Escrito por Grant Maloy Smith, el experto en adquisición de datos

En este artículo, analizaremos cómo se mide la temperatura con sensores RTD en la actualidad, con suficiente detalle para que pueda:

  • Ver qué son los RTD y cómo funcionan
  • Conocer los tipos básicos de RTD disponibles y cómo se utilizan
  • Comprender cómo los RTD se pueden interconectar con su sistema DAQ

¿Estas listo para empezar? ¡Vamos!

Introducción

¿Sabías que la temperatura es la medida física que se registra con más frecuencia? Conocer la temperatura es fundamental para el funcionamiento correcto de todo, desde el cuerpo humano hasta el motor de un automóvil, y todo lo demás.

La temperatura se mide con sensores de temperatura apropiados. Hay varios sensores de temperatura que se utilizan para esto, y los apoyamos a todos:

En este artículo, analizamos específicamente el sensor RTD, uno de los sensores de temperatura más populares del mundo.

¿Qué es un sensor RTD?

Comparado con el termopar, el RTD (Detector de temperatura de resistencia) es generalmente más lineal y libre de desviaciones dentro de su rango de medición. Sin embargo, debido a su contenido de platino y su construcción más compleja, son más costosos que los termopares. Los RTD a veces también se denominan "termómetros de resistencia".

Typical RTD sensorSensor RTD típico

Los RTD se utilizan mucho en aplicaciones científicas y de laboratorio, aplicaciones industriales y aplicaciones de fabricación farmacéutica. El denominador común entre estas aplicaciones es que la precisión y el rendimiento sin desviaciones son más importantes que el costo, lo que coloca al RTD por delante del termopar en la selección del tipo de sensor.

Pero también se utilizan mucho en productos de consumo. Probablemente hay docenas de ellos en su casa en este momento, dentro de su lavavajillas, secadora, tostadora o horno tostador, el termostato en la pared, su aire acondicionado, refrigerador, congelador, ¡incluso su teléfono celular! Por supuesto, estas son versiones muy pequeñas y muy económicas del RTD.

Hay tres tipos principales de construcción de RTD:

  • RTD bobinados
  • RTD de película fina
  • RTD de elementos en espiral

Cada uno tiene ventajas y desventajas. Echemos un vistazo a ellos.

RTD bobinados

El sensor RTD bobinado está hecho de un cable delgado (el cable de resistencia que realizará la detección) envuelto alrededor de un núcleo no conductor, que a menudo está hecho de cerámica. El platino, el níquel y el cobre se utilizan con mayor frecuencia para el cable de resistencia porque cada uno de ellos tiene una relación de temperatura / resistencia muy lineal y precisa. Mostraremos más sobre cada metal en los siguientes párrafos.

Typical wire-wound RTD sensorSensor típico de RTD bobinado

El cable se corta con precisión hasta que se alcanza la resistencia especificada a 0°C. Esto se conoce como resistencia "R0". Es fundamental que el cable de resistencia no se doble ni se retuerza a medida que aumenta la temperatura porque esta tensión mecánica provocará un cambio en la resistencia, lo que distorsionará la medición.

Esta construcción es relativamente frágil, por lo que los RTD suelen estar protegidos con un revestimiento de vidrio e incluso se instalan dentro de una cubierta de metal. Este es el siguiente paso de fabricación, junto con la conexión de los cables conductores.

RTD de película fina

Los sensores RTD de película fina están compuestos por un sustrato cerámico sobre el que se deposita una película muy fina de platino. Para proteger el conjunto y la película, normalmente se aplica vidrio o epoxi como revestimiento. La mayoría de los RTD de película delgada son útiles solo hasta 300 ° C, aunque ciertas configuraciones especiales permiten rangos más altos.

Typical thin-film RTD sensorSensor típico de RTD de película fina

Los RTD de película delgada cuestan menos que las variedades enrolladas y enrolladas y, por lo tanto, son muy populares en aplicaciones industriales. Pero no son tan precisos como los otros tipos, porque el R0 no se puede ajustar con tanta precisión. También están más sujetos al fenómeno de autocalentamiento debido a su menor tamaño.

RTD de elementos en espiral

En esta configuración, el cable de resistencia se forma en bobinas muy pequeñas que pueden expandirse y contraerse libremente con los cambios de temperatura. Esto evita que la tensión mecánica inducida por la temperatura cambie la resistencia y, por lo tanto, afecte la medición. Estas bobinas se instalan dentro de un cuerpo de cerámica y luego se rodean de polvo no conductor.

Typical coiled-element RTD sensorSensor RTD típico de elemento en espiral

Los RTD de elementos en espiral son muy populares en aplicaciones industriales. A menudo se instalan dentro de una funda de metal para protegerlos.

Obtenga más información sobre la medición de temperatura con los sistemas DAQ Dewesoft

Medición de temperatura con sensores de termopar, RTD y termistor

Cómo medir la temperatura con sensores termopar

Cómo los RTD miden la temperatura

A diferencia de los termopares que son sensores pasivos, los RTD funcionan según el principio de resistencia eléctrica. Es necesario pasar una pequeña corriente a través de ellos para medir un cambio en la resistencia. Por lo tanto, el acondicionador de señal del sistema DAQ necesita suministrar esta potencia de sensor o "excitación" para leer la salida.

Los RTD funcionan según el principio de que ciertos metales tienen una relación excepcionalmente estable y precisa entre resistencia y temperatura. El cobre tiene la mejor relación entre resistencia y temperatura, sin embargo, no funciona tan bien a altas temperaturas como los RTD de platino.

R v. T

En otras palabras, la cantidad de cambio de resistencia observado por cambio de temperatura es altamente lineal y repetible. Esto también se conoce como coeficiente de temperatura de resistencia.

Al medir este cambio de resistencia, podemos medir el cambio de temperatura. Varios metales proporcionan diferentes precisiones, así como diferentes rangos de operación de temperatura.

Tipo de RTD Rango de medición máximo Estabilidad Resistencia a la corrosión Linealidad R vs T
Platino -200 a 850°C Excelente Excelente Bueno
Níquel -80 a 260°C Justo Bueno Justo
Cobre -200 a 260°C Bueno Justo Excelente

Comparación de nivel superior de tres tipos principales de RTD

¿Qué es la relación de resistencia de un RTD?

La pendiente del cambio de resistencia frente al cambio de temperatura se conoce como relación de resistencia. Específicamente, es la pendiente promedio a través del cambio de 0 ° C (R0) a 100 ° C (R100). Esto está escrito como:

(R100 - R0) / R0

El metal específico que elegimos - platino, níquel o cobre - tiene la mayor influencia en la relación de resistencia. Pero también la pureza del metal en sí es un factor. Por ejemplo, los RTD utilizados en aplicaciones científicas utilizan el estándar de platino más puro, mientras que los RTD utilizados en aplicaciones industriales que no requieren tanta precisión pueden utilizar platino un poco menos puro.

Tipo de RTD Resistencia @ 0 ° C (típ.) Resistencia @ 100 ° C (típ.) Relación de resistencia Alfa (α)
Platino 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

Comparación de resistencias y alfa

La relación de resistencia del platino es particularmente amplia, por lo que tienen un rango de medición más amplio que el níquel o el cobre.

La constante “Alfa” (α) es simplemente la relación de resistencia dividida por 100.

Modelos RTD

El platino es la opción más popular en RTD, por lo que verá referencias a modelos RTD como sensores PT100 (o también sondas pt100). El "PT" significa "platino", y el 100 Ω es la resistencia a 0 ° C (este es el "R0"). El RTD PT100 Platinum es el RTD más popular del mercado hoy en día.

PT            100

Platino             El valor R0

También está disponible el modelo PT1000, que tiene 10 veces la resistencia nominal a 100°C. La salida del sensor también es mayor. Y mientras que los modelos PT100 están disponibles en varios tipos (bobinado de alambre y película delgada), los modelos PT1000 generalmente solo están disponibles en tipos de película delgada.

Typical platinum Pt100 RTD sensorSensor RTD típico de platino Pt100

Siendo el estándar de facto, los PT100 son compatibles con una amplia gama de instrumentos y aplicaciones. Sin embargo, existen ventajas que ofrecen los PT1000. Por ejemplo, son mejores cuando los cables conductores son muy largos, debido a su mayor resistencia. Una mayor resistencia también significa menos autocalentamiento y menos consumo de energía, lo que es ideal para aplicaciones que funcionan con baterías.

Cabe señalar que existe un modelo PT500, donde 500 Ω es la resistencia a 0 ° C. Pero es relativamente raro en comparación con el PT100 o PT1000. También hay un modelo PT2000 con un R0 de 2 kΩ a 0 ° C.

Métodos de cableado de RTD

Aunque en esencia, un RTD es un sensor de 2 cables, la adición de uno o incluso dos cables más (conexión de 3 y 4 cables) proporciona una mejor compensación contra el autocalentamiento y la resistencia del cable conductor y, por lo tanto, es muy recomendable. Por lo tanto, aunque es posible una conexión de 2 cables, los acondicionadores de señal Dewesoft soportan mejor las conexiones de 3 y 4 cables para proporcionar la mejor precisión posible.

3-wire RTD connection scheme

Conexión RTD de 3 cables

En una conexión típica de 3 cables, las salidas del RTD se conectan a los pines 1 (In +) y 2 (In-) del acondicionador de señal. La excitación positiva (Exc +) se aplica desde el pin 4, que se extiende a lo largo del cable del sensor hasta el RTD. La excitación negativa (Exc -) se puentea entre los pines 2 y 3 en el sistema DAQ. El drenaje del blindaje del cable se conecta solo al acondicionador de señal para evitar un bucle de tierra.

Por lo tanto, este cable sensor debe tener tres cables y un blindaje trenzado o laminado.

4-wire RTD connection scheme

Conexión RTD de 4 cables

La conexión de 4 hilos es similar a excepto que ambas líneas de excitación positiva y negativa se extienden a lo largo del cable hasta el RTD. Este método proporciona el mejor rendimiento posible en términos de rechazar la resistencia del cable conductor y los errores de autocalentamiento.

Por lo tanto, este cable sensor debe tener cuatro cables y un blindaje trenzado o laminado.

El estándar de precisión DIN RTD

La precisión predominante aceptada para los RTD es la curva estándar DIN. Se basa en la relación R v. T de un sensor PT100. El estándar especifica una resistencia base de 100 Ω a 0 ° C con un Alfa (α) de 0,00385.

La temperatura en grados C Resistencia
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

Los RTD especificados por DIN tienen tres clases de tolerancia estándar:

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

¿Cuándo elegir platino, níquel o cobre?

¿Cómo se eligen los tres tipos principales de metales de RTD y por qué? Esta tabla muestra las principales aplicaciones de los RTD de platino, níquel y cobre.

Tipo de RTD Aplicaciones principales
Platino Aplicaciones científicas y farmacéuticas (se utiliza platino de laboratorio)
Aplicaciones industriales (se utiliza la norma IEC 60751)
Aplicaciones que requieren los rangos de temperatura más amplios
Níquel Aplicaciones sensibles al precio como HVAC, productos de consumo (secadores de pelo, secadoras de ropa, lavavajillas, etc.).
(Aplicaciones por debajo de 300 ° C, donde el níquel se vuelve cada vez más no lineal)
Cobre Principalmente aplicaciones industriales, especialmente aplicaciones electromecánicas como motores eléctricos, bobinados, generadores de energía, porque el cobre tiene las mismas características que estos objetos de prueba.
Aplicaciones que requieren la mejor linealidad inherente en un rango de temperatura estrecho

Aplicaciones por RTD metal

El amplio mundo de las aplicaciones de IDT

Hay literalmente miles de aplicaciones en las que se utilizan RTD en todo el mundo, pero aquí hay solo algunas:

  • Automotriz: temperatura del bloque del motor, sensor de admisión de aire, temperatura del refrigerante, temperatura del aire exterior, sistemas de control de clima, temperatura del aceite
  • Procesamiento de alimentos: monitoreo de temperatura durante la fabricación y almacenamiento, monitoreo de envío de productos perecederos
  • Productos farmacéuticos: monitorización de la temperatura durante la producción y el almacenamiento.
  • HVAC: monitoreo de temperatura del aire, detección de incendios, control de clima automático
  • Aeroespacial: temperatura del motor, temperatura del refrigerante, temperatura del compresor, monitoreo del tanque de combustible, equipo de control de incendios
  • Industrial: temperatura de la máquina, motores eléctricos, bobinados, generadores de energía, compensación de termopar (CJC), hornos, medición de potencia de microondas
  • Médico: incubadoras de bebés, equipos de respiración, máquinas de diálisis
  • Comunicaciones: monitoreo de amplificador, compensación de temperatura del transmisor
  • Ordenadores: limitación de corriente de entrada
  • Científico y de laboratorio: investigación en todos los campos de estudio.
  • Productos de consumo: cafeteras, teléfonos móviles, estaciones meteorológicas domésticas, baterías, tostadoras, termostatos, calentadores de agua, refrigeradores y congeladores, lavavajillas, lavadoras y secadoras de ropa, aires acondicionados, mantas eléctricas

RTD Medición de desafíos y soluciones

Como se mencionó, la conexión RTD es más compleja que un termopar, sin embargo, los sistemas DAQ Dewesoft hacen que sea fácil y conveniente conectar sus sensores al sistema DAQ. Dewesoft ofrece acondicionadores de señal específicamente para sensores RTD en ciertas series de productos, como KRYPTON o IOLITE. Pero los RTD se pueden conectar a todos los sistemas DAQ Dewesoft utilizando adaptadores DSI-RTD.

El ruido siempre es una consideración para cualquier sensor con salida pequeña, pero nuestras entradas de alto aislamiento son la mejor prevención imaginable. Agregue a eso nuestro soporte para conexiones de 2 y 3 cables para reducir los errores de autocalentamiento, y Dewesoft ofrece un sistema DAQ muy preciso para RTD y prácticamente todos los sensores.

Otra forma de reducir el ruido es colocar el sistema de medición lo más cerca posible del sensor. Evitar las líneas de señal largas es una estrategia probada para maximizar la fidelidad de la señal y reducir los costos. Consulte nuestros instrumentos modulares SIRIUS y KRYPTON para obtener las mejores soluciones de su clase aquí. Los modelos KRYPTON en particular se pueden colocar directamente en el punto de medición, donde la señal se digitaliza inmediatamente y se envía con el sello de tiempo a través de EtherCAT al sistema DAQ, evitando por completo el problema de los cables conductores largos.

Ventajas de los sensores RTD

  • Más estable
  • Más preciso
  • Más lineal que los termopares

Desventajas de los RTD

  • Más caro que los termopares o termistores
  • Se requiere energía del sensor
  • Rango de medición más estrecho
  • Resistencia absoluta baja
  • El autocalentamiento debe compensarse

Comparación básica: termopares, RTD y termistores

Sensor Termistor Par termoeléctrico RTD (Pt100)
Rango de temperatura 1 Más estrecho
(De -40 ° C a 300 ° C)
Más ancho
El tipo J es de -210 a 1200 ° C
El tipo K es de 95 a 1260 ° C
Otros tipos pueden oscilar tan bajo como -330 ° C O tan alto como 3100 ° C
Estrecho
-200- hasta 600 ° C
Es posible hasta 850 ° C
Respuesta Rápido Medio a rápido
Depende del tamaño y la construcción del sensor
Lento
Depende del tamaño y la construcción del sensor
Estabilidad a largo plazo Pobre Muy bueno Mejor
(± 0,5 ° C a ± 0,1 ° C / año)
Precisión Justo Bueno Mejor
0,2%, 0,1% y 0,05%
Linealidad Exponencial No lineal
Esto generalmente se hace en software.
Bastante bueno
Pero se recomienda la linealización
Construcción Frágil Adecuado
Las vainas y los tubos mejoran la fragilidad pero aumentan el tiempo de respuesta
Frágil
Las vainas y los tubos mejoran la fragilidad pero aumentan el tiempo de respuesta
Tamaño Muy pequeño Pequeño Más grande
Alambrado Muy sencillo Sencillo Complejo
Excitación / Energía requerida Ninguno Ninguno Requerido
Requisitos externos Ninguno CJC (compensación de unión fría) y linealización de señales Acondicionador de señal RTD
Costo Más bajo
Los tipos de baja precisión son muy económicos, pero hay algunos que son más precisos y más costosos.
Bajo
Los tipos R y S que usan platino son más caros
Mas alto

Las especificaciones son típicas

Instrumentos de medición Dewesoft para sensores RTD

Dewesoft proporciona varios sistemas DAQ que pueden medir, almacenar y mostrar la temperatura de manera efectiva. Y pueden hacerlo conectando el sensor de temperatura más utilizado en el mundo para aplicaciones científicas, médicas y farmacéuticas: el RTD. Los sistemas DAQ de Dewesoft pueden medir, almacenar, analizar y visualizar la temperatura de uno a cientos de canales en tiempo real.

Medición de RTD del sistema KRYPTON DAQ

KRYPTON es la gama más robusta de productos de adquisición de datos disponible de Dewesoft. Construido para soportar temperaturas extremas, golpes y vibraciones, KRYPTON tiene una clasificación IP67, lo que los protege contra el agua, el polvo y más.

Se conectan a cualquier computadora con Windows (incluido el modelo de CPU KRYPTON reforzado IP67 de Dewesoft) a través de EtherCAT y se pueden separar hasta 100 metros (328 pies), lo que le permite ubicarlos cerca de la fuente de señal. Al igual que SIRIUS, ejecutan el software DAQ más potente del mercado, Dewesoft X.

Los sensores RTD se pueden conectar directamente al módulo de acondicionamiento de señal KRYPTON RTD. Está disponible en una configuración de 8 canales (KRYPTONi-8xRTD).

KRYPTONi-8xRTD DAQ module with universal RTD signal conditioningMódulo DAQ KRYPTONi-8xRTD con acondicionamiento de señal RTD universal

KRYPTON también puede medir sensores RTD con el módulo KRYPTON STG y el uso del adaptador DSI-RTD Dewesoft Sensor Interface (DSI).

Un módulo KRYPTONi-6xSTG multicanal con varios adaptadores DSI conectados

Aquí hay una referencia cruzada de los módulos KRYPTON y su compatibilidad con RTD y termopares, así como adaptadores DSI hechos para la medición de temperatura. KRYPTON ofrece un módulo RTD de 8 canales que maneja de forma nativa sensores RTD, incluidos los tipos PT100, PT200, PT500, PT1000 y PT2000.

  Módulos multicanal KRYPTON
  KRYPTONi-8xRTD KRYPTON-3xSTG
KRYPTON-6xSTG
KRYPTONi-1xSTG
Sensores RTD
Entrada RTD universal nativa
A través de DSI-RTD A través de DSI-RTD
Canales 8 3 o 6
Aislamiento No

 

Medición de RTD del sistema DAQ IOLITE e IOLITEd

IOLITE e IOLITEd son productos únicos que combinan las capacidades esenciales de un sistema de control industrial en tiempo real con un potente sistema DAQ. Con IOLITE, se pueden grabar cientos de canales analógicos y digitales a toda velocidad mientras se envían simultáneamente datos en tiempo real a cualquier controlador maestro EtherCAT de terceros.

IOLITEr and IOLITEs industrial data acquisition systemsIzquierda: sistema de montaje en bastidor IOLITEr con 12 ranuras para módulos de entrada
Derecha: sistema de sobremesa IOLITE con 8 ranuras para módulos de entrada

Representan un gran rendimiento del sistema DAQ más control en tiempo real a través de EtherCAT, combinado con el software DAQ más potente del mercado, el software Dewesoft X DAQ.

IOLITEd industrial data acquisition modulesMódulos DAQ industriales IOLITEd

Aquí hay una referencia cruzada de los módulos de entrada IOLITE y su compatibilidad con RTD y termopares, así como adaptadores DSI hechos para la medición de temperatura:

  Módulos IOLITE
  IOLITEi-8xRTD IOLITEi-6xSTG IOLITEd-1xSTG
Sensores RTD Entradas nativas de RTD A través de DSI-RTD A través de DSI-RTD
Canales 8 6 1

El módulo amplificador IOLITEi-8xRTD ofrece tanto aislamientos de canal a tierra como aislamiento de canal a canal de hasta 1000V. Los datos se adquieren simultáneamente de los 8 canales con frecuencias de muestreo de hasta 100 S / s utilizando ADC delta-sigma de 24 bits. Este módulo también se puede utilizar para medidas de resistencia de hasta 10 kΩ y medidas de tensión de hasta 1 V.

Universal RTD module - IOLITEi-8xRTD module for RTD sensorsMódulo RTD universal - Módulo IOLITEi-8xRTD para sensores RTD

La misma frecuencia de muestreo y especificaciones de aislamiento son válidas para el módulo 6xSTG, excepto que tiene seis canales en lugar de ocho. El 6xSTG es un módulo muy versátil, capaz de realizar medidas extensométricas, resistivas y de baja tensión, además de su compatibilidad con los adaptadores de la serie DSI.

Medición de RTD del sistema SIRIUS DAQ

SIRIUS es el buque insignia de la gama de productos Dewesoft. Representan el mayor rendimiento del sistema DAQ, combinado con el software DAQ más potente del mercado, Dewesoft X.

Para conectar RTD a sistemas de adquisición de datos SIRIUS, utilizamos nuestros populares adaptadores Dewesoft Sensor Interface (DSI) para interactuar con varios módulos de entrada SIRIUS populares.

Los sistemas SIRIUS están disponibles en una amplia gama de configuraciones físicas, desde "cortes" modulares que se conectan a su computadora a través de USB o EtherCAT, sistemas de montaje en bastidor R3 y sistemas independientes R1, R2 y R8 que incluyen un ordenador.

SIRIUS data acquisition systemsLa gama de productos SIRIUS

El adaptador DSI-RTD es compatible con varios tipos populares de sensores RTD, incluidos Pt100, Pt200, Pt500, Pt1000 y Pt2000.

Dewesoft DSI RTD adapter for Pt100, Pt1000, Pt200El adaptador DSI-RTD de Dewesoft

Los adaptadores DSI utilizan una interfaz de sensor TEDS incorporada para configurarse automáticamente en el software Dewesoft X DAQ. Simplemente conecte el adaptador DSI-RTD en la entrada DB9 del módulo SIRIUS seleccionado, verifique su configuración en la pantalla de configuración del hardware y estará listo para comenzar a tomar medidas.

Aquí hay una referencia cruzada de los módulos SIRIUS y su compatibilidad con varios adaptadores DSI hechos para la medición de temperatura:

  Módulos SIRIUS DualCoreADC Módulos SIRIUS HD (alta densidad) Módulos SIRIUS HS (alta velocidad)
  STG, STGM, LV, MULTI HD-STGS, HD-LV HS-STG, HS-LV
DSI-RTD

1) Tenga en cuenta que el acondicionador de señal SIRIUS-STG puede manejar RTD de forma nativa y no requiere un DSI-RTD.

Medición de RTD del sistema DAQ DEWE-43A y MINITAURs

El DEWE-43A es un sistema DAQ de mano extremadamente portátil. Al conectarse a su computadora a través de un conector USB de bloqueo, cuenta con ocho entradas analógicas universales. Su "hermano mayor" se llama MINITAUR: es esencialmente el DEWE-43A combinado con una computadora y algunas otras características, en un solo gabinete altamente portátil. Las entradas universales de ambos sistemas son compatibles con los adaptadores DSI de Dewesoft, lo que le permite conectar un sensor RTD a cualquiera o todos sus ocho canales de entrada. 

DEWE-43A and MINITAURs DAQ systemsIzquierda: sistema DAQ portátil DEWE-43A
Derecha: modelo de MINITAUR, con ordenador integrado

El adaptador DSI-RTD es compatible con varios tipos populares de sensores RTD, incluidos Pt100, Pt200, Pt500, Pt1000 y Pt2000.

Los adaptadores DSI utilizan el chip sensor TEDS para configurarse automáticamente en el software Dewesoft X DAQ. Simplemente conecte el adaptador DSI-RTD en la entrada DB9 de la entrada seleccionada, verifique su configuración en la pantalla de configuración del hardware en el software Dewesoft X y estará listo para comenzar a tomar medidas.