Realización de Mediciones de Temperatura con RTD: Guía Práctica

Actualizado el Jun 4, 2021

Ambiente

Hardware

  • CompactDAQ Chassis

Software

  • LabVIEW

Controlador

  • NI-DAQmx

Sistema Operativo

  • Windows

Este documento es parte de la guía práctica para el portal de recursos centralizado de las mediciones más comunes.

Descripción general de RTD

Un detector de temperatura de resistencia de platino (RTD) es un dispositivo con una resistencia típica de 100 Ω a 0 ° C. Consiste en una fina película de platino sobre una película de plástico. Su resistencia varía con la temperatura y normalmente puede medir temperaturas de hasta 850 ° C. El paso de corriente a través de un RTD genera un voltaje a través del RTD. Al medir este voltaje, puede determinar su resistencia y, por lo tanto, su temperatura. La relación entre resistencia y temperatura es relativamente lineal.

Figura 1. Arquitectura física de un RTD
Fundamentos de RTD

Los RTD funcionan según el principio de cambios en la resistencia eléctrica de los metales puros y se caracterizan por un cambio lineal positivo en la resistencia con la temperatura. Los elementos típicos utilizados para los RTD incluyen níquel (Ni) y cobre (Cu), pero el platino (Pt) es, con mucho, el más común debido a su amplio rango de temperatura, precisión y estabilidad.

Los RTD se construyen utilizando una de dos configuraciones de fabricación diferentes. Los RTD bobinados se crean enrollando un cable delgado en una bobina. Una configuración más común es el elemento de película delgada, que consiste en una capa muy delgada de metal colocada sobre un sustrato de plástico o cerámica. Los elementos de película delgada son más baratos y están más disponibles porque pueden lograr resistencias nominales más altas con menos platino. Para proteger el RTD, una cubierta de metal encierra el elemento RTD y los cables conductores conectados a él.

Popular debido a su estabilidad, los RTD exhiben la señal más lineal con respecto a la temperatura de cualquier sensor de temperatura electrónico. Sin embargo, generalmente son más caras que las alternativas debido a la cuidadosa construcción y uso del platino. Los RTD también se caracterizan por un tiempo de respuesta lento y baja sensibilidad y, debido a que requieren excitación de corriente, pueden ser propensos a autocalentarse.

Los RTD se clasifican comúnmente por su resistencia nominal a 0 ° C. Los valores de resistencia nominal típicos para RTD de película delgada de platino incluyen 100 y 1000 Ω. La relación entre resistencia y temperatura es casi lineal y sigue esta ecuación:

Para <0 ° C RT = R0 [1 + aT + bT2 + cT3 (T - 100)] (Ecuación 1)

Para> 0 ° C RT = R0 [1 + aT + bT2]

Donde RT = resistencia a temperatura T

R0 = resistencia nominal

a, byc = constantes utilizadas para escalar el RTD

La curva de resistencia / temperatura para un RTD de platino de 100 Ω, comúnmente conocido como Pt100, se muestra en la Figura 2.

Figura 2. Curva de resistencia-temperatura para un RTD de platino de 100 Ω, a = 0,00385
Esta relación parece relativamente lineal, pero el ajuste de curvas suele ser la forma más precisa de realizar una medición RTD precisa.

El RTD más común es la película delgada de platino con un a de 0,385% / ° C y se especifica según DIN EN 60751. El valor de a depende del grado de platino utilizado, y también suele incluir 0,3911% / ° C y 0,3926% / ° C. El valor a define la sensibilidad del elemento metálico, pero normalmente se usa para distinguir entre las curvas de resistencia / temperatura de varios RTD.

Cuadro 1. Coeficientes de Callendar-Van Dusen correspondientes a RTD comunes
EstándarCoeficiente de temperatura (a)UNAsegundoC
DIN 437600,003850
americano0,003911
ITS-900,003926
* Solo para temperaturas inferiores a 0 ° C; C = 0.0 para temperaturas superiores a 0 ° C.

Cómo realizar una medición de RTD

Medición de temperatura con RTD

Todos los RTD generalmente vienen en una combinación de color de cable rojo y negro o rojo y blanco. El cable rojo es el cable de excitación y los cables negro o blanco son cables de tierra. Si no está seguro de qué cables están conectados a qué lado del elemento resistivo, puede usar un multímetro digital (DMM) para medir la resistencia entre los cables. Si hay una resistencia cercana a 0 Ω, entonces los cables están conectados al mismo nodo. Si la resistencia está cerca de la resistencia de calibre nominal (100 Ω es una resistencia de calibre nominal de RTD común), entonces los cables que está midiendo están en el lado opuesto del elemento resistivo. Además, consulte la especificación RTD para encontrar el nivel de excitación para ese dispositivo en particular.

La mayoría de los instrumentos ofrecen configuraciones de clavijas similares para mediciones RTD. El siguiente ejemplo demuestra una medición de RTD usando un chasis NI CompactDAQ y el módulo NI 9217 RTD (Figura 3). Para sistemas de medición de mayor cantidad de canales, NI proporciona el módulo de entrada RTD PXIe-4357.


Figura 3. Chasis NI CompactDAQ y el Módulo RTD NI 9217

Figura 4 . Módulo RTD PXIe-4357

Un RTD es un dispositivo de medición pasivo; por lo tanto, debe suministrarle una corriente de excitación y luego leer el voltaje en sus terminales. Luego puede transformar fácilmente esta lectura a temperatura con un algoritmo simple. Para evitar el autocalentamiento, que es causado por la corriente que fluye a través del RTD, minimice esta corriente de excitación tanto como sea posible. Básicamente, existen tres métodos diferentes para medir la temperatura utilizando RTD.

Conexión de señal RTD de dos cables

Conecte el cable RTD rojo al positivo de excitación. Coloque un puente desde el pin positivo de excitación al positivo del canal en el dispositivo de adquisición de datos. Conecte el cable RTD negro (o blanco) al negativo de excitación. Coloque un puente desde el negativo de excitación al negativo del canal en el dispositivo de adquisición de datos.


Figura 4. Medición RTD de dos cables

En el método de dos cables, los dos cables que proporcionan al RTD su corriente de excitación y los dos cables a través de los cuales se mide el voltaje del RTD son los mismos.

La forma más sencilla de tomar una lectura de temperatura con un RTD es utilizando el método de dos cables; sin embargo, la desventaja de este método es que si la resistencia del conductor en los cables es alta, el voltaje medido, VO, es significativamente más alto que el voltaje que está presente en el RTD mismo. El NI 9217 no admite configuraciones de medición de dos cables.

Conexión de señal RTD de tres cables

Conecte el cable RTD rojo al positivo de excitación. Coloque un puente desde el pin positivo de excitación al canal positivo en el dispositivo de adquisición de datos (Nota: Este paso no es necesario con el NI 9217; conecta internamente estos dos canales, vea a continuación). Conecte uno de los cables RTD negros (o blancos) a la excitación negativa y el otro al canal negativo.

La Figura 5 muestra las conexiones externas para la medida, así como los pines para el módulo NI 9217 RTD. El positivo de excitación está conectado a RTD0 + porque el NI 9217 lo conecta internamente al terminal de excitación.


Figura 5. Medición RTD de tres cables

Conexión de señal RTD de cuatro cables

Para conectar este RTD, simplemente conecte cada uno de los cables rojos en el lado positivo del elemento resistivo al positivo de excitación y al positivo del canal en el dispositivo de adquisición de datos. Conecte los cables negros (o blancos) en el lado negativo del elemento resistivo a la excitación y el canal negativo en el dispositivo de adquisición de datos. Los dos cables adicionales de un RTD de dos cables aumentan la precisión alcanzable. La Figura 6 muestra las conexiones externas para la medida, así como los pines para el módulo NI 9217 RTD.


Figura 6. Medición RTD de cuatro cables

El método de cuatro hilos tiene la ventaja de no verse afectado por las resistencias de los conductores porque se encuentran en una ruta de alta impedancia que atraviesa el dispositivo que realiza la medición de voltaje; por lo tanto, obtiene una medición mucho más precisa del voltaje a través del RTD.

Consideraciones sobre el ruido RTD

Las señales de salida RTD normalmente se ejecutan en el rango de milivoltios, lo que las hace susceptibles al ruido. Los filtros de paso bajo están comúnmente disponibles en los sistemas de adquisición de datos RTD y pueden eliminar efectivamente el ruido de alta frecuencia en las mediciones RTD. Por ejemplo, los filtros de paso bajo son útiles para eliminar el ruido de la línea eléctrica de 60 Hz que prevalece en la mayoría de los entornos de laboratorio y plantas.

También puede mejorar significativamente el rendimiento de ruido de su sistema amplificando los voltajes RTD de bajo nivel cerca de la fuente de señal. Debido a que los niveles de voltaje de salida de RTD son muy bajos, debe elegir una ganancia que optimice los límites de entrada del convertidor de analógico a digital (ADC).

Como ver la medición: NI LabVIEW

Una vez que haya conectado el sensor al instrumento de medición, puede usar el software de programación gráfica LabVIEW para visualizar y analizar los datos según sea necesario.


Figura 7. Medición de LabVIEW RTD