Aproveitando ADCs Delta-Sigma para Sistemas Multissensor de Óleo, Gás e Petróleo de Ultra-Alta Precisão

Arrays multi-sensor em instalações de óleo, gás e petróleo colhem continuamente dados críticos de pressão e temperatura. Para entregar leituras precisas e de alta resolução nas amplas faixas dinâmicas que esses ambientes exigem, a cadeia de sensores deve ser tanto compacta quanto excepcionalmente precisa.

Eletrônica multi-sensor tradicional é frequentemente volumosa, custo-intensiva e carece da robustez necessária para implantação em campo. Circuitos de condicionamento analógico discretos falham em atender às tolerâncias apertadas necessárias para controle de processo moderno, levando a deriva e acumulação de erro (veja Figura 1).

Figura 1: Uma válvula de segurança de pressão protege sistemas de tubulação de sobrepressão. (Fonte: Shutterstock)

A solução reside em um ADC delta-sigma (ΔΣ) multi-canal de alta resolução. Integrando termopares, RTDs e transdutores de pressão diretamente com um ADC ΔΣ de precisão, projetistas podem atingir o desempenho de ruído RMS necessário para sistemas multi-sensor robustos no setor de petróleo.

Este artigo descreve os principais desafios e soluções para criar uma interface precisa de temperatura-pressão usando um ADC ΔΣ.

Sensoriamento de Pressão

Transdutores de pressão podem ser classificados em dois grupos: aqueles que requerem excitação elétrica e aqueles que geram sua própria potência. Estilos mecânicos comuns — foles, diafragmas, tubos de bourdon e manômetros — traduzem mudanças de pressão em movimento mecânico.

Sensores eletricamente excitados emparelham perfeitamente com ADCs ΔΣ e microcontroladores. Tipos comuns incluem sensores capacitivos, LVDTs e dispositivos piezorresistivos. O sensor piezorresistivo é tipicamente preferido por sua compacidade e alta sensibilidade (Figura 2).

Figura 2: (a) Um sensor de pressão piezorresistivo é a escolha preferida. (b) O lado alto da ponte requer excitação de tensão ou corrente. (Fonte: Maxim Integrated)

Na Figura 2a, a camada superior do sensor é um filme resistivo ligado a um diafragma. O lado alto da ponte (Figura 2b) demanda uma excitação estável — tipicamente alguns volts. Em um sistema de 3,3 V, a saída diferencial do sensor varia de alguns milivolts a várias centenas de milivolts. Amplificação subsequente e conversão ADC traduzem esse sinal analógico em um valor digital confiável.

Significância do Sensoriamento de Temperatura

Medição precisa de temperatura é crítica porque o desempenho do sensor, especialmente para transdutores de pressão, varia com a temperatura. O sistema emprega um termopar tipo K e um RTD para compensação de junção fria (Figura 3).

Figura 3: Um termopar TYPE-K de dois fios requer um RTD para compensação de junção fria (CJC). (Fonte: Maxim Integrated)

O termopar pode suportar temperaturas até +1260 °C, enquanto o RTD fornece medição precisa na junção do termopar, garantindo leituras de pressão corrigidas por temperatura.

ADCs de Alta Resolução: Por Que ΔΣ?

Seleção de ADC envolve trade-off entre resolução e velocidade. ADCs pipeline oferecem altas taxas de dados (dezenas de Gsps) mas apenas até 12 bits. ADCs de aproximação sucessiva (SAR) entregam 10 Ksps–10 Msps com 12–18 bits, adequados para muitas aplicações industriais. No entanto, quando resolução em nível de nanovolt é requerida — como em sensoriamento de pressão e temperatura — apenas um ADC ΔΣ pode entregar o desempenho necessário (Figura 4).

Figura 4: O ADC ΔΣ básico converte a tensão de entrada em um modulador ΔΣ. (Fonte: Maxim Integrated)

O ADC ΔΣ primeiro molda a entrada em um trem de pulsos noise-shaped de um bit via modulador ΔΣ. Over-sampling e filtragem digital então produzem saídas multi-bit até 24 bits, que o microcontrolador consome.

Modulador ΔΣ Explicado

O modulador ΔΣ é o coração da redução de ruído. A Figura 5 ilustra a estrutura de segunda ordem: uma função Δ frontal seguida por dois integradores (função Σ). Após os integradores, um ADC de um bit amostra o sinal, e um DAC de um bit realimenta aos integradores.

Figura 5: O modulador ΔΣ de segunda ordem compreende uma função Δ frontal seguida por dois integradores. (Fonte: Maxim Integrated)

O ruído de quantização introduzido pelo ADC de um bit é deslocado para frequências mais altas — um processo conhecido como noise shaping. A Figura 6 demonstra o espectro de ruído resultante.

Figura 6: O ruído de saída do modulador é moldado para frequências mais altas. (Fonte: Maxim Integrated)

A ordem do modulador dita a distribuição de ruído. A Figura 7 compara moduladores de primeira, segunda e terceira ordem, mostrando atenuação de ruído aumentada perto de DC para ordens superiores.

Figura 7: Capacidade de noise shaping de moduladores de primeira, segunda e terceira ordem. (Fonte: Maxim Integrated)

Filtragem Digital de Decimação

Após o modulador ΔΣ, um filtro digital/de decimação remove o ruído de alta frequência, produzindo a taxa de dados final do ADC, F_D. A frequência de corte do filtro determina a taxa de amostragem de saída.

Arquitetura Completa do ADC ΔΣ

A Figura 8 mostra um diagrama de bloco completo de ADC ΔΣ, incorporando modulador, filtros sinc, filtros FIR, multiplexador de entrada, PGA, gerador de clock e matriz de referência — todos adaptados para sensoriamento de pressão e temperatura.

Figura 8: Uma arquitetura completa de ADC ΔΣ com entradas de sensores de pressão e temperatura. (Fonte: Maxim Integrated)

O filtro sinc fornece uma forma simples de low-pass, com assentamento de primeira ordem em um período de palavra e uma quarta ordem (Sinc⁴) assentando em quatro períodos. A Figura 9 exibe a resposta em frequência de um filtro sinc de terceira ordem.

Figura 9: Resposta em frequência de um filtro sinc de terceira ordem (Sinc³). (Fonte: Maxim Integrated)

A resposta arredondada do filtro sinc simplifica implementação, mas para rejeição mais aguda — particularmente de interferência da rede — o filtro FIR é preferível. O ADC ΔΣ na Figura 8 emprega um filtro notch 50/60 Hz que atinge >90 dB de rejeição nessas frequências enquanto opera a 16 amostras por segundo.

Principais números de desempenho para o ADC ΔΣ MAX11410: resolução de 24 bits, filtragem Sinc⁴, excitação PT100 RTD de 160 µA, ganho PGA de 128, faixa de entrada 1,234 V a 2,837 V, tamanho LSB 0,039 µV_RMS, precisão de temperatura ±100 °C, precisão RTD ~4,7 µ°C/bit.

Em resumo, integrar um ADC ΔΣ com sensores de pressão, termopar e RTD produz uma solução de dispositivo único que entrega baixo ruído, conversão precisa de temperatura-pressão — crítica para instrumentação de óleo, gás e petróleo. Foco de design deve permanecer em desempenho de ruído, multiplexação de entrada e custo BOM.

>> Este artigo foi originalmente publicado em nosso site irmão, EDN.