Un'introduzione ai circuiti di condizionamento del segnale del sensore RTD

Negli articoli precedenti di questa serie, abbiamo discusso i principi di base dei rilevatori di temperatura a resistenza (RTD) e come è caratterizzata la loro risposta. Questo articolo discuterà le basi di diversi circuiti di condizionamento del segnale per applicazioni RTD.

È possibile utilizzare un semplice partitore di tensione resistivo per convertire le variazioni della resistenza dell'RTD in un segnale di tensione. La Figura 1 mostra uno schema circuitale tipico per un RTD al platino. Il Pt1000 nella figura indica un RTD in platino con una resistenza nominale di 1000 Ω a 0 °C.

Come la maggior parte dei sensori resistivi, i sensori RTD cambiano di una percentuale relativamente piccola in risposta alle variazioni della quantità fisica misurata. Tenendo presente questo, Pt1000 ha un coefficiente di temperatura di circa 3,85 Ω/°C. Vediamo quanto sono grandi le variazioni di tensione sul nodo A.

Supponiamo di dover misurare la temperatura con una risoluzione di 0,2 °C, il che può essere un requisito relativamente impegnativo. Se la temperatura cambia da 0 °C a 0,2 °C, la resistenza del sensore aumenta da 1000 Ω a 1000,77 Ω. Ciò comporta di conseguenza la variazione della tensione del nodo A da 1,5 V a 1,500577 V, come di seguito calcolato:

\[V_{A}=\frac{R_{rtd}}{R_{rtd}+R_{1}}\times V_{exc}=\frac{1000.77\times3}{1000.77+1000}=1.500577V\]

Pertanto, una variazione della temperatura di 0,2 °C modifica la tensione del nodo A di circa 577 μV. Possiamo misurare direttamente VA per determinare il valore e la temperatura della resistenza RTD; tuttavia, il nostro sistema di misurazione dovrebbe avere una risoluzione sufficiente per rilevare variazioni di frazioni di millivolt in un segnale da 1,5 V. Dividendo 1,5 V per la dimensione del passo minima richiesta (577 μV), possiamo stimare i conteggi privi di rumore del convertitore analogico-digitale, che funzionano come segue:

\[Rumore\,Libero\,Conteggi=\frac{1,5V}{577 \mu V}\circa2600\,Conteggi\]

Ciò corrisponde ad una risoluzione priva di rumore di circa log2(2600) = 11,34 bit. Tieni presente che questo ci fornisce solo un valore approssimativo della risoluzione A/D. Il requisito effettivo è più severo e dipende dall'intervallo di temperatura per il quale è progettato il termometro. Inoltre, abbiamo modellato l'RTD con un coefficiente di temperatura costante di 3,85 Ω/°C, mentre gli RTD sono in realtà dispositivi non lineari.

Una risoluzione priva di rumore di 11 bit può essere facilmente ottenuta con gli attuali convertitori delta-sigma (ΔΣ). Pertanto, possiamo utilizzare il circuito nella Figura 1, insieme a un convertitore ΔΣ, per digitalizzare direttamente la tensione attraverso l'RTD.

Decenni fa, tuttavia, tali convertitori di dati ad alte prestazioni non erano disponibili né economici; inoltre i progettisti di circuiti hanno utilizzato tecniche come i circuiti a ponte di Wheatstone per le misurazioni RTD. Sebbene i circuiti a ponte siano ancora comunemente utilizzati in altre aree, come le applicazioni di rilevamento di forza e pressione, vengono utilizzati raramente per le misurazioni RTD. Nonostante ciò, per ragioni di completezza, discuteremo brevemente di seguito come un circuito a ponte può allentare i requisiti del convertitore analogico-digitale (ADC).

Un ponte di Wheatstone di base per la misurazione Pt1000 è mostrato nella Figura 2.

La tensione di uscita è la differenza di tensione tra i due rami. Infatti, un circuito a ponte trasforma la misura single-ended da un semplice ramo partitore di tensione a una misura differenziale. In questo caso l'uscita è 0 V quando il ponte è bilanciato (a 0 °C). Se la temperatura aumenta di 0,2 °C, l'uscita aumenta a 577 μV come calcolato di seguito:

\[V_{OUT}=V_{A}-V_{B}=\frac{1000.77\times3}{1000.77+1000}-\frac{1000\times3}{1000+1000}=577\mu V\]

In questo caso, il segnale desiderato che riflette le variazioni della resistenza dell'RTD non si sovrappone a un segnale CC di grandi dimensioni. L'output contiene solo il segnale che vogliamo misurare. Per determinare la risoluzione priva di rumore dell'ADC, dovremmo considerare i valori massimo e minimo di VOUT sull'intero intervallo di temperatura del termometro. Supponiamo di dover misurare l'intervallo da -40 °C a 150 °C. La resistenza dell'RTD cambia da 842,47 Ω a 1573,25 Ω in questo intervallo di temperature. Possiamo utilizzare queste informazioni per determinare il valore massimo e minimo di VOUT come calcolato nella Tabella 1 di seguito: