FAQ: LTR27 – от 4-проводной схемы измерения сопротивления к 3-проводной

В случае применения LTR27 с субмодулем H-27R100 или H-27R250 штатным случаем подключения при измерении сопротивления является 4-проводная схема (рисунок 1 слева). Здесь и далее в этой статье красным цветом на рисунках выделяются все участки токовой цепи питания датчиков.  

Существует целый класс 3-проводных терморезисторых (RTD) датчиков, для которых также можно применить LTR27, согласно описанным ниже вариантам.  

Рисунок 1. К объяснению 1-го и 2-го вариантов. 

На рисунке 1 в центре показана 3-проводная схема подключения измеряемого сопротивления Rx, но в данном случае измеряться будет величина  Rx + Rw, где  Rw – сопротивление провода от датчика до точки соединения цепей -I, -U на стороне LTR27. Если величина Rw была бы известна, то потребовалось бы просто вычесть Rw из показаний LTR27. В этом и заключается первый, самый простой вариант применения 3-проводного датчика.

Вариант 1. Для подключения – рисунок 1 в центре –  временно замкнуть измеряемое сопротивление Rx на стороне датчика и использовать в дальнейшем измеренное значение сопротивления Rw в качестве компенсирующего значения, которое нужно будет каждый раз вычитать из  измеренного Rx + Rw (уже с незамкнутым Rx).  

Но поскольку сопротивление провода зависит от температуры, то такой способ компенсации применим при достаточно малом сопротивлении Rw по отношению к Rx и при постоянстве температуры этого провода. Возможный принцип измерения Rw рассмотрен в варианте 2.

Вариант 2. Для измерения Rw понадобится иметь один свободный канал H-27T, подключенный по схеме рис.1 справа, и понадобится выполнение  условия равенства сопротивлений проводов Rw=Rw* (которое, как правило, практически соблюдается): H-27T измеряет напряжение U*, программно вычисляется Rw*=U*/Ix, которое вычитается из измеренного сопротивления H-27R. В качестве значения тока Ix можно либо взять значение номинального тока  H-27R, равное 1,6 мА, либо (для более точного результата), предварительно измеренное калиброванное значение для каждого H-27R c привязкой к его серийному номеру на верхнем программном уровне. Здесь подразумевается также, что измеряемое U* < 75 мВ. Если все провода от Ваших датчиков идентичны (по длине, сечению, материалу  и температурным условиям), то понадобится только один канал  H-27T для  программной компенсации одинакового сопротивления Rw всех 3-проводных датчиков. Данная схема требует совместной обработки данных от соответствующих  каналов H-27T и H-27R, задействованных в подключении к одному 3-проводному датчику. Если все каналы – от одного LTR27, то поступающие данные разных каналов уже выровнены по времени. Если данные для совместной обработки берутся от разных модулей LTR27, то выравнивание данных по времени можно достичь с применением меток синхронизации в данном крейте, с привязкой  данных по меткам синхронизации.

Для специальных задач, требующих искрозащиты цепей датчиков, заметим, что  4-проводная схема совместима с пассивными искробарьерами соответствующего типа. Но предложенные 3-проводные схемы по вариантам 1 и 2 несовместимы с обычными  пассивными искробарьерами, поскольку каналы искробарьеров имеют существенный для данной схемы разброс и нестабильность сопротивлений.

Существуют ли иные варианты подключения 3-проводных датчиков к LTR27 в составе с H-27R, принципиально совместимые с пассивными искробарьерами и не требующие какой-либо дополнительной компенсации сопротивления проводов?  

– Да, существуют, но эти способы связаны с образованием дополнительной точки соединения на стороне датчиков. Эти решения рассмотрены ниже (как варианты 3 и 4).

Вариант 3.  Для пары близко расположенных 3-проводных датчиков следует образовать точку соединения "А" так, чтобы длины проводов Rw1 и Rw2 были бы минимальны (рисунок 2). При соединениях, показанных на рисунке, один из проводов от точки "А"  до LTR27 будет пропускать сумму токов I1 + I2 питания датчиков, а другой – служить для привязки потенциала входов -U высокоомных дифференциальных входов измерения напряжения H-27R.  Поскольку входы LTR27 имеют поканальную гальваноразвязку, то контура токов I1 и I2 пересекаются не более, чем в одной точке, что обеспечивает независимость обеих цепей измерения.   

Рисунок 2. К объяснению 3-го варианта. 

За исключением коротких участков проводов Rw1 и Rw2, данная схема принципиально сохраняет независимость от сопротивления остальных проводов. 

Но даже, если N  3-проводных датчиков расположены друг от друга не слишком близко, всё равно возможно образование дополнительного соединения на стороне датчиков так, чтобы потребовалось только 3N+1 проводов от N шт. 3-проводных датчиков, при этом добавленный один провод может образовывать заземлённую цепь. Этот случай рассмотрен в варианте 4.

Вариант 4. От N шт. 3-проводных датчиков следует ответвить токовые цепи так, чтобы длины проводов Rw1...RwN были бы минимальной длины (рисунок 3), при этом длины остальных участков образованной токовой цепи не имеют значения. Ответвлённые от датчиков токовые цепи оптимальнее всего объединить в точку "B" (но допустимо соединять и "последовательным обходом"), и поскольку эту цепь можно заземлить, то её можно не пропускать через искробарьер (для искрозащищённых приложений). Поскольку входы LTR27 имеют поканальную гальваноразвязку, то контура токов I1...IN пересекаются не более, чем в одной точке "B", что обеспечивает независимость цепей измерения всех датчиков.  

Рисунок 3. К объяснению 4-го варианта. 

За исключением коротких участков проводов Rw1,..., RwN, данная схема принципиально сохраняет независимость от сопротивления остальных проводов. 

Отметим немаловажное преимущество схемотехнического решения по варианту 4, по сравнению с вариантами 1-3: в варианте 4 не нарушена симметрия дифференциального входа со стороны LTR27. Если пару проводов +U, -U  проложить в кабеле симметрично (витой парой), то эта мера обеспечит лучшее соотношение "сигнал-помеха" в канале измерения. С другой стороны, это же означает, что в вариантах 1-3 более остро может встать вопрос об экранированном подключении (один общий экран в кабеле) для подавления электромагнитных помех внешнего происхождения.