Compensación de resistencia de plomo RTD de 3 hilos

Qué es un RTD de 3 hilos y por qué es importante

Si ha trabajado con sensores de temperatura, probablemente se haya topado con la frase «RTD de 3 hilos» y se haya preguntado qué hace realmente el tercer cable. La respuesta corta: compensa la resistencia de los cables que conectan el RTD a la electrónica de medición. Esto es importante porque esos cables de conexión introducen errores y, en muchas aplicaciones reales, ese error es lo suficientemente importante como para arruinar la medición.

An RTD (Resistance Temperature Detector) is a sensor whose resistance changes predictably with temperature. A PT100 RTD, for example, has 100 Ω at 0°C and increases by roughly 0.385 Ω per degree Celsius. The problem is that the wires running from your sensor to your measurement circuit also have resistance — typically a few ohms each. If you're trying to measure a 150 Ω signal and your wires add 5 Ω of error, that's a 3% error right there.

Un RTD de 2 hilos solo mide la resistencia total: el sensor más las resistencias de ambos cables. Un RTD de 4 hilos utiliza cables de detección independientes para medir la tensión en el propio sensor, lo que elimina por completo la resistencia de los cables. Un RTD de 3 hilos se encuentra en el centro: utiliza un cable adicional para medir y compensar la resistencia del cable, lo que proporciona una precisión decente sin el coste y la complejidad de un sistema completo de 4 hilos.

Cómo funciona la compensación de 3 hilos

La configuración de 3 hilos utiliza tres cables: dos para la corriente de excitación (uno para el sensor y otro para el retorno) y un cable de detección conectado al mismo punto que el retorno. El circuito de medición mide la tensión entre el retorno de excitación y el cable de detección. Como ambos cables tienen la misma longitud y suelen tener el mismo calibre, tienen la misma resistencia.

Esta es la idea clave: si la corriente $I$ fluye a través del sensor y un cable conductor, la caída de voltaje a través de ese cable es $V_{lead} = I \cdot R_{lead}$. El cable sensor prácticamente no transporta corriente (los circuitos de medición modernos consumen picoamperios), por lo que mide la tensión en esa unión sin ninguna caída adicional. Al medir la resistencia del cable de detección por separado (o utilizando el hecho conocido de que ambos cables son idénticos), puede restar la resistencia del cable del total de la medición.

El cálculo básico de 3 hilos se ve así:

donde $R_{measured}$ es lo que lee su circuito y $R_{lead}$ es la resistencia de un cable conductor.

El método práctico de cálculo

La mayoría de los sistemas RTD de 3 hilos funcionan midiendo la resistencia a dos temperaturas diferentes o utilizando una medición de referencia para determinar el $R_{lead}$. Así es como fluye normalmente:

1. Mida a una temperatura de referencia conocida (normalmente en el punto de hielo, 0 °C). En el caso de un PT100, debería decir 100 Ω. Su circuito tiene una lectura más alta; llámele $R_{ref}$. La diferencia es $2 \times R_{lead}$ (ambos cables contribuyen), por lo que:

1. Mida a su temperatura objetivo. Su circuito dice $R_{measured}$. La resistencia real del sensor es:

Tenga en cuenta el factor 2: la corriente fluye por un cable y vuelve por el otro, por lo que ambos contribuyen al error.

Alternativamente, si conoce el calibre y la longitud del cable, puede calcular $R_{lead}$ directamente utilizando la resistividad del cable. El cobre a 20 °C tiene una resistividad de aproximadamente 1,68 × 10⁻⁸ Ω·m. Para un cable de longitud $L$ (en metros) y un área de sección transversal $A$ (in m²):)

Ejemplo resuelto: medición real de PT100

Supongamos que tiene un PT100 RTD conectado con 10 metros de cable de cobre de 24 AWG. Quieres medir la temperatura de un baño de agua.

Paso 1: Calcular la resistencia del cable conductor

El cable de 24 AWG tiene un área de sección transversal de aproximadamente 0.205 mm² ″ o 2.05 × 10⁻⁷ m². ″. La longitud es de 10 m (ida y vuelta desde el sensor, es decir, 5 m en cada dirección, pero estamos calculando por cable).

Paso 2: Mida en un punto de referencia

Coloca el sensor en un baño de hielo (0 °C) y su circuito de medición indica 101,64 Ω. El PT100 ideal a 0 °C indica 100 Ω, , por lo que:

Genial: esto coincide con nuestro cálculo y confirma el calibre y la longitud del cable.

Paso 3: Mida a la temperatura objetiva

Colocas el sensor en el baño de agua y el circuito dice 150,28 Ω. La resistencia real del sensor es:

Paso 4: Convierte la resistencia en temperatura

Para un PT100, la ecuación de Callendar-Van Dusen relaciona la resistencia con la temperatura. En el rango de 0 °C a 100 °C, una aproximación simplificada es:

Sin la compensación de 3 hilos, habría calculado:

Se trata de un error de 4,3 °C, significativo si estás intentando mantener un control preciso del proceso.

Para un cálculo más preciso, incluida la ecuación completa de Callendar-Van Dusen, utilice la Calculadora de temperatura RTD (PT100/PT1000).

Errores y trampas comunes

No se verifica la resistencia del plomo en un punto de referencia conocido. Muchos ingenieros asumen que el calibre y la longitud del cable son correctos y omiten la calibración del punto de hielo. Luego se preguntan por qué sus lecturas varían. Compruébelo siempre a 0 °C o con otra referencia conocida; es la única forma de detectar errores de instalación. Olvidando el factor 2. La resistencia del plomo aparece dos veces en la medición: una vez a la salida y otra a la vuelta. Si solo restas $R_{lead}$ en lugar de $2 \times R_{lead}$, aún te quedará el 50% del error en la lectura. Usar cables de diferentes calibres o longitudes para diferentes conductores. Si el cable de retorno es de alguna manera más delgado o más largo que el cable de excitación, el método de 3 hilos se estropea. Todo el enfoque asume que ambos cables son idénticos. Si no lo son, necesitas un sistema de 4 hilos. Ignorando la deriva de temperatura del propio cable. La resistividad del cobre cambia con la temperatura. A 50 °C, es aproximadamente un 2% más alta que a 20 °C. Para un trabajo muy preciso, esto es importante. La mayoría de los sistemas de 3 hilos asumen que la resistencia del cable es constante, lo que está bien para una precisión de ± 5%, pero no para aplicaciones de ± 0,1%. Conectar el cable de detección al punto incorrecto. El cable de detección debe conectarse en el propio sensor, no en algún lugar en el centro del cable de retorno. Si está conectado al lugar incorrecto, volverás a medir el objeto incorrecto. Sin tener en cuenta la resistencia de contacto en los terminales. La conexión entre el cable y el propio elemento RTD tiene resistencia. Por lo general, es pequeña (menos de 0,1 Ω) ″), pero no cero. Para obtener la máxima precisión, inclúyalo en su medición de referencia; por eso es tan importante calibrar el punto de hielo.

Cuando 3 hilos no son suficientes

Si su aplicación requiere una precisión superior al 0,5%, o si los cables conductores son muy largos o muy delgados, un RTD de 3 hilos no será suficiente. Cambie a un RTD de 4 hilos, que utiliza cables de detección independientes que prácticamente no transportan corriente. Esto elimina casi por completo el error de resistencia del cable. La desventaja es el costo y la complejidad: los sistemas de 4 hilos necesitan una electrónica de medición más sofisticada.

Para aplicaciones en las que el RTD está justo al lado del circuito de medición (unos pocos centímetros de cable), incluso se aceptan 2 hilos. Sin embargo, si tiene más de uno o dos metros de cable, debe usar un mínimo de 3 hilos.

Pruébalo tú mismo

Si quieres ver más ejemplos o comprobar tus cálculos, la Calculadora de temperatura RTD (PT100/PT1000)maneja la ecuación completa de Callendar-Van Dusen y te permite explorar cómo la resistencia al plomo afecta a tus lecturas en un amplio rango de temperaturas. Conecta el calibre y la longitud del cable, mide el sensor en un punto de referencia conocido y deja que calcule la temperatura corregida.