Projeto de Sensor de Temperatura: Detectores de Temperatura por Resistência (RTD)

Esta é a quarta parte de uma série onde analisamos todos os principais tipos de sensores de temperatura que você pode usar em um projeto eletrônico. Estamos olhando as várias maneiras de implementar esses diferentes sensores em um design. No final da série, estaremos colocando os sensores e implementações em uma competição frente a frente usando condições do mundo real. Este teste no mundo real nos dará uma melhor compreensão de como diferentes sensores se comportam e respondem a condições em mudança, bem como quão linear e precisamente eles podem detectar temperatura.

Como em meus projetos, você pode encontrar os arquivos de design deste projeto liberados sob a licença de código aberto MIT no GitHub. Você está livre para usar os circuitos ou o projeto como desejar, mesmo para projetos comerciais. Você encontrará detalhes dos Detectores de Temperatura de Resistência que discutimos, além de uma variedade de outros Detectores de Temperatura de Resistência na minha enorme biblioteca de código aberto Altium Designer Library. Você também encontrará detalhes de todos os outros tipos de sensores de temperatura e uma enorme gama de diferentes componentes contidos nesta biblioteca também.

Nesta parte da série, estamos olhando para os Detectores de Temperatura por Resistência (RTD), que estão entre os elementos de medição de temperatura mais precisos aos quais temos fácil acesso. Eu me refiro deliberadamente a "elementos" aqui, pois os circuitos integrados e dispositivos de Sistema Microeletromecânico (MEMS), que veremos em artigos futuros, podem ser mais precisos e ter uma saída mais linear. O sensor RTD é essencialmente um tipo de resistor cujo valor varia a uma taxa muito precisa conforme a temperatura muda.

Sensores de temperatura são vitais para muitas indústrias. Até mesmo na sua PCB, um sensor de temperatura pode ser usado para garantir a precisão dos dados recebidos de outros sensores, bem como ajudar a proteger sua placa contra superaquecimento. Nesta série, vamos olhar para uma gama de diferentes tipos de sensores e como melhor utilizá-los. Estaremos olhando para:

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

Na introdução a esta série sobre sensores de temperatura, construímos dois modelos de projeto, que nos permitirão ter um conjunto de testes padrão para os diferentes sensores de temperatura, cada um com a mesma interface e colocação de conector. Um desses projetos é projetado para sensores de temperatura digitais, e o outro é projetado para sensores de temperatura analógicos. Neste artigo, usaremos ambos, utilizando o modelo de projeto digital para um ADC de alta resolução e o modelo analógico para todas as outras implementações.

Estaremos construindo duas placas hospedeiras para esses cartões de sensores no final da série, uma projetada para testar um único cartão para fins de validação, e a outra projetada para se conectar a uma pilha de cartões. Esta segunda placa hospedeira, com vários sensores montados nela, é o que usaremos quando avaliarmos o desempenho de todas as implementações de sensores umas contra as outras.

Detectores de Temperatura por Resistência (RTD)

Detectores de Temperatura Resistivos, ou RTDs, têm uma implementação semelhante a um termistor, mas geralmente são mais precisos. Enquanto um termistor com uma precisão de 1% é considerado preciso e aceitável, um sensor RTD com uma tolerância de 0,1% não é incomum. Os custos são significativamente mais altos para um sensor RTD do que para um termistor, mas esse é o preço a pagar por ter uma melhor precisão. Além das tolerâncias mais apertadas do RTD quando comparado aos termistores que examinamos no artigo sobre Termistor NTC, um sensor RTD também tem uma curva de temperatura muito mais linear, o que torna a utilização da resistência medida muito mais simples de implementar.

Detectores de temperatura de resistência baseados em níquel tendem a ter uma temperatura máxima de detecção mais baixa do que seus equivalentes de platina. Detectores de platina são capazes de medir bem além do ponto de fusão do solda, então você tende a encontrar que, para aplicações de alta temperatura, eles são instalados em um cabo usando conexões crimpadas ou incorporados em um dispositivo de sonda, em vez de apenas como um componente montado na superfície. Muitos detectores de temperatura de resistência também podem funcionar bastante bem na extremidade inferior da faixa, com uma quantidade significativa de opções no mercado para temperaturas de operação bem abaixo do que você geralmente encontrará no ambiente natural. Componentes RTD montados na superfície tipicamente só terão uma faixa de temperatura de operação semelhante à maioria das outras peças montadas na superfície (cerca de -55°C a 175°C). No entanto, componentes RTD montados com chumbo podem operar dentro de uma faixa de -200°C a 850°C.

Ao contrário dos termistores, que definem a resistência a 25°C como sua resistência de especificação, os sensores RTD usam a resistência a 0°C como sua resistência de especificação.

Assim como com os termistores, reduzir a corrente através do detector é crítico para garantir que você possa medir a temperatura precisa de forma precisa, sem influenciar o resultado através de efeitos de autoaquecimento. Você normalmente quer manter a corrente fluindo através de um RTD entre 0,1 mA e 1,5 mA. Os RTDs tendem a ter valores de resistência muito menores do que um termistor, então o fluxo de corrente mais alto pode causar um problema sério de autoaquecimento se não verificado. Isso significa que você provavelmente precisará empregar um método alternativo ao uso de um simples divisor de tensão para obter uma leitura precisa.

Implementação do Sensor RTD: Divisor de Tensão

Um circuito simples como um divisor de tensão não é recomendado para uso com um sensor RTD. A baixa resistência do detector significa que você experimentará um pequeno efeito de autoaquecimento que fará com que suas medições sejam imprecisas, especialmente ao usar um sensor de 100 ohms, como o que estaremos analisando aqui. Poderíamos implementar o divisor de tensão para os RTDs de 1 quiloohm que pretendemos usar; no entanto, isso não vai ser tão divertido! Com o RTD de 100 ohms, esperamos poder ver um divisor de tensão apresentar um desempenho muito inferior e mostrar por que usar topologias alternativas é uma ideia muito melhor, apesar de sua complexidade adicional. A 0°C, devemos esperar ver cerca de 16,5 mA de corrente fluindo através do sensor RTD, o dobro do que seria o máximo ideal, e estou curioso para ver como isso influencia a temperatura sentida.

A placa de circuito para esta implementação é tão elementar quanto se poderia esperar, com apenas dois componentes extras adicionados em comparação com a placa modelo do projeto.

Mais uma vez, esta é uma ideia terrivelmente ruim para uma implementação de RTD. Ela vai gerar muito calor por si só para poder fazer uso de sua precisão e tolerâncias. Deixe os divisores de tensão simples para os dispositivos do tipo termistor.

Implementação de RTD: Ponte de Wheatstone Básica

Uma das maneiras mais precisas de medir resistência é usar uma ponte de Wheatstone. Uma ponte de Wheatstone usa duas pernas balanceadas em um circuito de ponte para medir a resistência desconhecida de um resistor em uma das quatro pernas. Se essa resistência desconhecida for um dispositivo como um sensor RTD, podemos fazer uma medição extremamente precisa da resistência desse dispositivo. Este circuito fornece uma mudança de tensão conforme a resistência muda, permitindo que um microcontrolador ou outro dispositivo de monitoramento meça a resistência do elemento desconhecido - o RTD, neste caso.

Estou planejando usar um microcontrolador nas placas hospedeiras que estaremos construindo mais adiante nesta série. Elas terão entradas diferenciais e um ADC de 16 bits conectado a esses pinos. Isso significa que podemos conectar a ponte de Wheatstone diretamente às entradas ADC diferenciais do microcontrolador. Isso não nos fornecerá tanta precisão quanto uma ponte de Wheatstone amplificada que discutiremos mais adiante neste artigo. No entanto, significa que também não introduziremos nenhum erro ou viés relacionado ao amplificador no sistema, o que reduz os requisitos de teste e calibração de fábrica do dispositivo. Isso também nos dará a chance de olhar para a saída bruta de uma ponte de Wheatstone com um sensor RTD.

Se a resolução da saída for suficiente para a aplicação, e um ADC com entradas diferenciais estiver disponível, esta é uma implementação simples. Com a adição de um amplificador operacional ou amplificador de instrumentação, a saída de tensão diferencial da ponte de Wheatstone pode ser aumentada, fornecendo uma tensão mais utilizável que é mais adequada para a resolução típica dos ADCs, e compatível com ADCs que não têm entradas diferenciais.

A ponte de Wheatstone terá zero volts através das saídas quando estiver perfeitamente equilibrada. Como é um circuito equilibrado, precisaremos usar resistores de alta precisão para alcançar isso. Além disso, como está sendo usado como um sensor de temperatura, precisamos usar resistores com baixo coeficiente de temperatura para minimizar erros. Todos os resistores que estou usando têm tolerância de 0,1% e um coeficiente de temperatura de 25 ppm/°C.

Para um RTD, configurado como descrito acima, isso significa que a ponte está equilibrada a uma temperatura de 0°C, pois ambos os lados da ponte têm o mesmo potencial a 0°C. Na temperatura máxima de detecção do sensor, por volta de 150°C, devemos esperar ver uma diferença de potencial de cerca de 0,344 V. Na temperatura mínima de detecção de -50°C, devemos ver uma diferença de potencial de cerca de -0,106 V. Tenha em mente que esses valores de tensão são relativos entre si; na verdade, não estamos criando um potencial de tensão negativa quando referenciado ao terra. Você verá que esta é uma faixa de tensão muito pequena. Uma faixa maior poderia ser alcançada usando valores menores de resistores no "topo" da ponte. No entanto, fazer isso excederia a quantidade de corrente que queremos ter fluindo através do RTD. A instalação de um resistor adicional em série com a fonte de 5 V poderia contrabalançar isso, reduzindo o fluxo de corrente total.

Mesmo com essa pequena mudança de tensão ao longo da faixa de detecção de temperatura, o ADC no NXP Kinetis que estou planejando usar nas placas host ainda deve fornecer cerca de 0,02°C de passos para a resolução do ADC. Esta é uma resolução suficiente para a maioria das aplicações práticas.

Você deve ter notado que estou alimentando este circuito com 5 V em vez dos 3,3 V limpos que usamos para tudo o mais. Usar a fonte de 5 V da porta USB que está alimentando a placa nos dá um pouco mais de faixa de tensão na saída. Como a ponte de Wheatstone está equilibrada, qualquer ruído de modo comum é automaticamente rejeitado pelo circuito, então ter um pouco de ruído presente na fonte da USB não é um grande problema, mesmo sem ter muita filtragem na própria placa.

Você também pode ter notado que esta placa tem uma ordem diferente para os canais analógicos; foi apenas mais fácil colocar essas saídas analógicas em uma nova pilha, já que vamos ter mais de dez entradas analógicas para o microcontrolador. Não faz diferença se as entradas estão em uma ordem diferente da ordem no artigo.

Para esta PCB, coloquei os outros elementos resistivos da ponte do outro lado da quebra térmica na placa. Não espero que qualquer calor gerado por esses componentes influencie a temperatura sentida, e isso mantém as placas consistentes com o componente de detecção de temperatura sempre estando sozinho dentro da quebra térmica.

Implementação de RTD: Amplificador Operacional com Compensação de Erro

Então, e se o seu microcontrolador não tiver um ADC diferencial, ou talvez nem tenha um ADC de alta resolução? Para obter a maior precisão de medição, prefiro usar um conversor de analógico para digital de 24 bits ou melhor, com um amplificador de ganho programável integrado. Vamos olhar para esta opção mais tarde neste artigo.

Enquanto uma ponte de Wheatstone é uma maneira fantástica de medir uma resistência desconhecida, o RTD ainda possui alguma não-linearidade, que afetará as medições. Existe uma alternativa, e de baixo custo, de esquemático que podemos usar para medir a resistência do RTD e também linearizar a saída do sensor para fornecer uma medição mais precisa. Neste circuito mostrado abaixo, R4 fornece uma tensão de excitação de pouco menos de 1 mA para o nosso RTD (R5). Para linearizar a saída, R3 fornece uma corrente de excitação que aumenta à medida que a temperatura sobe, o que ajuda a compensar qualquer não-linearidade do elemento RTD.

Os componentes escolhidos para este esquemático têm como objetivo fornecer uma saída de 1,65 V a 0°C; no entanto, acabaremos com um valor real um pouco desviado devido à necessidade de usar componentes de valores padrão. O objetivo é fornecer cerca de 25 mV/°C de ganho, então, na faixa máxima de detecção do sensor de 150°C, estamos maximizando a faixa de tensão de entrada para o ADC do microcontrolador ao fornecer um sinal de 3,3 V. Na realidade, obteremos uma tensão de entrada de cerca de 3,27 V a 150°C ao usar componentes do mundo real.

Este circuito deve nos fornecer um erro de temperatura muito pequeno em toda a faixa de operação do sensor.

O amplificador operacional usado neste circuito precisa de uma alimentação negativa para poder detectar e emitir em toda a gama de temperaturas que estaremos medindo. Atualmente, as tensões negativas são muitas vezes consideradas um pouco "assustadoras" para engenheiros novos ou menos experientes, mas são realmente fáceis de gerar se você só precisa fornecer uma pequena quantidade de corrente, como é o caso aqui. Em artigos de projetos anteriores, usei o dispositivo TPS60403 com ótimos resultados, e vou usá-lo novamente aqui, pois é uma maneira tão simples de gerar uma tensão negativa.

Isso nos dá uma pequena placa de circuito que realmente parece que vai fazer algo, comparada a algumas de nossas outras placas que só têm um par de resistores nelas.

Implementação de RTD: Amplificador de Instrumentação com Compensação Linear

Enquanto o circuito acima é uma excelente opção para implementar um RTD linearizado a baixo custo, podemos levar isso um passo adiante com apenas uma pequena despesa adicional. Ao mudar o amplificador operacional para um amplificador de instrumentação, podemos bufferizar a entrada mais barato do que se adicionássemos um amplificador de buffer ao amplificador operacional. O amplificador de instrumentação tem uma impedância de entrada muito alta, de modo que não vai enviesar a medição do sensor de forma quantificável.

Nosso circuito é muito semelhante ao design anterior, com R3 fornecendo uma corrente de polarização para o RTD (R5) que aumenta à medida que sua temperatura aumenta. R4 fornece uma corrente de excitação nominal de cerca de 0,9 mA, que, como mencionado anteriormente, está na região correta para um RTD.

Como na implementação anterior, também precisamos gerar uma tensão de alimentação negativa para o amplificador de instrumentação. Vamos manter as coisas simples e usar o mesmo circuito de fornecimento de tensão negativa para esta implementação que usamos para o amplificador operacional.

Implementação do RTD: Ponte de Wheatstone Digitalizada

O circuito amplificado discutido acima é uma ótima maneira de ver e entender o que está acontecendo, mas o número de resistores e amplificadores adicionais que precisamos introduzirá erro e viés extras em nossa medição. Um amplificador de ganho programável para um conversor analógico para digital (PGA-ADC) é essencialmente o mesmo circuito que vem em um único pacote completo com um ADC. No entanto, tem a vantagem de ser ajustado e compensado na fábrica, entregando uma amplificação e conversão mais precisas. Ao implementar isso nós mesmos usando múltiplos componentes discretos, acabamos com uma acumulação de tolerâncias que, em um mundo ideal, seria imperceptível. Mas potencialmente, isso poderia ser menos que perfeito, dependendo de quais valores de resistores colocamos com qual tipo de amplificador.

A ponte de Wheatstone digitalizada é essencialmente o mesmo circuito que usamos com a implementação básica da ponte, exceto que o capacitor de desacoplamento entre as saídas da ponte foi removido. Em vez disso, haverá um capacitor instalado na seção de filtragem da entrada do ADC. A ponte também não está mais conectada diretamente ao terra, pois o ADC possui um interruptor interno conectando-o ao terra. Isso garante que todas as nossas conexões terminem no ADC. Eu também adicionei um capacitor de desacoplamento, C6, entre a fonte de 5 V e o terra da ponte.

Estou usando o dispositivo Texas Instruments ADS1220IPWR, que é a minha escolha principal para PGA-ADC em pontes de Wheatstone. É um ADC de 24 bits, o que fornece muito mais resolução do que precisamos para esta aplicação. No entanto, achei que seria interessante olhar para os dados de resolução completa que ele pode entregar. Embora a folha de dados contenha vários exemplos de implementação para usar conexões de dois, três e quatro fios para um RTD, não vamos usar nenhum destes para este exemplo. Para o propósito deste projeto, vamos simplesmente conectar as saídas diferenciais da ponte de Wheatstone diretamente às entradas. Como os exemplos de implementação estão bem documentados na folha de dados do ADS1220, não vejo nenhuma vantagem em redemonstrá-los aqui. Em vez disso, estou mais interessado em mostrar as leituras vindas diretamente da ponte de Wheatstone bruta para permitir uma comparação direta com os circuitos previamente discutidos. Desta forma, podemos comparar e contrastar a eficácia deles.

O esquemático para o ADC é bastante típico para conexão a uma ponte de Wheatstone. Usaremos o interruptor interno para conectar REFN1 ao terra, com o ADC sendo alimentado por 5 V (AVDD) e também recebendo uma entrada de referência de 5 V (REFP1). As mudanças de temperatura pelas quais passaremos a placa não incluirão mudanças ou oscilações de temperatura instantâneas substanciais, então podemos implementar um filtro razoavelmente agressivo para rejeitar qualquer ruído de modo comum.

Para esta implementação, estou segurando as duas linhas de seleção de chip. Quando usei o ADS1120 no passado, achei o interruptor do pino DRDY muito útil para notificar o microcontrolador de quando ele pode fazer uma leitura. Usar esse recurso é muito mais fácil do que ficar constantemente sondando o ADC com o equivalente a "Já chegamos? Já chegamos?". O pino DRDY nos permite fazer a leitura do ADC assim que uma conversão é completada, garantindo que o carimbo de data/hora nos dados seja o mais preciso possível. A linha de seleção de chip para o pino DRDY será simplesmente conectada a uma linha de entrada de interrupção no microcontrolador que estamos usando para este dispositivo.

Uma alternativa mais barata ao ADS1220 é a série ADS1120, que possui o mesmo layout de pinos e funcionalidade, mas apenas com uma resolução de 16 bits. Um ADC amplificado de 16 bits, como esta série de dispositivos, será mais do que suficiente para aplicações típicas de medição de temperatura e excederá as capacidades do detector por uma margem significativa.

Outras Opções: IC Conversor de RTD

Além de medir a temperatura lendo uma tensão de um divisor de tensão ou uma ponte de Wheatstone, também podemos usar um amplificador de sensor de temperatura como os que vamos examinar para uso com termopares. Esses ICs fornecerão uma saída de temperatura digital em vez de um nível de tensão e, tipicamente, incorporam toda a circuitaria de amplificação e compensação necessária para fornecer a medição de temperatura mais precisa que o sensor pode entregar. O custo desta opção pode ser um fator significativo, mas também o é o custo de usar um PGA-ADC, como discutido acima. Usar um PGA-ADC proporciona uma melhor experiência de aprendizado e demonstração para este artigo, por isso não vamos examinar em detalhe um IC conversor de RTD.

Resumo

Apesar de construir quatro placas de circuito diferentes para esta parcela da nossa série sobre sensores de temperatura, apenas tocamos em algumas das muitas maneiras diferentes que você pode utilizar um sensor RTD. Com sensores de dois, três e quatro fios a considerar, e também a capacidade de implementar esses esquemáticos com sensores montados na placa, existe uma ampla gama de maneiras diferentes de interagir com um RTD. Os RTDs estão entre os sensores de temperatura mais versáteis disponíveis, com excelente precisão e valores de tolerância e uma enorme faixa de detecção de temperatura disponível em alguns dispositivos.

Como eu disse várias vezes, o Texas Instruments ADS1220 é um dos meus ADCs de alta resolução favoritos. Suponha que você esteja interessado em ver algumas outras topologias para medir a temperatura usando RTDs. Nesse caso, o datasheet do ADS1220 tem implementações para todas as diferentes configurações de um RTD, que você poderia adaptar para as suas próprias necessidades de ADC/amplificação se o dispositivo ADS1220 estiver além do orçamento do seu projeto.

Você pode encontrar detalhes de cada uma dessas placas de circuito de teste com todas as outras implementações de sensores de temperatura no GitHub. Essas placas são liberadas sob a licença de código aberto MIT, então você está livre para construí-las você mesmo, implementar seus circuitos em seus próprios projetos ou usá-las da maneira que desejar.

Certifique-se de dar uma olhada nos outros projetos desta série se você tem interesse em sensores de temperatura, pois você pode encontrar uma alternativa mais barata ao uso de um RTD ou outra opção que poderia funcionar para o seu projeto. Ao final desta série, você verá uma comparação entre todos os diferentes tipos de sensores, para que possa comparar diretamente como as diferentes implementações de sensores se comportam em condições variadas uma em relação à outra.

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