Proyecto de Sensor de Temperatura: Detectores de Temperatura por Resistencia (RTD)

Esta es la cuarta parte de una serie en la que examinamos todos los principales tipos de sensores de temperatura que podrías usar en un proyecto de electrónica. Estamos viendo las diversas formas de implementar estos diferentes sensores en un diseño. Al final de la serie, pondremos a los sensores y sus implementaciones en una competencia cara a cara usando condiciones del mundo real. Esta prueba en el mundo real nos dará una mejor comprensión de cómo se comportan y responden los diferentes sensores a las condiciones cambiantes, así como qué tan lineal y precisamente pueden detectar la temperatura.

Como en mis proyectos, puedes encontrar los archivos de diseño para este proyecto publicados bajo la licencia de código abierto MIT en GitHub. Eres libre de usar los circuitos o el proyecto como desees, incluso para proyectos comerciales. Encontrarás detalles de los Detectores de Temperatura por Resistencia que discutimos, además de una gama de otros Detectores de Temperatura por Resistencia en mi enorme biblioteca de código abierto Altium Designer Library. También encontrarás detalles de todos los otros tipos de sensores de temperatura y una enorme gama de diferentes componentes contenidos en esta biblioteca también.

En esta parte de la serie, estamos viendo los Detectores de Temperatura por Resistencia (RTD), que están entre los elementos de medición de temperatura más precisos a los que tenemos fácil acceso. Me refiero deliberadamente a "elementos" aquí ya que los circuitos integrados y los dispositivos de Sistema Microelectromecánico (MEMS), que veremos en artículos próximos, pueden ser más precisos y tener una salida más lineal. El sensor RTD es esencialmente un tipo de resistor cuyo valor varía a una tasa muy precisa a medida que cambia la temperatura.

Los sensores de temperatura son vitales para muchas industrias. Incluso en tu PCB, un sensor de temperatura puede ser utilizado para asegurar la precisión de los datos recibidos de otros sensores, así como ayudar a proteger tu placa de sobrecalentamientos. En esta serie, veremos una gama de diferentes tipos de sensores y cómo usarlos mejor. Estaremos viendo:

• Termistores de Coeficiente de Temperatura Negativo (NTC)
• Termistores de Coeficiente de Temperatura Positivo (PTC)
• Detectores de Temperatura por Resistencia (RTD)
• ICs de Sensor de Temperatura Analógico
• ICs de Sensor de Temperatura Digital
• Termopares

En la introducción a esta serie sobre sensores de temperatura, construimos dos plantillas de proyecto, que nos permitirán tener un conjunto de pruebas estándar para los diferentes sensores de temperatura, cada uno con la misma interfaz y colocación de conectores. Uno de estos proyectos está diseñado para sensores de temperatura digitales, y el otro está diseñado para sensores de temperatura analógicos. En este artículo, utilizaremos ambos, utilizando la plantilla de proyecto digital para un ADC de alta resolución y la plantilla analógica para todas las demás implementaciones.

Estaremos construyendo dos placas base para estas tarjetas de sensores al final de la serie, una diseñada para probar una sola tarjeta con fines de validación, y la otra diseñada para conectarse a un conjunto de tarjetas. Esta segunda placa base, con múltiples sensores montados en ella, es lo que utilizaremos cuando evaluemos el rendimiento de todas las implementaciones de sensores entre sí.

Detectores de Temperatura por Resistencia (RTD)

Los Detectores de Temperatura por Resistencia, o RTDs por sus siglas en inglés, tienen una implementación similar a un termistor, pero generalmente son más precisos. Mientras que un termistor con una precisión del 1% se considera preciso y aceptable, un sensor RTD con una tolerancia del 0.1% no es inusual. Los costos son significativamente más altos para un sensor RTD que para un termistor, pero ese es el compromiso por tener mejor precisión. Además de las tolerancias más ajustadas del RTD en comparación con los termistores que vimos en el artículo de Termistor NTC, un sensor RTD también tiene una curva de temperatura mucho más lineal, lo que hace que la utilización de la resistencia medida sea mucho más simple de implementar.

Los detectores de temperatura de resistencia basados en níquel tienden a tener una temperatura máxima de detección más baja que sus contrapartes de platino. Los detectores de platino son capaces de medir bien más allá del punto de fusión del soldador, por lo que tiende a encontrarse que, para aplicaciones de alta temperatura, están montados en un cable usando conexiones prensadas o incorporados en un dispositivo de sonda, en lugar de solo como un componente montado en superficie. Muchos detectores de temperatura de resistencia también pueden funcionar bastante bien en el extremo inferior del rango, con una cantidad significativa de opciones en el mercado para temperaturas de operación bien por debajo de lo que generalmente se encuentra en el ambiente natural. Los componentes RTD montados en superficie típicamente solo tendrán un rango de temperatura de operación similar al de la mayoría de otras partes montadas en superficie (alrededor de -55°C a 175°C). Sin embargo, los componentes RTD montados con plomo pueden operar dentro de un rango de -200°C a 850°C.

A diferencia de los termistores, que definen la resistencia a 25°C como su resistencia de especificación, los sensores RTD usan la resistencia a 0°C como su resistencia de especificación.

Al igual que con los termistores, reducir la corriente a través del detector es crítico para asegurar que puedas medir la temperatura precisa de manera exacta, sin influir en el resultado a través de efectos de auto-calentamiento. Típicamente, querrás mantener la corriente que fluye a través de un RTD entre 0.1 mA y 1.5 mA. Los RTD tienden a tener valores de resistencia mucho más bajos que un termistor, por lo que el flujo de corriente más alto puede causar un problema grave de auto-calentamiento si no se controla. Esto significa que muy probablemente necesitarás emplear un método alternativo al uso de un simple divisor de voltaje para tomar una lectura precisa.

Implementación del Sensor RTD: Divisor de Voltaje

Un circuito simple como un divisor de voltaje no se recomienda para usar con un sensor RTD. La baja resistencia del detector significa que experimentarás un pequeño efecto de auto-calentamiento que causará que tus mediciones sean inexactas, especialmente al usar un sensor de 100 ohmios como el que estaremos viendo aquí. Podríamos implementar el divisor de voltaje para los RTDs de 1 kiloohmio que estamos buscando usar; sin embargo, ¡eso no va a ser tan divertido! Con el RTD de 100 ohmios, esperamos poder ver un divisor de voltaje dar un rendimiento mucho peor y mostrar por qué usar topologías alternativas es una idea mucho mejor, a pesar de su complejidad adicional. A 0°C, deberíamos esperar ver alrededor de 16.5 mA de corriente fluyendo a través del sensor RTD, el doble de lo que sería el máximo ideal, y tengo curiosidad por ver cómo esto influye en la temperatura detectada.

La placa de circuito para esta implementación es tan elemental como cabría esperar, con solo dos componentes adicionales agregados en comparación con la placa de plantilla del proyecto.

Una vez más, esta es una idea bastante terrible para una implementación de RTD. Generará demasiado calor por sí misma como para poder hacer uso de su precisión y tolerancias. Deja los divisores de voltaje simples para los dispositivos tipo termistor.

Implementación de RTD: Puente de Wheatstone Básico

Una de las formas más precisas de medir resistencia es usar un puente de Wheatstone. Un puente de Wheatstone utiliza dos patas equilibradas en un circuito puente para medir la resistencia desconocida de una resistencia en una de las cuatro patas. Si esta resistencia desconocida es un dispositivo como un sensor RTD, podemos hacer una medición extremadamente precisa de la resistencia de ese dispositivo. Este circuito proporciona un cambio de voltaje a medida que cambia la resistencia, permitiendo que un microcontrolador u otro dispositivo de monitoreo mida la resistencia del elemento desconocido - el RTD en este caso.

Planeo usar un microcontrolador en las placas base que construiremos más adelante en esta serie. Estas contarán con entradas diferenciales y un ADC de 16 bits conectado a esos pines. Esto significa que podemos conectar el puente de Wheatstone directamente a las entradas ADC diferenciales del microcontrolador. Esto no nos proporcionará tanta precisión como un puente de Wheatstone amplificado que discutiremos más adelante en este artículo. Sin embargo, significa que tampoco introduciremos ningún error relacionado con el amplificador o sesgo en el sistema, lo que reduce los requisitos de pruebas y calibración de fábrica del dispositivo. Esto también nos dará la oportunidad de mirar la salida cruda de un puente de Wheatstone con un sensor RTD.

Si la resolución de la salida es suficiente para la aplicación, y se dispone de un ADC con entradas diferenciales, esta es una implementación sencilla. Con la adición de un amplificador operacional o un amplificador de instrumentación, se puede aumentar la salida de voltaje diferencial del puente de Wheatstone, proporcionando un voltaje más utilizable que es más adecuado para la resolución típica de los ADCs, y compatible con ADCs que no tienen entradas diferenciales.

El puente de Wheatstone tendrá cero voltios a través de las salidas cuando esté perfectamente equilibrado. Debido a que es un circuito equilibrado, necesitaremos usar resistencias de alta precisión para lograr esto. Además, dado que se está utilizando como un sensor de temperatura, necesitamos usar resistencias de bajo coeficiente de temperatura para minimizar errores. Todas las resistencias que estoy utilizando tienen una tolerancia del 0.1% y un coeficiente de temperatura de 25 ppm/°C.

Para un RTD, configurado como se ha indicado anteriormente, esto significa que el puente está equilibrado a una temperatura de 0°C, ya que ambos lados del puente tienen el mismo potencial a 0°C. A la temperatura máxima de detección del sensor, alrededor de 150°C, deberíamos esperar ver una diferencia de potencial de aproximadamente 0.344 V. A la temperatura mínima de detección de -50°C, deberíamos ver una diferencia de potencial de aproximadamente -0.106 V. Ten en cuenta que estos valores de voltaje son relativos entre sí; en realidad no estamos creando un potencial de voltaje negativo cuando se hace referencia a tierra. Verás que este es un rango de voltaje muy pequeño. Se podría lograr un rango mayor utilizando valores más pequeños de resistencias en la parte "superior" del puente. Sin embargo, hacer esto excedería la cantidad de corriente que queremos que fluya a través del RTD. Colocar una resistencia adicional en serie con el suministro de 5 V podría contrarrestar esto reduciendo el flujo de corriente total.

Incluso con este pequeño cambio de voltaje a lo largo del rango de detección de temperatura, el ADC en el NXP Kinetis que estoy buscando usar en las placas base debería aún entregar alrededor de 0.02°C de pasos para la resolución del ADC. Esta es una resolución suficiente para la mayoría de las aplicaciones prácticas.

Puede que hayas notado que estoy alimentando este circuito con 5 V en lugar de los 3.3 V limpios que hemos utilizado para todo lo demás. Usar la fuente de 5 V del puerto USB que alimenta la placa nos da un poco más de rango de voltaje en la salida. Debido a que el puente de Wheatstone está equilibrado, cualquier ruido de modo común es automáticamente rechazado por el circuito, así que tener un poco de ruido presente en la fuente del USB no es un problema grave, incluso sin tener mucho filtrado en la placa.

También podrías haber notado que esta placa tiene un orden diferente en los canales analógicos; simplemente fue más fácil colocar estas salidas analógicas en una nueva pila ya que vamos a tener más de diez entradas analógicas al microcontrolador. No hace ninguna diferencia si las entradas están en un orden diferente al orden en el artículo.

Para esta PCB, he colocado los otros elementos resistivos del puente en el otro lado del corte térmico en la placa. No espero que el calor generado por estos componentes influya en la temperatura detectada, y mantiene las placas consistentes con el componente de detección de temperatura siempre estando solo dentro del corte térmico.

Implementación de RTD: Amplificador Operacional con Compensación de Error

Entonces, ¿qué pasa si tu microcontrolador no tiene un ADC diferencial, o tal vez ni siquiera tiene un ADC de alta resolución? Para obtener la máxima precisión en las mediciones, prefiero usar un convertidor de analógico a digital de 24 bits o mejor, con un amplificador de ganancia programable integrado. Examinaremos esta opción más adelante en este artículo.

Mientras que un puente de Wheatstone es una manera fantástica de medir una resistencia desconocida, el RTD todavía tiene cierta no linealidad, lo que afectará las mediciones. Existe una alternativa, un esquema de bajo costo, que podemos usar para medir la resistencia del RTD y también para linealizar la salida del sensor para proporcionar una medición más precisa. En este circuito mostrado a continuación, R4 proporciona un voltaje de excitación de justo menos de 1 mA a nuestro RTD (R5). Para linealizar la salida, R3 proporciona una corriente de excitación que aumenta a medida que la temperatura sube, lo que ayuda a compensar cualquier no linealidad del elemento RTD.

Los componentes elegidos para este esquemático están destinados a proporcionar una salida de 1.65 V a 0°C; sin embargo, terminaremos con un valor real que es un poco diferente debido a la necesidad de usar componentes de valor estándar. El objetivo es proporcionar alrededor de 25 mV/°C de ganancia, así que en el rango máximo de detección de temperatura del sensor de 150°C, estamos maximizando el rango de voltaje de entrada para el ADC del microcontrolador al proporcionar una señal de 3.3 V. En realidad, obtendremos un voltaje de entrada de alrededor de 3.27 V a 150°C cuando usemos componentes del mundo real.

Este circuito debería proporcionarnos un error de temperatura muy pequeño a lo largo de todo el rango de operación del sensor.

El amplificador operacional utilizado en este circuito necesita una fuente de alimentación negativa para poder detectar y emitir a través de todo el rango de temperaturas que estaremos midiendo. En la actualidad, los voltajes negativos a menudo se consideran algo “aterradores” para los ingenieros nuevos o menos experimentados, pero realmente son fáciles de generar si solo necesitas suministrar una pequeña cantidad de corriente, como hacemos aquí. En artículos de proyectos anteriores, he utilizado el dispositivo TPS60403 con excelentes resultados, y lo usaré nuevamente aquí ya que es una forma tan simple de generar un voltaje negativo.

Esto nos da una pequeña placa de circuito que realmente parece que va a hacer algo, en comparación con algunas de nuestras otras placas que solo tienen un par de resistencias en ellas. 

Implementación de RTD: Amplificador de Instrumentación con Compensación Lineal

Mientras que el circuito anterior es una excelente opción para implementar un RTD linealizado a bajo costo, podemos llevarlo un paso más allá con solo un pequeño gasto adicional. Cambiando el amplificador operacional por un amplificador de instrumentación, podemos amortiguar la entrada más barato que si agregáramos un amplificador de búfer al amplificador operacional. El amplificador de instrumentación tiene una impedancia de entrada muy alta para que no sesgue la medición del sensor de ninguna manera cuantificable.

Nuestro circuito es muy similar al diseño anterior, con R3 proporcionando una corriente de polarización al RTD (R5) que aumenta a medida que su temperatura aumenta. R4 proporciona una corriente de excitación nominal de alrededor de 0.9 mA, que, como se mencionó anteriormente, está en la región correcta para un RTD.

Al igual que en la implementación anterior, también necesitamos generar un voltaje de suministro negativo para el amplificador de instrumentación. Mantendremos las cosas simples y usaremos el mismo circuito de suministro de voltaje negativo para esta implementación que usamos para el amplificador operacional.

Implementación de RTD: Puente de Wheatstone Digitalizado

El circuito amplificado discutido anteriormente es una excelente manera de ver y entender lo que está sucediendo, pero la cantidad de resistencias y amplificadores adicionales que necesitamos introducirá un error y sesgo extra en nuestra medición. Un amplificador de ganancia programable para un convertidor analógico a digital (PGA-ADC) es esencialmente el mismo circuito que viene en un solo paquete completo con un ADC. Sin embargo, tiene la ventaja de estar ajustado y compensado de fábrica, entregando una amplificación y conversión más precisa. Al implementar esto nosotros mismos usando múltiples componentes discretos, terminamos con una acumulación de tolerancias que, en un mundo ideal, sería imperceptible. Pero potencialmente, esto podría ser menos que perfecto, dependiendo de qué valores de resistencias colocamos con qué tipo de amplificador.

El puente de Wheatstone digitalizado es esencialmente el mismo circuito que usamos con la implementación básica del puente, excepto que se ha eliminado el capacitor de desacoplamiento entre las salidas del puente. En su lugar, habrá un capacitor colocado en la sección de filtrado de la entrada del ADC. El puente tampoco está conectado directamente a tierra ya que el ADC cuenta con un interruptor interno que lo conecta a tierra. Esto asegura que todas nuestras conexiones terminen en el ADC. También he añadido un capacitor de desacoplamiento, C6, entre el suministro de 5 V y la tierra del puente.

Estoy utilizando el dispositivo Texas Instruments ADS1220IPWR, que es mi PGA-ADC preferido para puentes de Wheatstone. Es un ADC de 24 bits, lo que proporciona mucha más resolución de la que necesitamos para esta aplicación. Sin embargo, pensé que sería interesante observar los datos de resolución completa que entregará. Aunque la hoja de datos contiene múltiples ejemplos de implementación para usar conexiones de dos, tres y cuatro cables para un RTD, no vamos a utilizar ninguno de estos para este ejemplo. Para el propósito de este proyecto, simplemente conectaremos las salidas diferenciales del puente de Wheatstone directamente a las entradas. Como los ejemplos de implementación están bien documentados en la hoja de datos del ADS1220, no veo ninguna ventaja en volver a demostrarlos aquí. En cambio, estoy más interesado en mostrar las lecturas que salen del puente de Wheatstone crudo para permitir una comparación directa con los circuitos previamente discutidos. De esta manera, podemos comparar y contrastar su efectividad.

El esquemático para el ADC es bastante típico para conectarse a un puente de Wheatstone. Usaremos el interruptor interno para conectar REFN1 a tierra, con el ADC alimentado por 5 V (AVDD) y también proporcionándole una entrada de referencia de 5 V (REFP1). Los cambios de temperatura por los que pasaremos la placa no incluirán cambios o fluctuaciones de temperatura instantáneos sustanciales, por lo que podemos implementar un filtro razonablemente agresivo para rechazar cualquier ruido de modo común.

Para esta implementación, estoy manteniendo elevadas las dos líneas de selección de chip. Cuando he usado el ADS1120 en el pasado, he encontrado que la interrupción del pin DRDY es muy útil para notificar al microcontrolador cuando puede tomar una lectura. Usar esta característica es mucho más fácil que estar sondeando continuamente el ADC con el equivalente a "¿Ya llegamos? ¿Ya llegamos?". El pin DRDY nos permite tomar la lectura del ADC tan pronto como se completa una conversión, asegurando que la marca de tiempo en los datos sea lo más precisa posible. La línea de selección de chip para el pin DRDY simplemente se conectará a una línea de entrada de interrupción en el microcontrolador que estamos usando para este dispositivo.

Una alternativa más económica al ADS1220 es la serie ADS1120, que tiene el mismo diseño de pines y funcionalidad pero solo cuenta con una resolución de 16 bits. Un ADC amplificado de 16 bits como esta serie de dispositivos será más que suficiente para aplicaciones típicas de detección de temperatura y superará las capacidades del detector por un margen significativo.

Otras Opciones: IC Convertidor de RTD

Además de medir la temperatura leyendo un voltaje de un divisor de voltaje o un puente de Wheatstone, también podemos usar un amplificador de sensor de temperatura como los que veremos para usar con termopares. Estos IC te proporcionarán una salida de temperatura digital en lugar de un nivel de voltaje, y típicamente incorporan toda la circuitería de amplificación y compensación que necesitas para proporcionar la medición de temperatura más precisa que el sensor puede entregar. El costo de esta opción puede ser un factor significativo, pero también lo es el costo de usar un PGA-ADC, como se discutió anteriormente. Usar un PGA-ADC proporciona una mejor experiencia de aprendizaje y demostración para este artículo, por lo que no estaremos mirando en detalle un IC convertidor de RTD.

Resumen

A pesar de construir cuatro placas de circuito diferentes para esta entrega de nuestra serie sobre sensores de temperatura, apenas hemos tocado algunas de las muchas maneras diferentes en que puedes utilizar un sensor RTD. Con sensores de dos, tres y cuatro cables a considerar, y también la capacidad de implementar estos esquemáticos con sensores montados en la placa, hay una amplia gama de maneras diferentes de interactuar con un RTD. Los RTD están entre los sensores de temperatura más versátiles disponibles, con excelente precisión y valores de tolerancia y un enorme rango de detección de temperatura disponible con algunos dispositivos.

Como he dicho varias veces, el Texas Instruments ADS1220 es uno de mis ADCs de alta resolución favoritos. Supongas que estás interesado en ver algunas otras topologías para medir la temperatura usando RTDs. En ese caso, el datasheet del ADS1220 tiene implementaciones para todos los diferentes cableados de un RTD, los cuales podrías adaptar a tus propias necesidades de ADC/amplificación si el dispositivo ADS1220 está más allá del presupuesto de tu proyecto.

Puede encontrar detalles de cada uno de estos circuitos de prueba con todas las demás implementaciones de sensores de temperatura en GitHub. Estas placas se publican bajo la licencia de código abierto MIT, así que eres libre de construirlas tú mismo, implementar sus circuitos en tus propios proyectos o usarlas de la manera que desees.

Asegúrate de echar un vistazo a los otros proyectos de esta serie si estás interesado en los sensores de temperatura, ya que podrías encontrar una alternativa más económica al uso de un RTD u otra opción que podría funcionar para tu proyecto. Al final de esta serie, verás una comparación entre todos los diferentes tipos de sensores, para que puedas comparar directamente cómo las diferentes implementaciones de sensores se desempeñan en diversas condiciones unas respecto a otras.

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