Medición de resistencia: Sistemas de conexión y medida a 2, 3 y 4 hilos ¿Cómo funcionan y para qué se utilizan?
Quizás ya sepas que para medir una resistencia o RTD puedes usar un sistema de conexión a 2, 3 ó 4 hilos. Sin embargo, puede que no recuerdes cuál es la diferencia entre ellos y cómo funcionan realmente estas conexiones. Da un poco de pudor admitirlo, lo sé. No te preocupes, aquí te explicaré cómo funcionan. Lee este artículo para asimilar estos conocimientos. En este artículo explico brevemente y de forma sencilla cómo funciona una resistencia o RTD y qué diferencia hay entre las conexiones a 2, 3 y 4 hilos. Espero que esta información te sea útil para tu trabajo.
Empecemos a profundizar: ¿Cómo funciona una resistencia o RTD?
Comenzaremos esta explicación desde la base. Antes de hablar sobre el número de hilos en la conexión, fijémonos en cómo funciona un equipo de medida de resistencia.
Para empezar: En realidad, un equipo de medida de resistencia no mide en sí la resistencia. ¿Qué?
Un equipo de medida de resistencia funciona enviando, con gran exactitud, pulsos de corriente de un nivel muy bajo a través de la resistencia que se pretende medir y, después, mide la caída de tensión sobre la misma. Una vez conocemos la corriente y la tensión, el resto está solucionado con nuestra vieja y buena amiga: la ley de Ohm. La ley de Ohm establece que la resistencia es la tensión dividida por la corriente o R = U/l.
Por lo tanto, el equipo de medida mide o, mejor dicho, conoce el valor de la resistencia a través de la corriente y lamedida de tensión.
Normalmente, la corriente de medición es del orden de 1 mA, por lo que si estás midiendo una resistencia de 100 Ω, habrá 0,1 V de caída de tensión sobre la resistencia. Los valores de resistencia más altos usarán unas corrientes de medición más pequeñas. Con frecuencia, los transmisores de temperatura utilizan una corriente de 0,2 mA. He visto transmisores desde
0,1 mA hasta varios mA.
La corriente de medición provocará un autocalentamiento en un sensor del tipo RTD debido a la disipación de potencia, especialmente en elementos pequeños del tipo RTD con una escasa transferencia térmica con su entorno. Por ello, la corriente de medición deberá ser lo más pequeña posible.
El aspecto principal es que el dispositivo de medición de la resistencia en sí debe saber exactamente qué corriente está generando para poder llevar a cabo un cálculo correcto.
Puede que haya llegado la hora de mostrar una imagen para explicar esto:
Gráfico 1: Sistema de conexión a 2 hilos
En la imagen anterior se muestra un sistema de conexión a dos hilos, ya que solo hay dos hilos (cables de test) en uso para conectar la resistencia. En dicha imagen, los cables son perfectos sin ninguna variación de resistencia en ellos. No obstante, en la práctica, todos los cables (incluidos los cables de
test) tienen alguna resistencia; del mismo modo, los contactos y terminales tienen una mayor o menor resistencia.
Por lo tanto, si mostramos la conexión funcional del sistema de conexión y medida a dos hilos, considerando la resistencia de los cables de test y la de las conexiones, obtenemos el siguiente tipo de esquema práctico.
Gráfico 2: Esquema práctico del sistema de conexión a 2 hilos
Llegados a este punto, el mayor problema es que ahora el equipo de medida mostrará el valor resultante que será la combinación de «la resistencia que se pretende medir» y todas las resistencias de los cables y las conexiones.
Lo que se obtiene es la suma de Uw + Ur + Uw, aunque solo queremos conocer el valor de Ur.
Por lo tanto, hay un error en el resultado.
Dependiendo de los cables y las conexiones, esto puede causar un gran error en la medición. En el caso de cables largos y conexiones débiles, el error puede ser de varios ohmios (o en algunos casos infinito). Pero incluso en el caso de unas pinzas y cables de test de alta calidad, siempre existirá algún error.
Si quieres realizar mediciones de resistencia (o RTD) con exactitud y fiables, nunca uses un sistema de conexión y medida a 2 hilos.
¿Cómo librarse de los errores de la medición a dos hilos? La mejor solución es usar un sistema de conexión y medida a 4 hilos.
Sistema de conexión y medida a 4 hilos
Con un sistema de conexión y medida a 4 hilos, la idea es tener cables separados para generar la corriente de medición y medir la caída de tensión sobre la resistencia.
Para este tipo de conexión, se necesitan 4 hilos (cables), de ahí viene su nombre. Lógico…
Fijémonos en la imagen del sistema de conexión y medida a 4 hilos:
Gráfico 3: Sistema de conexión a 4 hilos
Puede que te preguntes qué diferencia hay en la medida con el sistema de conexión a 2 hilos. En realidad, no hay ninguna diferencia con las conexiones y con unos cables con valores óhmicos idénticos, pero es realmente difícil obtener estos cables ideales…
Así que, en la práctica, con todas las resistencias variables desconocidas entre los cables y las conexiones, esto marca la diferencia.
¿Por qué? Bueno, para eso estoy aquí, déjame que te lo explique con más detalle:
Ahora hay cables separados para proporcionar una corriente conocida y de gran exactitud a través de la resistencia. Si existe alguna resistencia en estas conexiones y cables, no tendrá importancia, porque el generador de corriente constante hará que dicha corriente no cambie al pasar por las resistencias de los cables provocadas por el sistema de conexión.
Asimismo, hay cables separados para la medición de la tensión. Estos cables están conectados directamente a los extremos de la resistencia que se pretende medir. Dado que la medición de la tensión se realiza con una impedancia muy alta, cualquier resistencia en estos cables no tendrá ningún
efecto, ya que prácticamente no habrá circulación de corriente, por lo que no se provocará ninguna caída de tensión y no habrá error.
Este sería el esquema práctico del sistema de conexión y medida a 4 hilos, se parece algo a la imagen mostrada anteriormente, pero en este caso con las resistencias de los cables de conexión (Rw) añadidas:
Gráfico 4: Esquema práctico del sistema de conexión a 4 hilos
El sistema de conexión a 4 hilos es el que ofrece mejor exactitud para medir resistencia o un sensor del tipo RTD.
Sistema de conexión y medida a 3 hilos
En la práctica,y, concretamente en la industria, implantar sistemas de medición a 4 hilos puede resultar un poco caro. Hay una modificación simplificada del sistema de conexión a 4 hilos, que es la conexión a 3 hilos.
A pesar de que el sistema de conexión a 3 hilos no tiene un nivel de exactitud tan alto como el de 4 hilos, está muy cerca si los 3 cables son similares. En la práctica, el sistema de conexión a 3 hilos es muy parecido al de 4 hilos en exactitud y mucho mejor que el sistema de conexión a 2 hilos. Por lo tanto, el sistema de conexión a 3 hilos se ha convertido en un
estándar en numerosas aplicaciones industriales.
En el sistema de conexión a 3 hilos, la idea es que quitemos uno de los cables de medición de la tensión y asumir que todos los cables son similares en cuanto a su valor resistivo.
Esquema del sistema de conexión a 3 hilos, con las resistencias provocadas por el cableado y las conexiones:
Gráfico 5: Esquema práctico del sistema de conexión a 3 hilos
En este esquema, el cable de medición de tensión inferior se ha eliminado y conectado al mismo cable de medición de corriente. Así que la conexión de la parte inferior recuerda al sistema de conexión a 2 hilos, mientras que la de la parte superior hace referencia al sistema de conexión a 4 hilos. En la parte superior, el equipo de medida puede compensar la resistencia del cable, pero en la parte inferior no tiene medios para compensar la resistencia del cable (Rw3).
Entonces, ¿cómo funciona la conexión?
El equipo de medida de resistencia tiene una conmutación interna, por lo que primero puede medir solo la resistencia del lazo superior (suma de Rw1+Rw2), luego divide el resultado entre dos y obtiene la resistencia media de estos dos cables. Así, el equipo de medida asume que el tercer cable (Rw3) tiene la misma resistencia que la media de Rw1 y Rw2. Después, cambia a una conexión normal (como en la imagen) para medir la impedancia R conectada y utiliza los resultados de la resistencia de los cables medidos anteriormente en el resultado de medición.
No está de más recordar que el sistema de conexión a 3 hilos solo tiene un nivel elevado de exactitud si todos los cables y conexiones tienen un mismo valor de resistencia. Si hay diferencias en las resistencias de los cables y las conexiones, entonces la conexión a 3 hilos obtendrá un resultado de medición erróneo.
A menudo, en las aplicaciones industriales, el sistema de conexión a 3 hilos es un buen recurso, tiene la suficiente exactitud y requiere de un cable menos que en el sistema de conexión y medida a 4 hilos.
Conclusión
Unas cuantas cosas que hay recordar:
- Cuando calibres una resistencia del tipo RTD, utiliza siempre que sea posible el sistema de conexión a 4 hilos.
- Por supuesto, cuando calibres un transmisor de temperatura del tipo RTD configurado para un sistema de medición a 3 hilos, necesitarás usar 3 cables. Asegúrate de que los 3 cables son similares y que estén bien conectados.
- Cuando en proceso utilices una sonda de temperatura del tipo RTD de 3 hilos, conectada a un transmisor, asegúrate que los 3 cables están bien apretados a los tornillos de conexión.
- Cuando utilices una sonda de referencia del tipo RTD en una calibración, asegúrate de utilizar siempre una conexión a 4 hilos.
- No midas resistencia usando el sistema de conexión a 2 hilos para nada que necesite una gran exactitud. Obviamente se puede usar para la resolución de problemas y para mediciones orientativas.
Espero que esta publicación te haya parecido útil.
Como siempre, por favor, comenta y envía tus ideas relacionadas con las buenas formas de calibrar relativas a los temas que te gustaría leer próximamente en este blog.
Publicación original: Resistance measurement; 2, 3 or 4 wire connection – How does it work and which to use?
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