Delta-Sigma ADC's benutten voor ultra-high-precision olie, gas en petroleum multisensor-systemen

Multi-sensor arrays in olie, gas en petroleum-faciliteiten oogsten continu cruciale druk- en temperatuurdata. Om accurate, hoge-resolutie metingen te leveren over de brede dynamische ranges die deze omgevingen eisen, moet de sensorketen zowel compact als uitzonderlijk precies zijn.

Traditionele multi-sensor elektronica is vaak bulky, kost-intensief en mist de robuustheid die vereist is voor veld-implementatie. Discrete analoge conditionering circuits voldoen niet aan de strakke toleranties die nodig zijn voor moderne procesbesturing, wat leidt tot drift en foutaccumulatie (zie Figuur 1).

Figuur 1: Een drukveiligheidsklep beschermt piping-systemen tegen over-druk. (Bron: Shutterstock)

De oplossing ligt in een hoge-resolutie, multi-kanaal delta-sigma (ΔΣ) ADC. Door thermocouples, RTD's en druktransducers direct te integreren met een precisie ΔΣ ADC, kunnen ontwerpers de RMS-ruisprestaties bereiken die vereist zijn voor robuuste, multi-sensor systemen in de petroleum-sector.

Dit artikel schetst de belangrijkste uitdagingen en oplossingen voor het creëren van een precieze temperatuur-druk interface met een ΔΣ ADC.

Drukmeting

Druktransducers kunnen ingedeeld worden in twee groepen: die elektrische excitatie vereisen en die hun eigen stroom genereren. Gangbare mechanische stijlen – balg, membranen, bourdon-buisjes en manometers – vertalen drukveranderingen in mechanische beweging.

Elektrisch geëxciteerde sensoren passen naadloos bij ΔΣ ADC's en microcontrollers. Gangbare typen omvatten capacitieve sensoren, LVDT's en piezoresistieve apparaten. De piezoresistieve sensor wordt typisch bevorzugd omwille van haar compactheid en hoge gevoeligheid (Figuur 2).

Figuur 2: (a) Een piezoresistieve druksensor is de voorkeurskeuze. (b) De hoge kant van de brug vereist spanning of stroom excitatie. (Bron: Maxim Integrated)

In Figuur 2a is de bovenlaag van de sensor een resistieve film gebonden aan een membraan. De brug's hoge kant (Figuur 2b) eist een stabiele excitatie – typisch een paar volt. In een 3,3 V systeem varieert de differentiële output van de sensor van een paar millivolt tot diverse honderd millivolt. Opvolgende amplificatie en ADC-conversie vertalen dit analoge signaal in een betrouwbare digitale waarde.

Belang van Temperatuurmeting

Accurate temperatuurmeting is cruciaal omdat sensorprestaties, met name voor druktransducers, variëren met temperatuur. Het systeem gebruikt een K-type thermocouple en een RTD voor koude-knooppuntcompensatie (Figuur 3).

Figuur 3: Een two-lead TYPE-K thermocouple vereist een RTD voor koude-knooppuntcompensatie (CJC). (Bron: Maxim Integrated)

De thermocouple kan temperaturen tot +1260 °C weerstaan, terwijl de RTD precieze meting biedt aan de knooppunt van de thermocouple, wat temperatuur-gecorrigeerde drukmettingen waarborgt.

Hoge-resolutie ADC's: Waarom ΔΣ?

ADC-selectie omvat een trade-off tussen resolutie en snelheid. Pipeline ADC's bieden hoge data rates (tientallen Gsps) maar slechts tot 12 bits. Successive-approximation-register (SAR) ADC's leveren 10 Ksps–10 Msps met 12–18 bits, geschikt voor veel industriële toepassingen. Echter, wanneer nanovolt-niveau resolutie vereist is – zoals in druk- en temperatuursensing – kan alleen een ΔΣ ADC de benodigde prestaties leveren (Figuur 4).

Figuur 4: De basis ΔΣ ADC converteert de input-spanning in een ΔΣ-modulator. (Bron: Maxim Integrated)

De ΔΣ ADC vormt de input eerst in een one-bit, noise-shaped puls-trein via een ΔΣ-modulator. Over-sampling en digitale filtering leveren dan multi-bit outputs tot 24 bits, die de microcontroller consumeert.

ΔΣ-Modulator Uitgelegd

De ΔΣ-modulator is het hart van ruisreductie. Figuur 5 illustreert de tweede-orde structuur: een front-end Δ-functie gevolgd door twee integrators (Σ-functie). Na de integrators sampleert een one-bit ADC het signaal, en een one-bit DAC voedt terug naar de integrators.

Figuur 5: De tweede-orde ΔΣ-modulator bestaat uit een front-end Δ-functie gevolgd door twee integrators. (Bron: Maxim Integrated)

De kwantiseringsruis geïntroduceerd door de one-bit ADC wordt naar hogere frequenties verschoven – een proces bekend als noise shaping. Figuur 6 demonstreert het resulterende ruisspectrum.

Figuur 6: De modulator's output-ruis is gevormd naar hogere frequenties. (Bron: Maxim Integrated)

De orde van de modulator dicteert de ruisdistributie. Figuur 7 vergelijkt eerste-, tweede- en derde-orde modulators, met verhoogde ruisdemping bij DC voor hogere orden.

Figuur 7: Noise-shaping capaciteit van eerste-, tweede- en derde-orde modulators. (Bron: Maxim Integrated)

Digitale Decimatie Filtering

Na de ΔΣ-modulator verwijdert een digitale/decimatie filter de hoge-frequentie ruis, producerend de ADC's finale data-rate, F_D. De filter's cutoff-frequentie bepaalt de output sample-rate.

Complete ΔΣ ADC Architectuur

Figuur 8 toont een volledige ΔΣ ADC blokdiagram, met een modulator, sinc-filters, FIR-filters, input multiplexer, PGA, klokgenerator en referentiematrix – allemaal getuned voor druk- en temperatuursensing.

Figuur 8: Een complete ΔΣ ADC architectuur met druk- en temperatuursensor inputs. (Bron: Maxim Integrated)

De sinc-filter biedt een eenvoudige low-pass vorm, met eerste-orde settling in één woordperiode en een vierde-orde (Sinc⁴) settling in vier periodes. Figuur 9 toont de frequentierespons van een derde-orde sinc-filter.

Figuur 9: Frequentierespons van een derde-orde sinc-filter (Sinc³). (Bron: Maxim Integrated)

De sinc-filter's afgeronde respons vereenvoudigt implementatie, maar voor scherpere wering – met name van netstoringen – is de FIR-filter te prefereren. De ΔΣ ADC in Figuur 8 emploeyeert een 50/60 Hz notch-filter dat >90 dB wering bereikt op die frequenties terwijl het werkt op 16 samples per seconde.

Belangrijke prestatiecijfers voor de MAX11410 ΔΣ ADC: 24-bit resolutie, Sinc⁴ filtering, 160 µA PT100 RTD excitatie, PGA gain van 128, input range 1,234 V tot 2,837 V, LSB-grootte 0,039 µV_RMS, temperatuurnauwkeurigheid ±100 °C, RTD-nauwkeurigheid ~4,7 µ°C/bit.

Samengevat, de integratie van een ΔΣ ADC met druk-, thermocouple- en RTD-sensoren levert een single-device oplossing die lage ruis, precieze temperatuur-druk conversie oplevert – cruciaal voor olie, gas en petroleum-instrumentatie. Ontwerpfocus moet blijven op ruisprestaties, input multiplexing en BOM-kosten.

>> Dit artikel werd oorspronkelijk gepubliceerd op onze zuster-site, EDN.