3-와이어 RTD 리드 저항 보정

3-와이어 RTD란 무엇이며 왜 중요한가

온도 센서를 사용해 본 적이 있다면 “3-wire RTD”라는 문구를 접하고 세 번째 와이어가 실제로 어떤 역할을 하는지 궁금해했을 것입니다.간단히 말해서 RTD와 측정 전자 장치를 연결하는 와이어의 저항을 보상한다는 것입니다.이는 연결 와이어로 인해 오류가 발생하기 때문에 문제가 되며, 대부분의 실제 응용 분야에서는 이 오류가 심각하여 측정이 망가질 수 있기 때문입니다.

RTD (저항 온도 감지기) 는 온도에 따라 저항이 예측 가능하게 변하는 센서입니다.예를 들어, PT100 RTD는 0°C에서 100 Ω 를 가지며 섭씨 1도당 약 0.385 Ω 씩 증가합니다.문제는 센서에서 측정 회로로 연결되는 와이어에도 저항이 있다는 것입니다. 일반적으로 각각 몇 옴입니다.150 Ω 의 신호를 측정하려고 하는데 와이어에 5 Ω of 오차가 더해지면 바로 3% 의 오차입니다.

2선 RTD는 센서와 두 리드 저항의 총 저항만 측정합니다.4선 RTD는 별도의 감지 리드를 사용하여 센서 자체의 전압을 측정하므로 리드 저항이 완전히 제거됩니다.중간에 3선 RTD가 있습니다. 3선 RTD는 추가 와이어를 사용하여 리드 저항을 측정하고 보정하므로 전체 4선 시스템의 비용과 복잡성 없이도 적절한 정확도를 제공합니다.

3선 보상 작동 방식

3선 구성에서는 구동 전류용 와이어 2개 (센서 1개, 리턴 1개) 와 리턴과 동일한 지점에 연결된 감지 와이어 1개 등 총 3개의 와이어를 사용합니다.측정 회로는 여기 리턴과 감지 리드 사이의 전압을 측정합니다.두 와이어의 길이가 같고 일반적으로 게이지가 같기 때문에 저항도 동일합니다.

핵심 정보는 다음과 같습니다. 전류 $I$ 전류가 센서와 하나의 도선을 통해 흐르면 해당 도선의 전압 강하는 $V_{lead} = I \cdot R_{lead}$ 입니다.감지 와이어는 기본적으로 전류를 전달하지 않으므로 (최신 측정 회로는 피코암페어를 사용함) 추가 강하 없이 해당 접합부의 전압을 측정합니다.감지 리드의 저항을 개별적으로 측정하거나 두 리드가 동일하다는 알려진 사실을 사용하여 전체 측정값에서 리드 저항을 뺄 수 있습니다.

기본 3선 계산은 다음과 같습니다.

여기서 $R_{measured}$ 은 회로가 읽는 값이고 $R_{lead}$ 은 리드 와이어 하나의 저항입니다.

실용적인 계산 방법

대부분의 3선 RTD 시스템은 서로 다른 두 온도에서 저항을 측정하거나 $R_{lead}$ 측정을 위한 기준 측정을 사용하여 작동합니다.일반적인 흐름 방식은 다음과 같습니다.

1. 알려진 기준 온도 (보통 빙점, 0°C) 에서 측정하세요.PT100 모델의 경우 100 Ω. 로 표시되어야 하며 회로는 더 높은 값을 읽습니다. 이를 $R_{ref}$ 이라고 합니다.차이는 $2 \times R_{lead}$ (두 전선 모두 영향을 미침) 이므로 다음과 같습니다.

1. 목표 온도에서 측정하세요.회로에 $R_{measured}$ 이라고 적혀 있습니다.실제 센서 저항은 다음과 같습니다.

계수 2에 유의하십시오. 전류는 한 와이어로 흐르고 다른 와이어로 역류하므로 둘 다 오류의 원인입니다.

또는 와이어 게이지와 길이를 아는 경우 와이어의 저항률을 사용하여 $R_{lead}$ 을 직접 계산할 수 있습니다.길이가 $L$ (미터) 이고 단면적이 $A$ (인 m²):) 인 와이어의 경우 20°C에서의 구리의 저항률은 약 1.68 × 10⁻⁸ Ω·m. 입니다.

실제 사례: 실제 PT100 측정

PT100 RTD를 10미터의 24AWG 구리선에 연결했다고 가정해 보겠습니다.수조의 온도를 측정하고 싶은데요.

1단계: 리드선 저항 계산

24 AWG 와이어의 단면적은 약 0.205 mm² 또는 2.05 × 10⁻⁷ m². 입니다. 길이는 10m입니다 (센서에서 거기와 뒤쪽이므로 각 방향이 5m이지만 와이어당 계산합니다).

2단계: 기준점에서 측정

센서를 얼음 욕조 (0°C) 에 놓으면 측정 회로가 101.64 Ω. 라고 표시됩니다. 0°C에서 이상적인 PT100 값은 100 Ω, 입니다.

훌륭합니다. 이것은 와이어 게이지와 길이를 확인한 우리의 계산과 일치합니다.

3단계: 목표 온도에서 측정

센서를 수조에 넣으면 회로가 150.28 Ω. 으로 표시됩니다. 실제 센서 저항은 다음과 같습니다.

4단계: 저항을 온도로 변환

PT100 차량의 경우, 캘린더-밴 듀센 방정식은 온도에 대한 저항을 연관시킵니다.0°C ~ 100°C 범위의 간단한 근사값은 다음과 같습니다.

3선 보정이 없었다면 다음과 같이 계산했을 것입니다.

이는 4.3°C의 오차입니다. 정밀한 공정 제어를 유지하려는 경우 의미가 있습니다.

전체 캘린더-밴 두센 방정식을 포함하여 더 정확한 계산을 위해서는 RTD 온도 계산기 (PT100/PT1000)을 사용하십시오.

일반적인 실수와 문제

알려진 기준점에서의 리드 저항을 검증하지 않았습니다. 많은 엔지니어들은 와이어 게이지와 길이가 정확하다고 가정하고 빙점 보정을 건너뛰고 있습니다.그러면 왜 측정값이 변하는지 궁금해합니다.항상 0°C 또는 다른 알려진 기준 온도를 확인하십시오. 이것이 설치 오류를 찾아내는 유일한 방법입니다. 계수 2.는 잊어버렸습니다 측정 시 납 저항이 두 번 나타납니다. 한 번은 나가는 길에, 한 번은 돌아올 때 나타납니다. $2 \times R_{lead}$ 대신 $R_{lead}$ 만 빼더라도 여전히 50% 의 오차가 남습니다. 리드마다 다른 와이어 게이지 또는 길이를 사용하십시오. 리턴 와이어가 구동 와이어보다 얇거나 길면 3선 방식이 고장납니다.전체 접근 방식에서는 두 리드가 동일하다고 가정합니다.그렇지 않을 경우 4선 시스템이 필요합니다. 와이어 자체의 온도 변화를 무시합니다. 구리의 저항률은 온도에 따라 변합니다.50°C에서는 20°C보다 약 2% 더 높으며, 매우 정밀한 작업을 위해서는 이 점이 중요합니다.대부분의 3선 시스템에서는 리드 저항이 일정하다고 가정하는데, 이는 ± 5% 정확도에서는 괜찮지만 ± 0.1% 어플리케이션에서는 그렇지 않습니다. 감지 리드를 잘못된 지점에 연결했습니다. 감지 리드는 리턴 와이어의 중간이 아니라 센서 자체에 연결해야 합니다.센서를 잘못된 위치에 연결하면 잘못된 것을 다시 측정할 수 있습니다. 단자의 접촉 저항을 고려하지 않습니다. 와이어와 RTD 소자 자체 사이의 연결에는 저항이 있습니다.이 값은 일반적으로 작지만 (0.1 Ω) 미만) 0은 아닙니다.최고의 정확도를 얻으려면 이를 기준 측정에 포함시키십시오. 이것이 바로 빙점 보정이 매우 중요한 이유입니다.

3선으로는 충분하지 않은 경우

응용 분야에 0.5% 이상의 정확도가 필요하거나 리드 와이어가 매우 길거나 매우 얇은 경우 3선 RTD로는 문제가 해결되지 않습니다.전류가 전혀 전달되지 않는 별도의 감지 리드를 사용하는 4선 RTD로 전환하십시오.이를 통해 리드 저항 오류가 거의 완전히 제거됩니다.단점은 비용과 복잡성입니다. 4선식 시스템에는 보다 정교한 측정 전자 장치가 필요합니다.

RTD가 측정 회로 바로 옆에 있는 애플리케이션 (몇 센티미터의 와이어) 의 경우 2선도 사용할 수 있습니다.하지만 1~2미터 이상의 와이어는 최소 3와이어를 사용해야 합니다.

직접 해보기

더 많은 예제를 살펴보거나 계산 결과를 확인하려는 경우 RTD 온도 계산기 (PT100/PT1000)를 사용하여 전체 Callendar-Van Dusen 방정식을 처리하므로 넓은 온도 범위에서 납 저항이 측정값에 미치는 영향을 살펴볼 수 있습니다.와이어 게이지와 길이를 연결하고 알려진 기준점에서 센서를 측정하고 보정된 온도를 계산하도록 하세요.