Como medir a temperatura com sensores RTD [pt100, pt200, pt1000, ...]

Escrito por Grant Maloy Smith, o especialista em aquisição de dados

Neste artigo, discutiremos como a temperatura é medida com sensores RTD atualmente, com detalhes suficientes para que você:

• Veja o que são RTDs e como funcionam
• Aprenda os tipos básicos de RTDs disponíveis e como eles são usados
• Entenda como RTDs podem interagir com seu sistema DAQ

Você está pronto para começar? Vamos!

Introdução

Você sabia que a temperatura é a medição física MAIS registrada? Saber a temperatura é fundamental para o funcionamento correto de tudo, desde o corpo humano até o motor de um automóvel, e tudo mais.

A temperatura é medida com sensores de temperatura apropriados. Existem vários sensores de temperatura usados para isso, e oferecemos suporte a todos eles:

• Sensores de termopar (consulte Medição de temperatura com sensores de termopar)
• Sensores RTD (descritos neste artigo)
• Sensores de termistor (consulte Medição de temperatura com sensores de termistor)

Neste artigo, examinamos especificamente o sensor RTD, um dos sensores de temperatura mais populares do mundo.

O que é um sensor RTD?

Comparado com o termopar, o RTD (Detector de temperatura de resistência) é geralmente mais linear e livre de desvios dentro de sua faixa de medição. No entanto, devido ao seu conteúdo de platina e construção mais complexa, eles são mais caros do que os termopares. RTDs às vezes também são chamados de "termômetros de resistência".

Sensor RTD típico

Os RTDs são amplamente utilizados em aplicações científicas e laboratoriais, aplicações industriais e aplicações de fabricação farmacêutica. O denominador comum entre essas aplicações é que a precisão e o desempenho sem desvios são mais importantes do que o custo, colocando o RTD à frente do termopar na seleção do tipo de sensor.

Mas eles também são muito usados em produtos de consumo. Provavelmente existem dezenas deles em sua casa agora, dentro de sua máquina de lavar louça, secadora de roupas, torradeira ou torradeira, o termostato na parede, seu ar condicionado, geladeira, freezer - até mesmo seu telefone celular! Obviamente, essas são versões muito pequenas e baratas do RTD.

Tipos de sensores RTD

Existem três tipos principais de construção do sensor RTD:

• RTDs Wire-Wound
• RTDs de filme fino
• RTDs de elemento enrolado

Cada um tem vantagens e desvantagens. Vamos dar uma olhada neles.

RTDs Wire-Wound

O sensor RTD enrolado em fio é feito de fio fino (o fio de resistência que fará a detecção) enrolado em torno de um núcleo não condutor, que geralmente é feito de cerâmica. Platina, níquel e cobre são mais comumente usados para o fio de resistência porque cada um deles tem uma relação temperatura / resistência muito linear e precisa. Mostraremos mais sobre cada metal nos próximos parágrafos.

Sensor RTD enrolado em fio típico

O fio é cortado com precisão até que a resistência especificada a 0 ° C seja alcançada. Isso é conhecido como resistência “R0”. É fundamental que o fio de resistência seja impedido de dobrar ou torcer conforme a temperatura aumenta, porque esse estresse mecânico causará uma mudança na resistência, o que distorcerá a medição.

Esta construção é relativamente frágil, razão pela qual os RTDs são geralmente protegidos com um revestimento de vidro e até mesmo instalados dentro de uma bainha de metal. Esta é a próxima etapa da fabricação, junto com a fixação dos fios condutores.

RTDs de filme fino

Os sensores RTD de filme fino são feitos de um substrato de cerâmica sobre o qual uma película muito fina de platina é depositada. Para proteger a montagem e o filme, vidro ou epóxi são normalmente aplicados como revestimento. A maioria dos RTDs de filme fino são úteis apenas até 300 ° C, embora certas configurações especiais permitam faixas mais altas.

Sensor RTD de filme fino típico

Os RTDs de filme fino custam menos do que as variedades enrolada e enrolada com fio e, portanto, são muito populares em aplicações industriais. Mas eles não são tão precisos quanto os outros tipos, porque o R0 não pode ser ajustado com tanta precisão. Eles também estão mais sujeitos ao fenômeno de autoaquecimento devido ao seu tamanho menor.

RTDs de elemento enrolado

Nesta configuração, o fio de resistência é formado em bobinas muito pequenas que podem expandir e contrair com as mudanças de temperatura. Isso evita que o estresse mecânico induzido pela temperatura altere a resistência e, assim, afete a medição. Essas bobinas são instaladas dentro de um corpo de cerâmica e, em seguida, envolvidas por um pó não condutor.

Sensor RTD de elemento enrolado típico

RTDs de elemento espiralado são muito populares em aplicações industriais. Freqüentemente, são instalados dentro de uma bainha de metal para protegê-los.

Como os RTDs medem a temperatura

Ao contrário dos termopares, que são sensores passivos, os RTDs operam com base no princípio da resistência elétrica. É necessário passar uma pequena corrente por eles para medir uma mudança na resistência. Portanto, o condicionador de sinal do sistema DAQ precisa fornecer energia a esse sensor ou "excitação" para ler a saída.

Os RTDs operam com base no princípio de que certos metais têm uma relação excepcionalmente estável e precisa entre resistência e temperatura. O cobre tem a melhor relação resistência x temperatura, no entanto, não funciona tão bem em altas temperaturas quanto os RTDs de platina.

R v. T

Em outras palavras, a quantidade de mudança de resistência observada por mudança na temperatura é altamente linear e repetível. Isso também é conhecido como coeficiente de resistência de temperatura.

Ao medir essa mudança de resistência, podemos medir a mudança de temperatura. Vários metais fornecem diferentes precisões, bem como diferentes faixas de operação de temperatura.

Tipo RTD	Faixa Máxima de Medição	Estabilidade	Resistência à corrosão	Linearidade R vs T
Platina	-200 para 850°C	Excelente	Excelente	Bom
Níquel	-80 para 260°C	Justo	Bom	Justo
Cobre	-200 para 260°C	Bom	Justo	Excelente

Comparação de nível superior dos três principais tipos de RTD

O que é uma relação de resistência de RTD?

A inclinação da mudança na resistência versus a mudança na temperatura é conhecida como razão de resistência. Especificamente, é a inclinação média ao longo da mudança de 0 ° C (R0) a 100 ° C (R100). Isso é escrito como:

(R100 - R0) / R0

O metal específico que escolhemos - platina, níquel ou cobre - tem a maior influência na relação de resistência. Mas também a pureza do metal em si é um fator. Por exemplo, os RTDs usados em aplicações científicas usam o padrão de platina mais puro, enquanto os RTDs usados em aplicações industriais que não requerem tanta precisão, podem usar platina um pouco menos pura.

Tipo RTD	Resistência a 0 ° C (típico)	Resistência a 100 ° C (típico)	Razão de resistência	Alfa (α)
Platina	100 Ω	138.5 Ω	0.385	0.00385
Níquel	120 Ω	200.64 Ω	0.672	0.00672
Cobre	9.035 Ω	12.897 Ω	0.427	0.00427

Comparação de resistências e alfa

A taxa de resistência da platina é particularmente ampla, razão pela qual eles têm uma faixa de medição mais ampla do que o níquel ou o cobre.

A constante “Alpha” (α) é simplesmente a razão de resistência dividida por 100.

Modelos RTD

Platinum é a escolha mais popular em RTDs, então você verá referências a modelos de RTD, como sensores PT100 (ou também sondas pt100). O “PT” significa “platina” e o 100 Ω é a resistência a 0 ° C (este é o “R0”). O PT100 Platinum RTD é o RTD mais popular do mercado atualmente.

PT            100

Platinum        O valor R0

Também está disponível o modelo PT1000, que possui 10 vezes a resistência nominal a 100 ° C. A saída do sensor também é maior. E embora os modelos PT100 estejam disponíveis em vários tipos (enrolado com fio e filme fino), os modelos PT1000 geralmente estão disponíveis apenas em tipos de filme fino.

Sensor RTD Pt100 de platina típico

Sendo o padrão de fato, os PT100s são compatíveis com uma ampla gama de instrumentos e aplicações. No entanto, existem vantagens que os PT1000s oferecem. Por exemplo, eles são melhores quando os fios condutores são muito longos, devido à sua maior resistência. Maior resistência também significa menos autoaquecimento e menos consumo de energia, o que é ideal para aplicações alimentadas por bateria.

Deve-se notar que existe um modelo PT500, onde 500 Ω é a resistência a 0 ° C. Mas é relativamente raro em comparação com o PT100 ou PT1000. Existe também um modelo PT2000 com um R0 de 2 kΩ a 0 ° C.

Métodos de fiação RTD

Embora em seu núcleo um RTD seja um sensor de 2 fios, a adição de um ou mesmo mais dois fios (conexão de 3 e 4 fios) fornece melhor compensação contra autoaquecimento e resistência do fio condutor e, portanto, é altamente recomendado. Portanto, embora uma conexão de 2 fios seja possível, os condicionadores de sinal Dewesoft suportam melhor as conexões de 3 e 4 fios para fornecer a melhor precisão possível.

Conexão RTD de 3 fios

Em uma conexão típica de 3 fios, as saídas do RTD são conectadas aos pinos 1 (In +) e 2 (In-) do condicionador de sinal. A excitação positiva (Exc +) é aplicada a partir do pino 4, que percorre todo o caminho através do cabo do sensor até o RTD. A excitação negativa (Exc -) é conectada aos pinos 2 e 3 no sistema DAQ. O dreno da blindagem do cabo é conectado apenas ao condicionador de sinal para evitar um loop de aterramento.

Este cabo do sensor, portanto, deve ter três fios nele e uma blindagem trançada ou metálica.

Conexão RTD de 4 fios

A conexão de 4 fios é semelhante, exceto que as linhas positivas e negativas das excitações percorrem todo o cabo até o RTD. Este método fornece o melhor desempenho possível em termos de rejeição da resistência do fio condutor e erros de autoaquecimento.

Este cabo do sensor, portanto, deve ter quatro fios nele e uma blindagem trançada ou metálica.

O padrão de precisão DIN RTD

A precisão predominante aceita para RTDs é a curva padrão DIN. É baseado na relação R v. T de um sensor PT100. O padrão especifica uma resistência básica de 100 Ω a 0 ° C com um Alpha (α) de 0,00385.

A temperatura em graus C	Resistência
0	100.00
10	103.90
20	107.79
30	111.67
40	115.54
50	119.40
60	123.24
70	127.07
80	130.89
90	134.70
100	138.50

RTDs especificados pela DIN têm três classes de tolerância padrão:

Classe DIN	Tolerância
Classe A	±(0.15 + 0.002 |T|°C)
Classe B	±(0.3 + 0.005 |T|°C)
Classe C	±(1.2 + 0.005 |T|°C)

Quando escolher platina, níquel ou cobre?

Como os três principais tipos de metal de RTDs são escolhidos e por quê? Esta tabela mostra as principais aplicações para RTDs de platina, níquel e cobre.

Tipo RTD	Aplicações Principais
Platina	Aplicações científicas e farmacêuticas (é usada platina de grau laboratorial) Aplicações industriais (é usado o padrão IEC 60751) Aplicações que requerem as mais amplas faixas de temperatura
Níquel	Aplicações sensíveis a preços, como HVAC, produtos de consumo (secadores de cabelo, secadores de roupa, lava-louças, etc). (Aplicações abaixo de 300 ° C, onde o níquel se torna cada vez mais não linear)
Cobre	Principalmente aplicações industriais, especialmente aplicações eletromecânicas, como motores elétricos, enrolamentos, geradores de energia, porque o cobre tem as mesmas características desses objetos de teste. Aplicações que requerem a melhor linearidade inerente em uma faixa estreita de temperatura

Aplicações por metal RTD

O vasto mundo das aplicações RTD

Existem literalmente milhares de aplicações onde RTDs são usados em todo o mundo, mas aqui estão apenas algumas:

• Automotivo: temperatura do bloco do motor, sensor de entrada de ar, temperatura do líquido de arrefecimento, temperatura do ar externo, sistemas de controle de clima, temperatura do óleo
• Processamento de alimentos: monitoramento de temperatura durante a fabricação e armazenamento, monitoramento de transporte de produtos perecíveis
• Produtos farmacêuticos: monitoramento de temperatura durante a produção e armazenamento
• HVAC: monitoramento da temperatura do ar, detecção de incêndio, controle automático do clima
• Aeroespacial: temperatura do motor, temperatura do líquido arrefecedor, temperatura do compressor, monitoramento do tanque de combustível, equipamento de controle de incêndio
• Industrial: temperatura da máquina, motores elétricos, enrolamentos, geradores de energia, compensação de termopar (CJC), fornos, medição de potência de microondas
• Médico: incubadoras infantis, equipamentos de respiração, máquinas de diálise
  Comunicações: monitoramento do amplificador, compensação da temperatura do transmissor
• Computadores: limitação de corrente de pico
• Científico e de laboratório: pesquisa em todos os campos de estudo
• Produtos de consumo: cafeteiras, telefones celulares, estações meteorológicas residenciais, baterias, torradeiras, termostatos, aquecedores de água, geladeiras e freezers, lava-louças, lavadoras e secadoras de roupa, ar condicionado, cobertores elétricos

Desafios e Soluções ao medir RTD

Conforme mencionado, a conexão do RTD é mais complexa do que um termopar; no entanto, os sistemas DAQ Dewesoft tornam mais fácil e conveniente conectar seus sensores ao sistema DAQ. A Dewesoft oferece condicionadores de sinal especificamente para sensores RTD em certas séries de produtos, como KRYPTON ou IOLITE. Mas os RTDs podem ser conectados a todos os sistemas Dewesoft DAQ usando adaptadores DSI-RTD.

O ruído é sempre uma consideração para qualquer sensor com saída pequena, mas nossas entradas de alto isolamento são a melhor prevenção imaginável. Adicione a isso nosso suporte para conexões de 2 e 3 fios para reduzir erros de autoaquecimento, e Dewesoft oferece um sistema DAQ muito preciso para RTD e virtualmente todos os sensores.

Outra forma de reduzir o ruído é colocar o sistema de medição o mais próximo possível do sensor. Evitar longas linhas de sinal é uma estratégia comprovada para maximizar a fidelidade do sinal e reduzir custos. Veja nossos instrumentos modulares SIRIUS e KRYPTON para as melhores soluções aqui. Os modelos KRYPTON em particular podem ser colocados diretamente no ponto de medição, onde o sinal é imediatamente digitalizado e enviado de volta com estampa de tempo via EtherCAT para o sistema DAQ, evitando completamente o problema de cabos longos.

Vantagens dos sensores RTD

• Mais estável
• Mais preciso
• Mais linear do que termopares

Desvantagens dos RTDs

• Mais caro do que termopares ou termistores
• Alimentação do sensor necessária
• Faixa de medição mais estreita
• Resistência absoluta baixa
• O autoaquecimento deve ser compensado

Comparação básica: termopares, RTDs e termistores

Sensor	Termistor	Par termoelétrico	RTD (Pt100)
Faixa de Temperatura 1	Mais estreito (-40 ° C a 300 ° C)	Mais ampla Tipo J é -210 a 1200 ° C O tipo K é de 95 a 1260 ° C Outros tipos podem variar tão baixo quanto -330 ° C OU tão alto quanto 3100 ° C	Estreito -200- a 600 ° C Até 850 ° C é possível
Resposta	Rápido	Médio a rápido Depende do tamanho e construção do sensor	Lento Depende do tamanho e construção do sensor
Estabilidade de longa duração	Pobre	Muito bom	Melhor (± 0,5 ° C a ± 0,1 ° C / ano)
Precisão	Justo	Bom	Melhor 0,2%, 0,1% e 0,05%
Linearidade	Exponencial	Não linear Isso geralmente é feito em software	Razoavelmente bom Mas a linearização é recomendada
Construção	Frágil	Adequado Bainhas e tubos melhoram a fragilidade, mas aumentam o tempo de resposta	Frágil Bainhas e tubos melhoram a fragilidade, mas aumentam o tempo de resposta
Tamanho	Muito pequeno	Pequeno	Maior
Fiação	Muito simples	Simples	Complexo
Excitação / energia necessária	Nenhum	Nenhum	Requerido
Requisitos Externos	Nenhum	CJC (compensação de junta fria) e linearização do sinal	Condicionador de sinal RTD
Custo	O mais baixo Tipos de baixa precisão são muito baratos, mas existem alguns que são mais precisos e mais caros.	Baixo Os tipos R e S que usam platina são mais caros	Altíssima

Especificações são típicas

Instrumentos de medição Dewesoft para sensores RTD

A Dewesoft fornece vários sistemas DAQ que podem medir, armazenar e exibir a temperatura com eficácia. E eles podem fazer isso conectando o sensor de temperatura mais usado no mundo para aplicações científicas, médicas e farmacêuticas: o RTD. Os sistemas Dewesoft DAQ podem medir, armazenar, analisar e visualizar a temperatura de um a centenas de canais em tempo real.

Medição de RTD do sistema KRYPTON DAQ

KRYPTON é a linha mais robusta de produtos de aquisição de dados da Dewesoft. Construído para suportar temperaturas extremas e condições de choque e vibração, KRYPTON é classificado como IP67, protegendo-os contra água, poeira e muito mais.

Eles se conectam a qualquer computador Windows (incluindo o modelo IP67 KRYPTON-CPU robusto da própria Dewesoft) via EtherCAT e podem ser separados por até 100 metros (328 pés), permitindo que você os localize perto da fonte de sinal. Como o SIRIUS, eles executam o software DAQ mais poderoso do mercado, o Dewesoft X.

Os sensores RTD podem ser conectados diretamente ao módulo de condicionamento de sinal KRYPTON RTD. Ele está disponível em uma configuração de 8 canais (KRYPTONi-8xRTD).

Módulo KRYPTONi-8xRTD DAQ com condicionamento de sinal RTD universal

O KRYPTON também pode medir sensores RTD com o módulo KRYPTON STG e o uso do adaptador DSI-RTD Dewesoft Sensor Interface (DSI).

Um módulo KRYPTONi-6xSTG multicanal com vários adaptadores DSI conectados

Aqui está uma referência cruzada dos módulos KRYPTON e sua compatibilidade com RTDs e termopares, bem como adaptadores DSI feitos para medição de temperatura. O KRYPTON oferece um módulo RTD de 8 canais que lida nativamente com sensores RTD, incluindo os tipos PT100, PT200, PT500, PT1000 e PT2000.

	Módulos multicanais KRYPTON
	KRYPTONi-8xRTD	KRYPTON-3xSTG KRYPTON-6xSTG	KRYPTONi-1xSTG
Sensores RTD	√ Entrada RTD universal nativa	Através da DSI-RTD	Através da DSI-RTD
Canais	8	3 ou 6
Isolamento	√	No	√

 

Medição de RTD do Sistema IOLITE e IOLITEd DAQ

IOLITE e IOLITEd são produtos exclusivos que combinam os recursos essenciais de um sistema de controle industrial em tempo real com um poderoso sistema DAQ. Com o IOLITE, centenas de canais analógicos e digitais podem ser gravados em velocidade total e, ao mesmo tempo, enviar dados em tempo real para qualquer controlador mestre EtherCAT de terceiros.

Esquerda: sistema de montagem em rack IOLITEr com 12 slots de módulo de entrada
À direita: sistema de bancada IOLITEs com 8 slots de módulo de entrada

Eles representam um ótimo desempenho do sistema DAQ mais controle em tempo real via EtherCAT, combinados com o software DAQ mais poderoso do mercado, o software Dewesoft X DAQ.

Módulos DAQ industriais IOLITEd

Aqui está uma referência cruzada dos módulos de entrada IOLITE e sua compatibilidade com RTDs e termopares, bem como adaptadores DSI feitos para medição de temperatura:

	IOLITE módulos
	IOLITEi-8xRTD	IOLITEi-6xSTG	IOLITEd-1xSTG
Sensores RTD	Entradas RTD nativas	Através da DSI-RTD	Através da DSI-RTD
Canais	8	6	1

O módulo amplificador IOLITEi-8xRTD oferece isolamentos de canal para terra, bem como isolamento de canal para canal de até 1000V. Os dados são adquiridos simultaneamente de todos os 8 canais com taxas de amostragem de até 100S / s usando ADC delta-sigma de 24 bits. Este módulo também pode ser usado para medições de resistência de até 10 kΩ e medições de tensão de até 1 V.

Módulo RTD universal - Módulo IOLITEi-8xRTD para sensores RTD

A mesma taxa de amostragem e especificações de isolamento são verdadeiras para o módulo 6xSTG, exceto que ele possui seis canais em vez de oito. O 6xSTG é um módulo muito versátil, capaz de fazer medições de strain gage, resistivas e de baixa tensão, além de sua compatibilidade com adaptadores da série DSI.

Medição de RTD do sistema SIRIUS DAQ

SIRIUS é o carro-chefe da linha de produtos Dewesoft. Eles representam o mais alto desempenho do sistema DAQ, combinados com o software DAQ mais poderoso do mercado, Dewesoft X.

Para conectar RTDs aos sistemas de aquisição de dados SIRIUS, usamos nossos populares adaptadores Dewesoft Sensor Interface (DSI) para fazer interface com vários módulos de entrada SIRIUS populares.

Os sistemas SIRIUS estão disponíveis em uma ampla variedade de configurações físicas, desde "fatias" modulares que se conectam ao seu computador via USB ou EtherCAT, sistemas de montagem em rack R3 e sistemas autônomos R1, R2 e R8 que incluem um sistema integrado computador.

A linha de produtos SIRIUS

O adaptador DSI-RTD é compatível com vários tipos populares de sensores RTD, incluindo Pt100, Pt200, Pt500, Pt1000 e Pt2000.

O adaptador DSI-RTD da Dewesoft

Os adaptadores DSI usam uma interface de sensor TEDS embutida para se configurar automaticamente no software Dewesoft X DAQ. Basta conectar o adaptador DSI-RTD na entrada DB9 do módulo SIRIUS selecionado, verificar suas configurações na tela de configuração do hardware e você estará pronto para começar a fazer medições.

Aqui está uma referência cruzada dos módulos SIRIUS e sua compatibilidade com vários adaptadores DSI feitos para medição de temperatura:

	Módulos SIRIUS DualCoreADC	Módulos SIRIUS HD (alta densidade)	Módulos SIRIUS HS (alta velocidade)
	STG, STGM, LV, MULTI	HD-STGS, HD-LV	HS-STG, HS-LV
DSI-RTD	√	√	√

1) Observe que o condicionador de sinal SIRIUS-STG pode lidar nativamente com RTDs e não requer um DSI-RTD.

Medição de RTD do Sistema DEWE-43A e MINITAURs DAQ

O DEWE-43A é um sistema DAQ de mão extremamente portátil. Conectando-se ao seu computador por meio de um conector USB com trava, possui oito entradas analógicas universais. Seu "irmão mais velho" é chamado de MINITAURs - este é essencialmente o DEWE-43A combinado com um computador e alguns outros recursos, em um único gabinete altamente portátil. As entradas universais de ambos os sistemas são compatíveis com os adaptadores DSI da Dewesoft, permitindo que você conecte um sensor RTD a qualquer um ou todos os seus oito canais de entrada.

Esquerda: sistema DAQ portátil DEWE-43A
À direita: modelo do MINITAURs, incluindo computador integrado

O adaptador DSI-RTD é compatível com vários tipos populares de sensores RTD, incluindo Pt100, Pt200, Pt500, Pt1000 e Pt2000.

Os adaptadores DSI usam o chip sensor TEDS para se configurarem automaticamente no software Dewesoft X DAQ. Basta conectar o adaptador DSI-RTD na entrada DB9 da entrada selecionada, verificar suas configurações na tela de configuração do hardware no software Dewesoft X e você estará pronto para começar a fazer medições.