Minimizar los errores en los sistemas de adquisición de datos de RTD multiplexados a 3 hilos

Sensores de temperatura de resistencia (RTD) controlan la temperatura en muchas aplicaciones industriales. En un sistema de control distribuido (DCS) o controlador lógico programable (PLC), un módulo de adquisición de datos puede controlar la temperatura de muchas RTDs situadas a distancia. En las aplicaciones de alto rendimiento, la mejor precisión se conseguirá si cada RTD tiene su propio circuito controlador y ADC, pero el módulo de adquisición de datos será grande, caro y consumirá mucha energía. La multiplexación permite que el módulo sea más pequeño, menos caro y que consuma menos energía, pero puede perderse algo de precisión. Este artículo explica cómo minimizar los errores en un sistema multiplexado.

Estructura del circuito

Los RTD están disponibles en configuraciones de 2, 3 y 4 hilos, siendo los dispositivos de 2 hilos los más baratos y los de 4 hilos los más precisos. Utilizados habitualmente en aplicaciones industriales, los RTD de 3 hilos pueden ser energizados por dos fuentes de corriente idénticas para anular la resistencia de los hilos. Cuando se utiliza con una resistencia de referencia de precisión, los errores de la fuente de corriente no afectan a la precisión de la medición. Los ADC de alto rendimiento, como el AD7792 y el AD7793, incorporan las fuentes de corriente de excitación, lo que los hace ideales para las mediciones de RTD de alta precisión.

La figura 1 muestra dos RTD de 3 hilos excitados por las fuentes de corriente integradas. El canal de la RTD se selecciona mediante un multiplexor, como el conmutador triple SPDT de alta tensión y resistente al latch-up ADG5433.

Sólo se puede medir una RTD a la vez. S1A, S1B y S1C están cerrados para medir la RTD nº 1; S2A, S2B y S2C están cerrados para medir la RTD nº 2. Un solo ADG5433 puede conmutar dos RTD de 3 hilos; se pueden añadir multiplexores adicionales para manejar más de dos sensores RL_XXrepresenta la resistencia introducida por los cables largos entre la RTD y el sistema de medición, más la en la resistencia de los interruptores.

Calcula la resistencia de la RTD

Con S1A, S1B y S1C cerrados para medir la RTD nº 1, la resistencia de la RTD puede calcularse como sigue:

Por tanto, la medición sólo depende del valor (y la precisión) de R_REF. Recuerda, sin embargo, que hemos asumido que I_OUT1 = I_OUT2 y RL_1A = RL_1B = RL_1C. De hecho, los desfases de estas corrientes y resistencias son la principal fuente de error de medición.

Impacto de las fuentes de corriente desajustadas y de las resistencias de los cables

A continuación, supongamos que ambas fuentes de corriente están desajustadas, de modo que I_OUT2 = (1 + x) I_OUT1. Ahora considera lo siguiente:

Observa que el desajuste crea tanto un error de desplazamiento como un error de ganancia. El error de desplazamiento está relacionado con el desajuste entre las dos resistencias de paso, mientras que el error de ganancia está relacionado con el desajuste entre las dos fuentes de corriente. Si no se tienen en cuenta estos desajustes, el valor calculado de la resistencia de la RTD, basado en los datos leídos por el ADC, será incorrecto.

Utilizando una RTD de 200-Ω como ejemplo, la Tabla 1 muestra los valores adquiridos cuando no se tienen en cuenta los desajustes, dado R_REF = 1000 Ω, I_OUT1 = 1 mA, I_OUT2 > I_OUT1 en el porcentaje indicado, RL_1A = 10 Ω, y RL_1C > RL_1A por la resistencia indicada.

Tabla 1. Valores medidos de la RTD cuando no se tienen en cuenta los desajustes

RL1C - RL1A (IOUT2 - IOUT1)/IOUT1	0.01 Ω	0.1 Ω	1 Ω
0.1%	199.88	199.79	198.89
0.5%	199.44	199.35	198.45
1.0%	198.90	198.81	197.90

Minimizar los errores

Los datos muestran que los pequeños desajustes degradan gravemente la precisión y que hay que utilizar fuentes de corriente e interruptores bien ajustados para mejorar el rendimiento.

La función de transferencia es lineal, por lo que los errores iniciales debidos a desajustes de la fuente de corriente y de las resistencias pueden calibrarse fácilmente. Por desgracia, el desajuste varía con la temperatura, lo que dificulta la compensación. Por lo tanto, es importante utilizar dispositivos que tengan una baja deriva con la temperatura.

Con I_OUT1 ≠ I_OUT2y las fuentes de alimentación están conectadas como se indica:

Supongamos que intercambiamos I_OUT1 y I_OUT2para que I_OUT1 ahora se conecta a V_ES- y I_OUT2 ahora se conecta a V_IN+]:

Ahora, si sumamos los resultados de una conversión con las fuentes de corriente conectadas en la orientación original y una segunda conversión con las fuentes de corriente intercambiadas, el resultado es el siguiente

Observa que la medición es ahora independiente del desplazamiento de la fuente de corriente. El único inconveniente es la pérdida de velocidad, ya que se necesitan dos conversiones para cada cálculo de la RTD.

El AD7792 y el AD7793 están diseñados para esta aplicación. Como se muestra en la Figura 2, los interruptores incorporados permiten conmutar fácilmente las fuentes de corriente a los pines de salida escribiendo en un registro de E/S.

Conclusión

Intercambiar las fuentes de corriente de excitación en el AD7792/AD7793 puede mejorar la precisión en un circuito de medición de RTD multiplexado. Los cálculos muestran la importancia de los desajustes entre las fuentes de corriente y las resistencias de los cables.

Ссылки

Kester, Walt, James Bryant y Walt Jung. "Sensores de temperatura" Acondicionamiento de las señales de los sensoressección 7. Analog Devices, Inc. 1999.