Использование дельта-сигма АЦП для ультравысокоточных мультисенсорных систем нефти, газа и нефтепродуктов

Мультисенсорные массивы в нефтяных, газовых и нефтеперерабатывающих объектах непрерывно собирают критические данные давления и температуры. Для доставки точных высокоразрешающих показаний через широкие динамические диапазоны, требуемые этими средами, сенсорная цепочка должна быть и компактной, и исключительно точной.

Традиционные мультисенсорные электронные системы часто громоздки, затратны и лишены надежности, требуемой для полевого развертывания. Дискретные аналоговые кондиционирующие цепи не соответствуют жестким толерансам, нужным для современного процессного контроля, ведущими к дрифту и накоплению ошибок (см. Рисунок 1).

Рисунок 1: Предохранительный клапан давления защищает трубопроводные системы от перегрузки. (Источник: Shutterstock)

Решение лежит в высокоразрешающем многоканальном дельта-сигма (ΔΣ) АЦП. Интегрируя термопары, RTD и датчики давления напрямую с точным ΔΣ АЦП, проектировщики могут достичь RMS-шумовой производительности, необходимой для надежных мультисенсорных систем в нефтяном секторе.

Эта статья описывает ключевые вызовы и решения для создания точного температурно-давления интерфейса с использованием ΔΣ АЦП.

Сенсирование давления

Датчики давления можно классифицировать на две группы: те, требующие электрическое возбуждение, и те, генерирующие собственную мощность. Общие механические стили — коробчатые, диафрагменные, трубки Бурдона и манометры — переводят изменения давления в механическое движение.

Электрически возбуждаемые сенсоры идеально сочетаются с ΔΣ АЦП и микроконтроллерами. Общие типы включают емкостные сенсоры, LVDT и пьезорезистивные устройства. Пьезорезистивный сенсор обычно предпочтителен для его компактности и высокой чувствительности (Рисунок 2).

Рисунок 2: (а) Пьезорезистивный датчик давления — предпочтительный выбор. (б) Высокий плеч моста требует напряжения или тока возбуждения. (Источник: Maxim Integrated)

На Рисунке 2а верхний слой сенсора — резистивная пленка, склеенная с диафрагмой. Высокий плеч моста (Рисунок 2б) требует стабильное возбуждение — обычно несколько вольт. В 3,3 В системе дифференциальный выход сенсора варьируется от нескольких милливольт до нескольких сотен милливольт. Последующее усиление и АЦП-конвертация переводят этот аналоговый сигнал в надежное цифровое значение.

Значимость сенсирования температуры

Точное измерение температуры критично, потому что производительность сенсора, особенно датчиков давления, варьируется с температурой. Система использует К-тип термопару и RTD для компенсации холодного стыка (Рисунок 3).

Рисунок 3: Двухжильный TYPE-K термопару требует RTD для компенсации холодного стыка (CJC). (Источник: Maxim Integrated)

Термопара может выдерживать температуры до +1260 °C, в то время как RTD обеспечивает точное измерение на стыке термопары, гарантируя температурно-скорректированные показания давления.

Высокоразрешающие АЦП: Почему ΔΣ?

Выбор АЦП включает компромисс между разрешением и скоростью. Pipeline АЦП предлагают высокие скорости данных (десятки Гс/с) но только до 12 бит. Successive-approximation-register (SAR) АЦП доставляют 10 Кс/с–10 Мс/с с 12–18 битами, подходящими для многих промышленных приложений. Однако, когда требуется нановольтовое разрешение — как в сенсировании давления и температуры — только ΔΣ АЦП может доставить необходимую производительность (Рисунок 4).

Рисунок 4: Базовый ΔΣ АЦП конвертирует входное напряжение в ΔΣ модулятор. (Источник: Maxim Integrated)

ΔΣ АЦП сначала формирует вход в однобитный шум-шейп пульсовый поток через ΔΣ модулятор. Оверсэмплинг и цифровая фильтрация затем дают многобитные выходы до 24 бит, которые потребляет микроконтроллер.

ΔΣ Модулятор объяснен

ΔΣ модулятор — сердце снижения шума. Рисунок 5 иллюстрирует вторую порядковую структуру: фронт-энд Δ-функция за которой следуют два интегратора (Σ-функция). После интеграторов однобитный АЦП сэмплирует сигнал, и однобитный DAC обратной связи к интеграторам.

Рисунок 5: Вторая порядковая ΔΣ модулятор включает фронт-энд Δ-функцию за которой следуют два интегратора. (Источник: Maxim Integrated)

Квантование шума, вводимого однобитным АЦП, сдвигается к более высоким частотам — процесс, известный как noise shaping. Рисунок 6 демонстрирует результирующий шумовой спектр.

Рисунок 6: Выходной шум модулятора сформирован к более высоким частотам. (Источник: Maxim Integrated)

Порядок модулятора диктует распределение шума. Рисунок 7 сравнивает первую-, вторую- и третью-порядковые модуляторы, показывая увеличенное затухание шума около DC для более высоких порядков.

Рисунок 7: Noise-shaping способность первой-, второй- и третьей-порядковых модуляторов. (Источник: Maxim Integrated)

Цифровая децимационная фильтрация

После ΔΣ модулятора, цифровой/децимационный фильтр удаляет высокочастотный шум, производя финальную частоту данных АЦП, F_D. Частота среза фильтра определяет выходную частоту сэмплирования.

Полная ΔΣ АЦП архитектура

Рисунок 8 показывает полную блок-схему ΔΣ АЦП, включающую модулятор, sinc-фильтры, FIR-фильтры, входной мультиплексор, PGA, генератор тактов и референсную матрицу — все адаптированы для сенсирования давления и температуры.

Рисунок 8: Полная ΔΣ АЦП архитектура с входами датчиков давления и температуры. (Источник: Maxim Integrated)

Sinc-фильтр предоставляет простую низкочастотную форму, с первой порядковой установкой за один период слова и четвертой порядковой (Sinc⁴) за четыре периода. Рисунок 9 показывает частотный отклик третьей порядковой sinc-фильтра.

Рисунок 9: Частотный отклик третьей порядковой sinc-фильтра (Sinc³). (Источник: Maxim Integrated)

Округленный отклик sinc-фильтра упрощает реализацию, но для более резкого подавления — особенно сетевых интерференций — FIR-фильтр предпочтительнее. ΔΣ АЦП на Рисунке 8 использует 50/60 Гц notch-фильтр, достигающий >90 дБ подавления на этих частотах при работе на 16 отсчетах в секунду.

Ключевые показатели производительности для MAX11410 ΔΣ АЦП: 24-битное разрешение, Sinc⁴ фильтрация, 160 мкА PT100 RTD возбуждение, PGA усиление 128, входной диапазон 1,234 В до 2,837 В, размер LSB 0,039 мкВ_RMS, точность температуры ±100 °C, точность RTD ~4,7 мк°C/бит.

Подводя итог, интеграция ΔΣ АЦП с датчиками давления, термопарой и RTD дает одноприборное решение, доставляющее низкий шум, точное температурно-давление конвертирование — критичное для приборов нефти, газа и нефтепродуктов. Фокус дизайна должен оставаться на шумовой производительности, входном мультиплексировании и BOM стоимости.

>> Эта статья изначально опубликована на нашем партнерском сайте, EDN.