Isso consequentemente altera a tensão do nó A de 1,5 V para 1,500577 V, conforme calculado abaixo:

\[V_{A}=\frac{R_{rtd}}{R_{rtd}+R_{1}}\vezes V_{exc}=\frac{1000,77\times3}{1000,77+1000}=1,500577V\]

Portanto, a mudança de temperatura em 0,2 °C altera a tensão do nó A em cerca de 577 μV. Podemos medir VA diretamente para determinar o valor e a temperatura da resistência do RTD; no entanto, nosso sistema de medição deve ter resolução suficiente para detectar variações de fração de milivolt em um sinal de 1,5 V. Dividindo 1,5 V para o tamanho de passo mínimo necessário (577 μV), podemos estimar as contagens sem ruído do conversor analógico-digital, que funcionam como:

\[Ruído\,Livre\,Contagens=\frac{1.5V}{577 \mu V}\approx2600\,contagens\]

Isso corresponde a uma resolução sem ruído de cerca de log2(2600) = 11,34 bits. Observe que isso nos dá apenas um valor aproximado da resolução A/D. O requisito real é mais rigoroso e depende da faixa de temperatura para a qual o termômetro foi projetado. Além disso, modelamos o RTD com um coeficiente de temperatura constante de 3,85 Ω/°C, enquanto os RTDs são, na verdade, dispositivos não lineares.

Uma resolução livre de ruído de 11 bits pode ser facilmente alcançada pelos conversores delta-sigma (ΔΣ) atuais. Assim, podemos usar o circuito da Figura 1, juntamente com um conversor ΔΣ, para digitalizar diretamente a tensão no RTD.

Décadas atrás, no entanto, esses conversores de dados de alto desempenho não estavam disponíveis ou eram econômicos; e os projetistas de circuitos usaram técnicas como os circuitos de ponte de Wheatstone para medições de RTD. Embora os circuitos de ponte ainda sejam comumente usados ​​em outras áreas, como aplicações de detecção de força e pressão, eles raramente são usados ​​para medições de RTD. Apesar disso, para fins de completude, discutiremos brevemente a seguir como um circuito de ponte pode relaxar os requisitos do conversor analógico-digital (ADC).

Uma ponte de Wheatstone básica para medição Pt1000 é mostrada na Figura 2.

A tensão de saída é a diferença de tensão entre os dois ramos. De fato, um circuito de ponte altera a medição de terminação única de um simples ramal divisor de tensão para uma medição diferencial. Nesse caso, a saída é 0 V quando a ponte é balanceada (a 0 °C). Se a temperatura aumentar em 0,2 °C, a saída aumentará para 577 μV conforme calculado abaixo:

\[V_{OUT}=V_{A}-V_{B}=\frac{1000,77\times3}{1000,77+1000}-\frac{1000\times3}{1000+1000}=577\mu V\]

Nesse caso, o sinal desejado que reflete as variações de resistência do RTD não está sobrecarregado com um grande sinal CC. A saída contém apenas o sinal que queremos medir. Para determinar a resolução sem ruído do ADC, devemos considerar os valores máximo e mínimo de VOUT em toda a faixa de temperatura do termômetro. Suponha que precisamos medir a faixa de -40 °C a 150 °C. A resistência do RTD muda de 842,47 Ω para 1573,25 Ω nessa faixa de temperatura. Podemos usar essas informações para determinar o valor máximo e mínimo de VOUT conforme calculado na Tabela 1 abaixo: