Otimizando sistemas de detecção de temperatura RTD:Projeto

Neste segundo artigo sobre a otimização do sistema de detecção de detector de temperatura por resistência (RTD) , exploramos a otimização do sistema RTD, a seleção de componentes externos e como avaliar o sistema RTD final.
No primeiro artigo desta série de três partes sobre RTD, cobrimos os desafios de medição de temperatura, tipos de RTD, diferentes configurações e o circuito de configuração de RTD. No segundo artigo, descrevemos as três configurações diferentes de RTD:2 fios, 3 fios e 4 fios. Neste artigo final da série, exploraremos a otimização do sistema RTD, a seleção de componentes externos e como avaliar o sistema RTD final.

Otimização do sistema RTD

Olhando para os problemas do projetista do sistema, existem diferentes desafios envolvidos no projeto e na otimização de soluções de aplicação de RTD. O desafio um é a seleção do sensor e o diagrama de conexão que foram discutidos nas seções anteriores. O desafio dois é a configuração de medição, que inclui a configuração do ADC, definindo a corrente de excitação, definindo o ganho e selecionando os componentes externos, garantindo a otimização do sistema e operando dentro da especificação do ADC. E, por último, a questão mais crítica é como atingir o desempenho desejado e quais são as fontes de erro que contribuem para o erro geral do sistema.

Felizmente, existe um novo RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator que oferece uma solução prática para projetar e otimizar sistemas de medição RTD desde o conceito até a prototipagem.

A ferramenta:

• Permite a compreensão da configuração correta, fiação e diagrama de circuito
• Auxilia na compreensão das diferentes fontes de erro e permite a otimização do design

A ferramenta foi projetada em torno do AD7124-4 / AD7124-8. Ele permite que o cliente ajuste configurações como corrente de excitação, ganho e componentes externos (Figura 1). Indica condições fora do limite para garantir que a solução final esteja dentro das especificações do ADC.

clique para ver a imagem em tamanho real

Figura 1. Configurador RTD. (Fonte:Dispositivos analógicos)

Seleção de corrente de excitação, ganho e componentes externos

Idealmente, tendemos a selecionar magnitudes mais altas de corrente de excitação para gerar uma tensão de saída muito mais alta e maximizar a faixa de entrada do ADC. No entanto, como o sensor é resistivo, o projetista também deve garantir que os efeitos de dissipação de energia ou de autoaquecimento de um grande valor de corrente de excitação não afetem os resultados da medição. Um projetista de sistema pode selecionar uma alta corrente de excitação. No entanto, para minimizar o autoaquecimento, a corrente de excitação precisa ser desligada entre as medições. O designer precisa considerar as implicações de tempo para o sistema. Uma abordagem alternativa é selecionar uma corrente de excitação mais baixa que minimize o autoaquecimento. O tempo agora está minimizado, mas o designer precisa determinar se o desempenho do sistema é afetado. Todos os cenários podem ser testados por meio do RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator. A ferramenta permite ao usuário equilibrar a seleção de corrente de excitação, ganho e componentes externos para garantir que a tensão de entrada analógica esteja sendo otimizada junto com o ajuste do ganho e velocidade do ADC para dar melhor resolução e melhor desempenho do sistema, o que significa menor ruído e erro de deslocamento inferior.

Para entender o perfil do filtro resultante ou para obter uma compreensão mais profunda do tempo das conversões, a ferramenta online VirtualEval fornece esses detalhes.

A entrada ADC e as entradas de referência de um ADC sigma-delta são continuamente amostradas por um capacitor comutado. Para os sistemas RTD que estão sendo discutidos, a entrada de referência também é acionada por um resistor de referência externo. Um filtro RC externo é recomendado na entrada analógica de um ADC sigma-delta para fins de anti-serrilhamento. Para fins de EMC, um projetista de sistema pode usar grandes valores R e C na entrada analógica e na entrada de referência. Valores grandes de RC podem causar erros de ganho nas medições, pois o circuito do front-end não tem tempo suficiente para se estabelecer entre os instantes de amostragem. O armazenamento em buffer das entradas analógicas e de referência evita esses erros de ganho e permite o uso de valores R e C ilimitados.

Para o AD7124-4 / AD7124-8, ao usar um ganho interno maior que 1, os buffers de entrada analógica são habilitados automaticamente e, uma vez que o PGA é colocado na frente dos buffers de entrada, como o PGA é trilho a trilho, a entrada analógica também é ferroviário a ferroviário. Porém, no caso dos buffers de referência ou ao usar o ADC com ganho de 1 com os buffers de entrada analógica habilitados, é necessário garantir que o headroom requerido para a operação correta seja atendido.

Os sinais dos Pt100s são de nível baixo. Eles são da ordem de centenas de mV. Para um desempenho ideal, um ADC com ampla faixa dinâmica pode ser usado. Alternativamente, um estágio de ganho pode ser usado para amplificar o sinal antes de ser aplicado ao ADC. O AD7124-4 / AD7124-8 suporta ganhos de 1 a 128, permitindo assim um design otimizado para uma ampla faixa de correntes de excitação. As múltiplas opções permitidas de ganho PGA permitem que o projetista troque o valor da corrente de excitação versus ganho, componentes externos e desempenho. A ferramenta do configurador RTD indica se os novos valores de corrente de excitação podem ser usados ​​com o sensor RTD selecionado. Valores adequados para o resistor de referência de precisão e o resistor de headroom de referência também são sugeridos. Observe que a ferramenta garante que o ADC seja usado dentro das especificações - ela exibe os ganhos possíveis que darão suporte à configuração. As correntes de excitação AD7124 têm uma conformidade de saída; ou seja, a tensão no pino que fornece a corrente de excitação precisa de algum espaço do AVDD. A ferramenta também irá garantir que esta especificação de conformidade seja atendida.

A ferramenta RTD permite que o projetista do sistema garanta um sistema que esteja dentro dos limites operacionais do ADC e do sensor RTD. A precisão dos componentes externos, como o resistor de referência e sua contribuição para o erro do sistema, serão discutidos posteriormente.

Opções de filtragem (rejeição analógica e digital de 50 Hz / 60 Hz)

Conforme discutido anteriormente, um filtro anti-serrilhamento é recomendado com conversores sigma-delta. Como o filtro embutido é digital, a resposta de frequência é refletida em torno da frequência de amostragem. A filtragem antialiasing é necessária para atenuar adequadamente qualquer interferência na frequência do modulador e em quaisquer múltiplos desta frequência. Uma vez que os conversores sigma-delta sobreamostram a entrada analógica, o projeto do filtro antialiasing é bastante simplificado e um filtro RC monopolar simples é tudo o que é necessário.

Quando o sistema final é usado em campo, lidar com ruído ou interferência do ambiente no qual o sistema está operando pode ser bastante desafiador, especialmente em espaços de aplicação como automação industrial, instrumentação, controle de processo ou controle de energia, onde é tolerante ao ruído e, ao mesmo tempo, não sendo ruidoso para os componentes vizinhos é necessário. Ruído, transientes ou outras fontes de interferência podem afetar a precisão e resolução do sistema. Também podem ocorrer interferências quando os sistemas são alimentados pela rede elétrica. As principais frequências de alimentação são geradas em 50 Hz e seus múltiplos na Europa, e 60 Hz e seus múltiplos nos EUA. Assim, ao projetar um sistema RTD, um circuito de filtragem com rejeição de 50 Hz / 60 Hz deve ser considerado. Muitos projetistas de sistemas desejam projetar um sistema universal que rejeite 50 Hz e 60 Hz simultaneamente.

A maioria dos ADCs de largura de banda mais baixa, incluindo AD7124-4 / AD7124-8, oferece uma variedade de opções de filtragem digital que podem ser programadas para definir degraus em 50 Hz / 60 Hz. A opção de filtro selecionada tem efeito na taxa de dados de saída, no tempo de acomodação e na rejeição de 50 Hz e 60 Hz. Quando vários canais estão habilitados, um tempo de acomodação é necessário para gerar uma conversão toda vez que o canal é trocado; portanto, selecionar um tipo de filtro com tempo de acomodação mais longo (ou seja, sinc4 ou sinc3) diminuirá a taxa de transferência geral. Nesse caso, um pós-filtro ou filtro FIR é útil para fornecer rejeição simultânea razoável de 50 Hz / 60 Hz em tempos de estabilização mais baixos e, assim, aumentar a taxa de transferência.

Consideração de Poder

O consumo atual ou alocação de orçamento de energia do sistema é altamente dependente da aplicação final. O AD7124-4 / AD7124-8 contém três modos de energia que permitem a compensação entre desempenho, velocidade e energia. Para qualquer aplicação portátil ou remota, componentes e configurações de baixa potência devem ser usados, e para algumas aplicações de automação industrial, o sistema completo é alimentado do loop de 4 mA a 20 mA, de forma que um orçamento atual de no máximo 4 mA é permitido. Para este tipo de aplicação, os aparelhos podem ser programados no modo médio ou baixo consumo de energia. A velocidade é muito menor, mas o ADC ainda oferece alto desempenho. Se a aplicação for de controle de processo, que é alimentado pela fonte de alimentação, um consumo de corrente muito maior é permitido, então o dispositivo pode ser programado no modo de potência total e este sistema pode atingir uma taxa de dados de saída muito maior e desempenho aprimorado.

Fontes de erro e opções de calibração

Depois de conhecer a configuração necessária do sistema, a próxima etapa é estimar os erros associados ao ADC e os erros do sistema. Isso ajuda os projetistas de sistema a entender se o front-end e a configuração do ADC atenderão ao objetivo geral de precisão e desempenho. O RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator permite ao usuário modificar a configuração do sistema para um desempenho ideal. Por exemplo, a Figura 2 mostra um resumo de todos os erros. O gráfico de pizza de erro do sistema indica que a precisão inicial do resistor de referência externa e seu coeficiente de temperatura são os principais contribuintes para o erro geral do sistema. Portanto, é importante considerar o uso de um resistor de referência externo com maior precisão e um melhor coeficiente de temperatura.

clique para ver a imagem em tamanho real

Figura 2. Calculadora de fontes de erro RTD. (Fonte:Dispositivos analógicos)

O erro devido ao ADC não é o contribuidor de erro mais significativo para o erro geral do sistema. No entanto, a contribuição de erro do ADC pode ser reduzida ainda mais usando os modos de calibração interna do AD7124-4 / AD7124-8. Uma calibração interna é recomendada na inicialização ou inicialização do software para remover o ganho ADC e erros de deslocamento. Observe que essas calibrações não removerão erros criados pelo circuito externo. No entanto, o ADC também pode suportar calibrações de sistema para que o desvio do sistema e o erro de ganho possam ser minimizados, mas isso pode adicionar custos adicionais e pode não ser necessário para a maioria das aplicações.

Detecção de Falhas

Para qualquer ambiente hostil ou para aplicações onde a segurança é uma prioridade, os diagnósticos estão se tornando parte dos requisitos da indústria. Os diagnósticos incorporados no AD7124-4 / AD7124-8 reduzem a necessidade de componentes externos para implementar diagnósticos, resultando em uma solução menor e simplificada de economia de tempo e custos.

Os diagnósticos incluem:

• Verificações do nível de tensão nos pinos analógicos para garantir que está dentro da faixa de operação especificada
• Uma verificação de redundância cíclica (CRC) no barramento da interface periférica serial (SPI)
• Um CRC no mapa de memória
• Verificações de cadeia de sinal

Esses diagnósticos levam a uma solução mais robusta. Os modos de falha, efeitos e análise de diagnóstico (FMEDA) de uma aplicação típica de RTD de 3 fios mostraram uma fração de falha segura (SFF) maior que 90% de acordo com IEC 61508.

Avaliação do Sistema RTD

A Figura 3 mostra alguns dados medidos da nota de circuito CN-0383. Esses dados medidos foram capturados com a placa de avaliação AD7124-4 / AD7124-8, que inclui modos de demonstração para RTDs de 2, 3 e 4 fios e calculou o valor de grau Celsius correspondente. Os resultados mostram que uma implementação de RTD de 2 fios fornece um erro mais próximo do limite inferior do limite de erro, enquanto a implementação de RTD de 3 ou 4 fios tem um erro geral que está bem dentro do limite permitido. O maior erro na medição de 2 fios é devido aos erros de resistência do cabo descritos anteriormente.

clique para imagem em tamanho real

Figura 3. Um pós-filtro de medição de precisão de temperatura RTD de 2/3/4 fios em modo de baixa energia a 25 SPS. (Fonte:Dispositivos analógicos)

O que esses exemplos mostram é que seguir as diretrizes de RTD acima levará a um design de alta precisão e alto desempenho quando usado em conjunto com ADCs sigma-delta de largura de banda inferior da ADI, como o AD7124-4 / AD7124-8. A nota de circuito (CN-0383) também servirá como um projeto de referência que ajuda o projetista do sistema a fazer a prototipagem rapidamente. A placa de avaliação permite ao usuário avaliar o desempenho do sistema em que cada um dos modos de demonstração de configuração de amostra pode ser usado. No futuro, o firmware para as diferentes configurações de RTD pode ser facilmente desenvolvido usando o código de amostra gerado pelo ADI disponível nas páginas do produto AD7124-4 / AD7124-8.

ADCs, que usam uma arquitetura sigma-delta, como a do AD7124-4 / AD7124-8, são adequados para aplicações de medição RTD, uma vez que abordam questões como rejeição de 50 Hz / 60 Hz, bem como ampla faixa de modo comum no analógico e possivelmente as entradas de referência. Eles também são altamente integrados, contendo todas as funções necessárias para um projeto de sistema RTD. Além disso, eles fornecem recursos avançados, como capacidade de calibração e diagnósticos integrados. Este nível de integração, junto com o sistema colateral ou ecossistema completo, simplificará o projeto geral do sistema, custo e ciclo de projeto, desde o conceito até a prototipagem.

Para facilitar a jornada dos designers de sistema, a ferramenta RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator junto com a ferramenta online VirtualEval, o hardware e software da placa de avaliação e CN-0383 podem ser usados ​​para resolver os diferentes desafios, como questões de conectividade e o orçamento geral de erros, e trazer os usuários para o próximo nível de seu design.

Conclusão

Este artigo demonstrou que o projeto de um sistema de medição de temperatura RTD é um processo desafiador de várias etapas. Exige fazer escolhas em termos de diferentes configurações de sensor, seleção de ADC e otimizações e como essas decisões afetam o desempenho geral do sistema. A ferramenta ADI RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator, junto com a ferramenta online VirtualEval, o hardware e software da placa de avaliação e o CN-0383 agilizam o processo ao abordar a conectividade e as questões gerais de orçamento de erro.

---

Jellenie Rodriguez é engenheiro de aplicações na Analog Devices do Precision Converter Technology Group. Seu foco está em ADCs sigma-delta de precisão para medições DC. Ela se juntou à ADI em 2012 e se formou no San Sebastian College-Recoletos de Cavite com bacharelado em engenharia eletrônica em 2011. Ela pode ser contatada em [email protected]. Mary McCarthy é engenheiro de aplicações da Analog Devices. Ela ingressou na ADI em 1991 e trabalha no Linear and Precision Technology Applications Group em Cork, Irlanda, com foco em conversores sigma-delta de precisão. Mary se formou em engenharia eletrônica e elétrica pela University College Cork em 1991. Ela pode ser contatada em [email protected].

---

Conteúdos Relacionados:

• Otimizando sistemas de detecção de temperatura RTD:desafios (Parte 1 desta série)
• Otimizando sistemas de detecção de temperatura RTD:configurações de fiação (Parte 2 desta série)
• Usando um ADC delta-sigma em sistemas multissensores de alta precisão
• Execução de medição de precisão com sensores de temperatura de silício
• Interface com sensores modernos:design de interface usando C ++
• Lidando com aquisição de dados em alta temperatura e desenvolvimento de plataforma de processamento

Para obter mais informações sobre o Embedded, assine o boletim informativo semanal da Embedded por e-mail.