Оптимизация систем измерения температуры RTD:разработка

В этой второй статье об оптимизации системы датчиков резистивного датчика температуры (RTD) , мы исследуем оптимизацию системы RTD, выбор внешних компонентов и способы оценки окончательной системы RTD.

В первой статье этой серии из трех частей, посвященной RTD, мы рассмотрели проблемы измерения температуры, типы RTD, различные конфигурации и схему конфигурации RTD. Во второй статье мы обрисовали в общих чертах три различных конфигурации RTD:2-проводную, 3-проводную и 4-проводную. В этой заключительной статье серии мы рассмотрим оптимизацию системы RTD, выбор внешних компонентов и способы оценки окончательной системы RTD.

Оптимизация системы RTD

Если посмотреть на вопросы разработчика системы, то при проектировании и оптимизации прикладных решений RTD возникают разные проблемы. Проблема первая - выбор датчика и схема подключения, которые обсуждались в предыдущих разделах. Вторая проблема - это конфигурация измерения, которая включает конфигурацию АЦП, установку тока возбуждения, установку коэффициента усиления и выбор внешних компонентов, обеспечивая оптимизацию системы и работу в соответствии со спецификациями АЦП. И, наконец, наиболее важный вопрос заключается в том, как достичь желаемой производительности и каковы источники ошибок, которые вносят свой вклад в общую ошибку системы.

К счастью, есть новый RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator, который предлагает практическое решение для проектирования и оптимизации систем измерения RTD от концепции до прототипа.

Инструмент:

• Обеспечивает понимание правильной конфигурации, проводки и принципиальной схемы.
• Помогает понять различные источники ошибок и позволяет оптимизировать дизайн.

Инструмент разработан на основе AD7124-4 / AD7124-8. Он позволяет заказчику настраивать такие параметры, как ток возбуждения, усиление и внешние компоненты (рис. 1). Он указывает условия выхода за пределы, чтобы гарантировать, что окончательное решение находится в пределах спецификаций АЦП.

щелкните, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Рисунок 1. Конфигуратор RTD. (Источник:Analog Devices)

Выбор тока возбуждения, усиления и внешних компонентов

В идеале мы склонны выбирать более высокие значения тока возбуждения, чтобы генерировать гораздо более высокое выходное напряжение и максимизировать входной диапазон АЦП. Однако, поскольку датчик является резистивным, разработчик также должен гарантировать, что рассеивание мощности или эффекты самонагрева при большом значении тока возбуждения не повлияют на результаты измерений. Разработчик системы может выбрать высокий ток возбуждения. Однако, чтобы свести к минимуму саморазогрев, ток возбуждения необходимо отключать между измерениями. Проектировщик должен учитывать временные последствия для системы. Альтернативный подход - выбрать более низкий ток возбуждения, который минимизирует самонагрев. Время теперь сведено к минимуму, но разработчик должен определить, не влияет ли это на производительность системы. Все сценарии можно протестировать с помощью RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator. Инструмент позволяет пользователю сбалансировать выбор тока возбуждения, усиления и внешних компонентов, чтобы гарантировать оптимизацию входного аналогового напряжения, а также настроить усиление и скорость АЦП, чтобы обеспечить лучшее разрешение и лучшую производительность системы, что означает более низкий уровень шума и ошибка нижнего смещения.

Чтобы понять результирующий профиль фильтра или получить более глубокое представление о времени преобразований, онлайн-инструмент VirtualEval предоставляет эти сведения.

Входной и опорный входы АЦП сигма-дельта-АЦП непрерывно дискретизируются входным каскадом переключаемого конденсатора. Для обсуждаемых систем RTD вход опорного сигнала также управляется внешним опорным резистором. Для антиалиасинга рекомендуется использовать внешний RC-фильтр на аналоговом входе сигма-дельта АЦП. В целях ЭМС разработчик системы может использовать большие значения R и C как на аналоговом входе, так и на опорном входе. Большие значения RC могут вызвать ошибки усиления в измерениях, поскольку входная схема не имеет достаточного времени для установки между моментами выборки. Буферизация аналогового и опорного входов предотвращает эти ошибки усиления и позволяет использовать неограниченное количество значений R и C.

Для AD7124-4 / AD7124-8 при использовании внутреннего усиления больше 1 буферы аналогового входа включаются автоматически, а поскольку PGA размещается перед входными буферами, так как PGA соединяется с шиной, аналоговый вход также железнодорожный вокзал. Однако в случае эталонных буферов или при использовании АЦП с коэффициентом усиления 1 с включенными аналоговыми входными буферами необходимо обеспечить запас, необходимый для правильной работы.

Сигналы от Pt100 низкого уровня. Они порядка сотен мВ. Для оптимальной производительности можно использовать АЦП с широким динамическим диапазоном. В качестве альтернативы можно использовать каскад усиления для усиления сигнала перед его подачей на АЦП. AD7124-4 / AD7124-8 поддерживают усиление от 1 до 128, что позволяет оптимизировать конструкцию для широкого диапазона токов возбуждения. Множество допустимых вариантов усиления PGA позволяют разработчику найти компромисс между значением тока возбуждения и коэффициентом усиления, внешними компонентами и производительностью. Инструмент конфигуратора RTD указывает, могут ли новые значения тока возбуждения использоваться с выбранным датчиком RTD. Также предлагаются подходящие значения для прецизионного эталонного резистора и эталонного резистора запаса прочности. Обратите внимание, что инструмент обеспечивает использование АЦП в пределах спецификации - он отображает возможные коэффициенты усиления, которые будут поддерживать конфигурацию. Токи возбуждения AD7124 имеют выходное соответствие; то есть напряжение на выводе, обеспечивающее ток возбуждения, требует некоторого запаса по сравнению с AVDD. Инструмент также обеспечит соблюдение этой спецификации соответствия.

Инструмент RTD позволяет разработчику системы гарантировать, что система находится в рабочих пределах АЦП и датчика RTD. Точность внешних компонентов, таких как эталонный резистор, и его вклад в системную ошибку будет обсуждаться позже.

Параметры фильтрации (подавление аналогового и цифрового 50/60 Гц)

Как обсуждалось ранее, с сигма-дельта преобразователями рекомендуется использовать фильтр сглаживания. Поскольку встроенный фильтр является цифровым, частотная характеристика отражается вокруг частоты дискретизации. Антиалиасинговая фильтрация требуется для адекватного ослабления любых помех на частоте модулятора и на любых кратных этой частоте. Поскольку сигма-дельта преобразователи передискретизируют аналоговый вход, конструкция фильтра сглаживания значительно упрощается, и все, что требуется, это простой однополюсный RC-фильтр.

Когда окончательная система используется в полевых условиях, борьба с шумом или помехами от окружающей среды, в которой работает система, может быть довольно сложной задачей, особенно в областях применения, таких как промышленная автоматизация, контрольно-измерительные приборы, управление технологическими процессами или управление мощностью, где это терпимо. к шуму и в то же время не должно быть шумным для ваших соседних компонентов. Шумы, переходные процессы или другие источники помех могут повлиять на точность и разрешение системы. Помехи также могут возникать при питании систем от сети. Частоты основного источника питания вырабатываются на уровне 50 Гц и его кратное значение в Европе и 60 Гц и его кратное значение в США. Таким образом, при проектировании системы RTD необходимо учитывать схему фильтрации с подавлением 50/60 Гц. Многие разработчики систем хотят разработать универсальную систему, которая одновременно отклоняет как 50 Гц, так и 60 Гц.

Большинство АЦП с более низкой полосой пропускания, включая AD7124-4 / AD7124-8, предлагают множество опций цифровой фильтрации, которые можно запрограммировать на установку режекции на 50/60 Гц. Выбранная опция фильтра влияет на скорость выходных данных, время установления и подавление 50 Гц и 60 Гц. Когда задействовано несколько каналов, требуется время установления для генерации преобразования при каждом переключении канала; таким образом, выбор типа фильтра с более длительным временем установления (то есть sinc4 или sinc3) снизит общую пропускную способность. В этом случае полезен постфильтр или КИХ-фильтр для обеспечения приемлемого одновременного подавления 50/60 Гц при меньшем времени установления и, таким образом, увеличения пропускной способности.

Рассмотрение мощности

Текущее потребление или распределение бюджета мощности системы сильно зависит от конечного приложения. AD7124-4 / AD7124-8 содержат три режима питания, которые позволяют выбирать между производительностью, скоростью и мощностью. Для любого портативного или удаленного приложения необходимо использовать компоненты и конфигурации с низким энергопотреблением, а для некоторых приложений промышленной автоматизации вся система питается от контура 4–20 мА, так что допустимый запас тока составляет не более 4 мА. Для этого типа приложений устройства можно запрограммировать в режиме среднего или низкого энергопотребления. Скорость намного ниже, но АЦП по-прежнему дает высокую производительность. Если приложение представляет собой управление технологическим процессом, которое питается от сети, допускается гораздо более высокое потребление тока, поэтому устройство можно запрограммировать в режиме полной мощности, и эта система может достичь гораздо более высокой выходной скорости передачи данных и повышенной производительности.

Источники ошибок и параметры калибровки

После того, как вы узнаете необходимую конфигурацию системы, следующим шагом будет оценка ошибок, связанных с АЦП, и системных ошибок. Это помогает разработчикам системы понять, будет ли конфигурация внешнего интерфейса и АЦП соответствовать общей целевой точности и производительности. RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator позволяет пользователю изменять конфигурацию системы для достижения оптимальной производительности. Например, на экране 2 показана сводка всех ошибок. Круговая диаграмма системной ошибки показывает, что исходная точность внешнего эталонного резистора и его температурный коэффициент являются основными факторами, влияющими на общую ошибку системы. Таким образом, важно рассмотреть возможность использования внешнего эталонного резистора с более высокой точностью и лучшим температурным коэффициентом.

щелкните, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Рисунок 2. Калькулятор источников погрешности RTD. (Источник:Analog Devices)

Ошибка из-за АЦП не является самой значительной причиной ошибки в общей системной ошибке. Однако вклад ошибки АЦП можно еще больше уменьшить, используя режимы внутренней калибровки AD7124-4 / AD7124-8. При включении питания или инициализации программного обеспечения рекомендуется внутренняя калибровка для устранения ошибок усиления и смещения АЦП. Обратите внимание, что эти калибровки не устранят ошибок, созданных внешней схемой. Однако АЦП также может поддерживать калибровку системы, чтобы минимизировать смещение системы и ошибку усиления, но это может привести к дополнительным затратам и может не потребоваться для большинства приложений.

Обнаружение сбоев

Для любых суровых условий или приложений, в которых безопасность является приоритетом, диагностика становится частью отраслевых требований. Встроенная диагностика в AD7124-4 / AD7124-8 снижает потребность во внешних компонентах для реализации диагностики, что приводит к уменьшению размера и упрощению решения для экономии времени и средств.

Диагностика включает:

• Проверяет уровень напряжения на аналоговых выводах, чтобы убедиться, что он находится в указанном рабочем диапазоне.
• Проверка циклическим избыточным кодом (CRC) на шине последовательного периферийного интерфейса (SPI)
• CRC на карте памяти
• Проверка цепочки сигналов

Эта диагностика приводит к более надежному решению. Виды отказов, их последствия и диагностический анализ (FMEDA) типичного 3-проводного RTD показали, что доля безопасных отказов (SFF) превышает 90% в соответствии с IEC 61508.

Оценка системы RTD

На Рисунке 3 показаны некоторые измеренные данные для схемы CN-0383. Эти измеренные данные были получены с помощью оценочной платы AD7124-4 / AD7124-8, которая включает демонстрационные режимы для 2-, 3- и 4-проводных RTD, и рассчитала соответствующее значение в градусах Цельсия. Результаты показывают, что реализация 2-проводного RTD дает ошибку ближе к нижнему пределу границы ошибки, в то время как реализация 3-проводного или 4-проводного RTD имеет общую ошибку, которая находится в пределах допустимого предела. Более высокая ошибка при 2-проводном измерении связана с ошибками сопротивления проводов, описанными ранее.

щелкните, чтобы просмотреть изображение в полный размер

Рис. 3. 2- / 3- / 4-проводный постфильтр для измерения точности температуры RTD в режиме пониженного энергопотребления при 25 SPS. (Источник:Analog Devices)

Эти примеры показывают, что соблюдение приведенных выше рекомендаций по RTD приведет к созданию высокоточной и высокопроизводительной конструкции при использовании в сочетании с сигма-дельта АЦП ADI с меньшей полосой пропускания, такими как AD7124-4 / AD7124-8. Примечания к схеме (CN-0383) также будут служить эталонным дизайном, который поможет разработчику системы быстро приступить к созданию прототипа. Оценочная плата позволяет пользователю оценить производительность системы, в которой можно использовать каждый из демонстрационных режимов конфигурации. В будущем микропрограммное обеспечение для различных конфигураций RTD может быть легко разработано с использованием сгенерированного ADI образца кода, доступного на страницах продуктов AD7124-4 / AD7124-8.

АЦП, использующие сигма-дельта-архитектуру, такую ​​как AD7124-4 / AD7124-8, подходят для приложений измерения RTD, поскольку они решают такие проблемы, как подавление 50/60 Гц, а также широкий диапазон синфазных сигналов на аналоговые и, возможно, опорные входы. Они также хорошо интегрированы и содержат все функции, необходимые для проектирования системы RTD. Кроме того, они предоставляют расширенные функции, такие как возможность калибровки и встроенная диагностика. Этот уровень интеграции вместе с полным обеспечением или экосистемой системы упростит общий дизайн системы, стоимость и цикл проектирования от концепции до прототипа.

Чтобы упростить путь разработчикам системы, инструмент RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator вместе с онлайн-инструментом VirtualEval, аппаратным и программным обеспечением оценочной платы и CN-0383 можно использовать для решения различных проблем, таких как проблемы с подключением и общий бюджет ошибок, а также пользователи переходят на новый уровень своего дизайна.

Заключение

Эта статья продемонстрировала, что проектирование системы измерения температуры RTD - сложный, многоэтапный процесс. Это требует выбора различных конфигураций датчиков, выбора АЦП и оптимизации, а также того, как эти решения влияют на общую производительность системы. Инструмент ADI RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator вместе с онлайн-инструментом VirtualEval, аппаратным и программным обеспечением оценочной платы и CN-0383 оптимизируют процесс, решая проблемы с подключением и общими ошибками бюджета.

---

Джеллени Родригес является инженером по приложениям в Analog Devices в группе Precision Converter Technology Group. Она специализируется на прецизионных сигма-дельта АЦП для измерений постоянного тока. Она присоединилась к ADI в 2012 году и окончила Сан-Себастьянский колледж Реколетос-де-Кавите со степенью бакалавра электроники в 2011 году. С ней можно связаться по адресу [email protected]. Мэри Маккарти работает инженером по приложениям в Analog Devices. Она присоединилась к ADI в 1991 году и работает в группе приложений линейных и прецизионных технологий в Корке, Ирландия, специализируясь на прецизионных сигма-дельта-преобразователях. Мэри получила степень бакалавра электроники и электротехники в Университетском колледже Корка в 1991 году. С ней можно связаться по адресу [email protected].

---

Связанное содержание:

• Оптимизация систем измерения температуры RTD:проблемы (часть 1 в этой серии)
• Оптимизация систем измерения температуры RTD:конфигурации проводки (часть 2 в этой серии)
• Использование дельта-сигма АЦП в высокоточных мультисенсорных системах.
• Выполнение точных измерений с помощью кремниевых датчиков температуры.
• Взаимодействие с современными датчиками:дизайн интерфейса с использованием C ++
• Решение проблемы разработки платформы сбора и обработки высокотемпературных данных.

Чтобы получить больше информации о Embedded, подпишитесь на еженедельную рассылку Embedded по электронной почте.