Optimaliseren van RTD-temperatuursensorsystemen:ontwerp

In dit tweede artikel over optimalisatie van weerstandstemperatuurdetectoren (RTD)-detectiesystemen , onderzoeken we de optimalisatie van het RTD-systeem, de selectie van externe componenten en de evaluatie van het uiteindelijke RTD-systeem.

In het eerste artikel van deze driedelige serie over RTD hebben we het gehad over uitdagingen op het gebied van temperatuurmeting, RTD-typen, verschillende configuraties en het RTD-configuratiecircuit. In het tweede artikel hebben we de drie verschillende RTD-configuraties geschetst:2-draads, 3-draads en 4-draads. In dit laatste artikel in de serie zullen we de optimalisatie van het RTD-systeem, de selectie van externe componenten en de evaluatie van het uiteindelijke RTD-systeem onderzoeken.

RTD-systeemoptimalisatie

Als we kijken naar problemen met systeemontwerpers, zijn er verschillende uitdagingen bij het ontwerpen en optimaliseren van RTD-toepassingsoplossingen. Uitdaging één is de sensorselectie en het aansluitschema die in de vorige paragrafen zijn besproken. Uitdaging twee is de meetconfiguratie, inclusief de ADC-configuratie, het instellen van de bekrachtigingsstroom, het instellen van de versterking en het selecteren van de externe componenten, terwijl systeemoptimalisatie en werking binnen de ADC-specificatie worden gegarandeerd. En tot slot, het meest kritieke probleem is hoe de beoogde prestaties kunnen worden bereikt en wat de foutbronnen zijn die bijdragen aan de algehele systeemfout.

Gelukkig is er een nieuwe RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator die een praktische oplossing biedt voor het ontwerpen en optimaliseren van RTD-meetsystemen, van concept tot prototype.

Het hulpmiddel:

• Maakt het begrip van de juiste configuratie, bedrading en schakelschema mogelijk
• Helpt bij het begrijpen van de verschillende foutbronnen en maakt ontwerpoptimalisatie mogelijk

De tool is ontworpen rond de AD7124-4/AD7124-8. Hiermee kan de klant instellingen aanpassen, zoals excitatiestroom, versterking en externe componenten (Figuur 1). Het geeft out-of-bound condities aan om ervoor te zorgen dat de uiteindelijke oplossing binnen de specificaties van de ADC valt.

klik voor afbeelding op volledige grootte

Figuur 1. RTD-configurator. (Bron:Analoge apparaten)

Selectie van excitatiestroom, versterking en externe componenten

In het ideale geval hebben we de neiging om hogere magnitudes van excitatiestroom te selecteren om een ​​veel hogere uitgangsspanning te genereren en het ADC-ingangsbereik te maximaliseren. Omdat de sensor echter resistief is, moet de ontwerper er ook voor zorgen dat de vermogensdissipatie of zelfverhittingseffecten van een grote waarde van de excitatiestroom de meetresultaten niet beïnvloeden. Een systeemontwerper kan een hoge bekrachtigingsstroom kiezen. Om zelfopwarming tot een minimum te beperken, moet de bekrachtigingsstroom tussen metingen worden uitgeschakeld. De ontwerper moet rekening houden met de timingimplicaties voor het systeem. Een alternatieve benadering is om een ​​lagere excitatiestroom te selecteren die zelfopwarming minimaliseert. Timing is nu geminimaliseerd, maar de ontwerper moet bepalen of de systeemprestaties worden beïnvloed. Alle scenario's kunnen worden getest via de RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator. De tool stelt de gebruiker in staat om de selectie van excitatiestroom, versterking en externe componenten in evenwicht te brengen om ervoor te zorgen dat de analoge ingangsspanning wordt geoptimaliseerd, samen met het afstemmen van de ADC-versterking en -snelheid om een ​​betere resolutie en betere systeemprestaties te geven, wat betekent minder ruis en lagere offsetfout.

Om het resulterende filterprofiel te begrijpen of om een ​​dieper inzicht te krijgen in de timing van de conversies, biedt de VirtualEval online tool dit detail.

De ADC-ingang en referentie-ingangen van een sigma-delta ADC worden beide continu bemonsterd door een geschakelde condensator-front-end. Voor de besproken RTD-systemen wordt de referentie-ingang ook aangestuurd door een externe referentieweerstand. Voor anti-aliasing wordt een extern RC-filter aanbevolen op de analoge ingang van een sigma-delta ADC. Voor EMC-doeleinden kan een systeemontwerper grote R- en C-waarden gebruiken op zowel de analoge ingang als de referentie-ingang. Grote RC-waarden kunnen gain-fouten in metingen veroorzaken, omdat de front-end circuits niet voldoende tijd hebben om zich tussen de bemonsteringsmomenten te vestigen. Het bufferen van de analoge en referentie-ingangen voorkomt deze versterkingsfouten en maakt het gebruik van onbeperkte R- en C-waarden mogelijk.

Voor de AD7124-4/AD7124-8, wanneer een interne versterking groter dan 1 wordt gebruikt, worden de analoge ingangsbuffers automatisch ingeschakeld en aangezien de PGA voor de ingangsbuffers wordt geplaatst, aangezien de PGA van rail naar rail is, is de analoge ingang is ook van spoor tot spoor. In het geval van de referentiebuffers of bij gebruik van de ADC met een versterking van 1 met ingeschakelde analoge ingangsbuffers, is het echter noodzakelijk om ervoor te zorgen dat wordt voldaan aan de hoofdruimte die nodig is voor een correcte werking.

Signalen van Pt100's zijn laag niveau. Ze zijn in de orde van honderden mV. Voor optimale prestaties kan een ADC met een breed dynamisch bereik worden gebruikt. Als alternatief kan een versterkingstrap worden gebruikt om het signaal te versterken voordat het wordt toegepast op de ADC. De AD7124-4/AD7124-8 ondersteunt versterkingen van 1 tot 128, waardoor een geoptimaliseerd ontwerp voor een breed scala aan excitatiestromen mogelijk is. De meerdere toegestane opties voor PGA-versterking stellen de ontwerper in staat om de huidige waarde van de bekrachtiging af te wisselen met versterking, externe componenten en prestaties. De RTD-configuratortool geeft aan of de nieuwe bekrachtigingsstroomwaarden kunnen worden gebruikt met de geselecteerde RTD-sensor. Geschikte waarden voor de precisiereferentieweerstand en de referentiehoogteweerstand worden ook voorgesteld. Merk op dat de tool ervoor zorgt dat de ADC binnen de specificaties wordt gebruikt - het geeft mogelijke voordelen weer die de configuratie ondersteunen. De AD7124-bekrachtigingsstromen hebben een uitgangsconformiteit; dat wil zeggen, de spanning op de pin die de bekrachtigingsstroom levert, heeft wat hoofdruimte nodig van AVDD. De tool zorgt er ook voor dat aan deze nalevingsspecificatie wordt voldaan.

Met de RTD-tool kan de systeemontwerper een systeem garanderen dat binnen de bedrijfsgrenzen van de ADC en de RTD-sensor valt. De nauwkeurigheid van de externe componenten zoals de referentieweerstand en zijn bijdrage aan de systeemfout zullen later worden besproken.

Filteropties (analoge en digitale 50 Hz/60 Hz afwijzing)

Zoals eerder besproken, wordt een anti-aliasingfilter aanbevolen bij sigma-delta-converters. Omdat het ingebedde filter digitaal is, wordt de frequentierespons gereflecteerd rond de bemonsteringsfrequentie. Anti-aliasingfiltering is vereist om eventuele interferentie op de modulatorfrequentie en op alle veelvouden van deze frequentie adequaat te dempen. Aangezien sigma-delta-converters de analoge ingang oversamplen, is het ontwerp van het anti-aliasingfilter aanzienlijk vereenvoudigd en is een eenvoudig enkelpolig RC-filter voldoende.

Wanneer het uiteindelijke systeem in het veld wordt gebruikt, kan het omgaan met ruis of interferentie van de omgeving waarin het systeem werkt een behoorlijke uitdaging zijn, vooral in toepassingsruimten zoals industriële automatisering, instrumentatie, procesbesturing of stroomregeling, waar tolerant zijn tegen ruis en tegelijkertijd niet luidruchtig zijn voor uw aangrenzende componenten is vereist. Ruis, transiënten of andere storingsbronnen kunnen de nauwkeurigheid en resolutie van het systeem beïnvloeden. Storingen kunnen ook optreden wanneer systemen worden gevoed via het lichtnet. De frequenties van de hoofdvoeding worden gegenereerd bij 50 Hz en zijn veelvouden in Europa, en 60 Hz en zijn veelvouden in de VS. Bij het ontwerpen van een RTD-systeem moet dus een filtercircuit met 50 Hz/60 Hz onderdrukking worden overwogen. Veel systeemontwerpers willen een universeel systeem ontwerpen dat zowel 50 Hz als 60 Hz tegelijkertijd verwerpt.

De meeste ADC's met een lagere bandbreedte, waaronder AD7124-4/AD7124-8, bieden een verscheidenheid aan digitale filteropties die kunnen worden geprogrammeerd om inkepingen in te stellen op 50 Hz/60 Hz. De geselecteerde filteroptie heeft invloed op de uitvoergegevenssnelheid, de insteltijd en de 50 Hz en 60 Hz onderdrukking. Wanneer meerdere kanalen zijn ingeschakeld, is er een insteltijd nodig om een ​​conversie te genereren telkens wanneer van kanaal wordt gewisseld; dus het selecteren van een filtertype met een langere insteltijd (dat wil zeggen, sinc4 of sinc3) zal de algehele doorvoersnelheid verlagen. In dit geval is een postfilter of FIR-filter nuttig om een ​​redelijke gelijktijdige 50 Hz/60 Hz-onderdrukking te bieden bij lagere insteltijden en zo de doorvoersnelheid te verhogen.

Overweging met betrekking tot vermogen

Het huidige verbruik of de toewijzing van het stroombudget van het systeem is sterk afhankelijk van de eindtoepassing. De AD7124-4/AD7124-8 bevatten drie vermogensmodi die een afweging tussen prestaties, snelheid en kracht mogelijk maken. Voor elke draagbare of externe toepassing moeten componenten en configuraties met laag vermogen worden gebruikt, en voor sommige industriële automatiseringstoepassingen wordt het volledige systeem gevoed vanuit de 4 mA tot 20 mA-lus, zodat een huidig ​​budget van maximaal 4 mA is toegestaan. Voor dit type toepassing kunnen de apparaten worden geprogrammeerd in de midden- of laagvermogenmodus. De snelheid is veel lager, maar de ADC levert nog steeds hoge prestaties. Als de toepassing procesbesturing is, die wordt gevoed door het lichtnet, is een veel hoger stroomverbruik toegestaan, zodat het apparaat op vol vermogen kan worden geprogrammeerd en dit systeem een ​​veel hogere uitvoergegevenssnelheid en betere prestaties kan bereiken.

Foutbronnen en kalibratie-opties

Nadat u de vereiste systeemconfiguratie kent, is de volgende stap het schatten van de fouten die verband houden met de ADC en de systeemfouten. Deze helpen systeemontwerpers om te begrijpen of de front-end en ADC-configuratie zullen voldoen aan de algehele doelnauwkeurigheid en prestaties. Met de RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator kan de gebruiker de systeemconfiguratie wijzigen voor optimale prestaties. Afbeelding 2 toont bijvoorbeeld een overzicht van alle fouten. Het cirkeldiagram met systeemfouten geeft aan dat de initiële nauwkeurigheid van de externe referentieweerstand en de temperatuurcoëfficiënt de belangrijkste foutoorzaken zijn van de algehele systeemfout. Het is dus belangrijk om te overwegen een externe referentieweerstand te gebruiken met een hogere nauwkeurigheid en een betere temperatuurcoëfficiënt.

klik voor afbeelding op volledige grootte

Figuur 2. RTD-foutbronnen rekenmachine. (Bron:Analoge apparaten)

De fout als gevolg van de ADC is niet de belangrijkste fout die bijdraagt ​​aan de algehele systeemfout. De foutbijdrage van de ADC kan echter verder worden verminderd met behulp van de interne kalibratiemodi van de AD7124-4/AD7124-8. Een interne kalibratie wordt aanbevolen bij het opstarten of software-initialisatie om de ADC-versterking en offset-fouten te verwijderen. Houd er rekening mee dat deze kalibraties geen fouten zullen verwijderen die zijn veroorzaakt door de externe circuits. De ADC kan echter ook systeemkalibraties ondersteunen, zodat de offset- en versterkingsfout van het systeem tot een minimum kunnen worden beperkt, maar dit kan extra kosten met zich meebrengen en is mogelijk niet vereist voor de meeste toepassingen.

Foutdetectie

Voor elke ruwe omgeving of voor toepassingen waar veiligheid een prioriteit is, wordt diagnostiek een onderdeel van de industrievereisten. De ingebouwde diagnostiek in de AD7124-4/AD7124-8 vermindert de behoefte aan externe componenten om diagnostiek te implementeren, wat resulteert in een kleinere, vereenvoudigde tijd- en kostenbesparende oplossing.

Diagnostiek omvat:

• Controles van het spanningsniveau op de analoge pinnen om er zeker van te zijn dat het binnen het gespecificeerde werkbereik ligt
• Een cyclische redundantiecontrole (CRC) op de seriële perifere interface (SPI) bus
• Een CRC op de geheugenkaart
• Signaalketencontroles

Deze diagnostiek leidt tot een robuustere oplossing. De storingsmodi, effecten en diagnostische analyse (FMEDA) van een typische 3-draads RTD-toepassing hebben een veilige storingsfractie (SFF) van meer dan 90% aangetoond volgens IEC 61508.

RTD-systeemevaluatie

Figuur 3 toont enkele meetgegevens van circuitnota CN-0383. Deze gemeten gegevens zijn vastgelegd met het AD7124-4/AD7124-8 evaluatiebord, dat demomodi voor 2-, 3- en 4-draads RTD's bevat, en berekenden de bijbehorende graad Celsius-waarde. De resultaten laten zien dat een 2-draads RTD-implementatie een fout geeft die dichter bij de ondergrens van de foutgrens ligt, terwijl de 3-draads of 4-draads RTD-implementatie een algemene fout heeft die ruim binnen de toegestane limiet ligt. De hogere fout in de 2-draads meting is te wijten aan de eerder beschreven fouten in de kabelweerstand.

klik voor afbeelding op volledige grootte

Figuur 3. Een 2-/3-/4-draads RTD-temperatuurnauwkeurigheidsmeting nafilter in laagvermogenmodus bij 25 SPS. (Bron:Analoge apparaten)

Wat deze voorbeelden laten zien, is dat het volgen van de bovenstaande RTD-richtlijnen zal leiden tot een ontwerp met hoge nauwkeurigheid en hoge prestaties bij gebruik in combinatie met ADI's sigma-delta ADC's met een lagere bandbreedte, zoals de AD7124-4/AD7124-8. De circuitnota (CN-0383) zal ook dienen als referentieontwerp dat de systeemontwerper helpt snel tot prototyping te komen. Het evaluatiebord stelt de gebruiker in staat om de systeemprestaties te evalueren waarin elk van de voorbeeldconfiguratiedemomodi kan worden gebruikt. In de toekomst kan firmware voor de verschillende RTD-configuraties eenvoudig worden ontwikkeld met behulp van door ADI gegenereerde voorbeeldcode die beschikbaar is op de productpagina's van AD7124-4/AD7124-8.

ADC's, die een sigma-delta-architectuur gebruiken, zoals van de AD7124-4/AD7124-8, zijn geschikt voor RTD-meettoepassingen omdat ze problemen aanpakken zoals 50 Hz/60 Hz-afwijzing, evenals een breed common-mode-bereik op de analoge en eventueel de referentie-ingangen. Ze zijn ook sterk geïntegreerd en bevatten alle functies die nodig zijn voor een RTD-systeemontwerp. Bovendien bieden ze verbeterde functies zoals kalibratiemogelijkheden en ingebouwde diagnostiek. Dit niveau van integratie, samen met het volledige systeemmateriaal of ecosysteem, vereenvoudigt het algehele systeemontwerp, de kosten en de ontwerpcyclus van concept tot prototyping.

Om de reis van systeemontwerpers te vergemakkelijken, kunnen de RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator-tool samen met de online tool VirtualEval, de hardware en software van het evaluatiebord en CN-0383 worden gebruikt om de verschillende uitdagingen aan te pakken, zoals connectiviteitsproblemen en het algemene foutenbudget, en de gebruikers naar het volgende niveau van hun ontwerp.

Conclusie

Dit artikel heeft aangetoond dat het ontwerpen van een RTD-temperatuurmeetsysteem een ​​uitdagend, uit meerdere stappen bestaand proces is. Het vereist het maken van keuzes in termen van de verschillende sensorconfiguraties, ADC-selectie en optimalisaties en hoe die beslissingen de algehele systeemprestaties beïnvloeden. De tool ADI RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator, samen met de online tool VirtualEval, de hardware en software van het evaluatiebord, en CN-0383 stroomlijnen het proces door connectiviteit en algemene problemen met het foutenbudget aan te pakken.

---

Jellenie Rodriguez is een application engineer bij Analog Devices binnen de Precision Converter Technology Group. Haar focus ligt op precisie sigma-delta ADC's voor DC-metingen. Ze kwam in 2012 bij ADI en studeerde in 2011 af aan het San Sebastian College-Recoletos de Cavite met een bachelor in elektronica-engineering. Ze is bereikbaar via [email protected]. Mary McCarthy is een applicatie-engineer bij Analog Devices. Ze trad in 1991 in dienst bij ADI en werkt bij de Linear and Precision Technology Applications Group in Cork, Ierland, waar ze zich richt op precisie-sigma-delta-converters. Mary studeerde in 1991 af met een bachelor in elektronische en elektrotechniek aan University College Cork. Ze is bereikbaar via [email protected].

---

Verwante inhoud:

• Optimaliseren van RTD-temperatuurmeetsystemen:uitdagingen (deel 1 in deze serie)
• Optimaliseren van RTD-temperatuurmeetsystemen:bedradingsconfiguraties (deel 2 in deze serie)
• Een delta-sigma ADC gebruiken in uiterst nauwkeurige multisensorsystemen
• Precisiemetingen uitvoeren met siliconen temperatuursensoren
• Interfacing met moderne sensoren:interfaceontwerp met C++
• Ontwikkeling van data-acquisitie en verwerkingsplatform bij hoge temperaturen

Abonneer u voor meer Embedded op de wekelijkse e-mailnieuwsbrief van Embedded.