Optimierung von RTD-Temperatursensorsystemen:Design

In diesem zweiten Artikel über die Optimierung von Widerstandstemperaturdetektoren (RTD)-Sensorsystemen , untersuchen wir die Optimierung des RTD-Systems, die Auswahl externer Komponenten und die Bewertung des endgültigen RTD-Systems.

Im ersten Artikel dieser dreiteiligen Serie über RTD haben wir die Herausforderungen bei der Temperaturmessung, RTD-Typen, verschiedene Konfigurationen und die RTD-Konfigurationsschaltung behandelt. Im zweiten Artikel haben wir die drei verschiedenen RTD-Konfigurationen skizziert:2-Leiter, 3-Leiter und 4-Leiter. In diesem letzten Artikel der Serie werden wir die Optimierung des RTD-Systems, die Auswahl externer Komponenten und die Bewertung des endgültigen RTD-Systems untersuchen.

RTD-Systemoptimierung

Betrachtet man die Probleme von Systemdesignern, so gibt es verschiedene Herausforderungen beim Entwerfen und Optimieren von RTD-Anwendungslösungen. Herausforderung eins ist die Sensorauswahl und das Anschlussdiagramm, die in den vorherigen Abschnitten besprochen wurden. Herausforderung zwei ist die Messkonfiguration, die die ADC-Konfiguration, die Einstellung des Erregerstroms, die Einstellung der Verstärkung und die Auswahl der externen Komponenten umfasst, während die Systemoptimierung und der Betrieb innerhalb der ADC-Spezifikation sichergestellt werden. Und schließlich ist die kritischste Frage, wie die Zielleistung erreicht werden kann und welche Fehlerquellen zum Gesamtsystemfehler beitragen.

Glücklicherweise gibt es einen neuen RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator, der eine praktische Lösung für die Entwicklung und Optimierung von RTD-Messsystemen vom Konzept bis zum Prototyping bietet.

Das Werkzeug:

• Ermöglicht das Verständnis der richtigen Konfiguration, Verdrahtung und des Schaltplans
• Unterstützt das Verständnis der verschiedenen Fehlerquellen und ermöglicht die Designoptimierung

Das Tool ist um den AD7124-4/AD7124-8 herum konzipiert. Es ermöglicht dem Kunden, Einstellungen wie Erregerstrom, Verstärkung und externe Komponenten anzupassen (Abbildung 1). Es zeigt Out-of-bound-Bedingungen an, um sicherzustellen, dass die endgültige Lösung innerhalb der Spezifikationen des ADC liegt.

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Abbildung 1. RTD-Konfigurator. (Quelle:Analog Devices)

Auswahl von Erregerstrom, Verstärkung und externen Komponenten

Im Idealfall neigen wir dazu, höhere Beträge des Erregerstroms zu wählen, um eine viel höhere Ausgangsspannung zu erzeugen und den ADC-Eingangsbereich zu maximieren. Da der Sensor jedoch ohmsch ist, muss der Konstrukteur auch sicherstellen, dass die Verlustleistung oder die Eigenerwärmungseffekte eines großen Erregerstroms die Messergebnisse nicht beeinflussen. Ein Systemdesigner kann einen hohen Erregerstrom auswählen. Um die Eigenerwärmung zu minimieren, muss der Erregerstrom jedoch zwischen den Messungen abgeschaltet werden. Der Designer muss die zeitlichen Auswirkungen auf das System berücksichtigen. Ein alternativer Ansatz besteht darin, einen niedrigeren Erregerstrom zu wählen, der die Eigenerwärmung minimiert. Das Timing ist jetzt minimiert, aber der Designer muss feststellen, ob die Systemleistung beeinträchtigt wird. Alle Szenarien können über den RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator getestet werden. Das Tool ermöglicht es dem Benutzer, die Auswahl von Erregerstrom, Verstärkung und externen Komponenten abzugleichen, um sicherzustellen, dass die analoge Eingangsspannung optimiert wird, sowie die ADC-Verstärkung und -Geschwindigkeit, um eine bessere Auflösung und eine bessere Systemleistung zu erzielen, was weniger Rauschen und niedrigerer Offsetfehler.

Um das resultierende Filterprofil zu verstehen oder das Timing der Konvertierungen besser zu verstehen, bietet das VirtualEval-Online-Tool dieses Detail.

Der ADC-Eingang und die Referenzeingänge eines Sigma-Delta-ADC werden beide kontinuierlich von einem geschalteten Kondensator-Frontend abgetastet. Bei den diskutierten RTD-Systemen wird der Referenzeingang auch von einem externen Referenzwiderstand angesteuert. Für Antialiasing-Zwecke wird ein externer RC-Filter am analogen Eingang eines Sigma-Delta-ADC empfohlen. Aus EMV-Zwecken kann ein Systementwickler sowohl am Analogeingang als auch am Referenzeingang große R- und C-Werte verwenden. Große RC-Werte können Verstärkungsfehler bei Messungen verursachen, da die Front-End-Schaltung nicht genügend Zeit hat, um sich zwischen den Abtastzeitpunkten einzuschwingen. Das Puffern der Analog- und Referenzeingänge verhindert diese Verstärkungsfehler und ermöglicht die Verwendung unbegrenzter R- und C-Werte.

Beim AD7124-4/AD7124-8 werden bei Verwendung einer internen Verstärkung von mehr als 1 die analogen Eingangspuffer automatisch aktiviert ist auch Rail to Rail. Im Fall der Referenzpuffer oder bei Verwendung des ADC mit einer Verstärkung von 1 mit aktivierten analogen Eingangspuffern muss jedoch sichergestellt werden, dass der für einen ordnungsgemäßen Betrieb erforderliche Spielraum eingehalten wird.

Signale von Pt100s haben einen niedrigen Pegel. Sie liegen in der Größenordnung von Hunderten von mV. Für optimale Leistung kann ein ADC mit großem Dynamikbereich verwendet werden. Alternativ kann eine Verstärkungsstufe verwendet werden, um das Signal zu verstärken, bevor es an den ADC angelegt wird. Der AD7124-4/AD7124-8 unterstützt Verstärkungen von 1 bis 128 und ermöglicht so ein optimiertes Design für einen breiten Bereich von Erregerströmen. Die mehreren zulässigen Optionen der PGA-Verstärkung ermöglichen es dem Entwickler, den Erregerstromwert gegenüber der Verstärkung, externen Komponenten und der Leistung abzuwägen. Das RTD-Konfigurator-Tool zeigt an, ob die neuen Erregerstromwerte mit dem ausgewählten RTD-Sensor verwendet werden können. Geeignete Werte für den Präzisions-Referenzwiderstand und den Referenz-Headroom-Widerstand werden ebenfalls vorgeschlagen. Beachten Sie, dass das Tool sicherstellt, dass der ADC innerhalb der Spezifikation verwendet wird – es zeigt mögliche Verstärkungen an, die die Konfiguration unterstützen. Die Erregerströme des AD7124 haben eine Ausgangskonformität; das heißt, die Spannung an dem Pin, der den Erregerstrom liefert, benötigt etwas Spielraum von AVDD. Das Tool stellt außerdem sicher, dass diese Konformitätsspezifikation erfüllt wird.

Das RTD-Tool ermöglicht es dem Systemdesigner, ein System zu garantieren, das innerhalb der Betriebsgrenzen des ADC und des RTD-Sensors liegt. Die Genauigkeit der externen Komponenten wie des Referenzwiderstands und sein Beitrag zum Systemfehler werden später erörtert.

Filteroptionen (analog und digital 50 Hz/60 Hz-Unterdrückung)

Wie bereits erwähnt, wird bei Sigma-Delta-Wandlern ein Antialiasing-Filter empfohlen. Da der eingebettete Filter digital ist, wird der Frequenzgang um die Abtastfrequenz herum reflektiert. Antialiasing-Filterung ist erforderlich, um jede Störung bei der Modulatorfrequenz und bei beliebigen Vielfachen dieser Frequenz angemessen zu dämpfen. Da Sigma-Delta-Wandler den analogen Eingang überabtasten, wird das Design des Antialiasing-Filters stark vereinfacht und es wird nur ein einfacher einpoliger RC-Filter benötigt.

Wenn das endgültige System im Feld verwendet wird, kann der Umgang mit Rauschen oder Störungen durch die Umgebung, in der das System betrieben wird, eine ziemliche Herausforderung darstellen, insbesondere in Anwendungsbereichen wie der industriellen Automatisierung, Instrumentierung, Prozesssteuerung oder Leistungssteuerung, wo tolerant zu sein zu lärmen und gleichzeitig Ihre Nachbarkomponenten nicht zu stören. Rauschen, Transienten oder andere Störquellen können die Genauigkeit und Auflösung des Systems beeinträchtigen. Störungen können auch auftreten, wenn Anlagen über das Stromnetz gespeist werden. Netzspannungsfrequenzen werden in Europa bei 50 Hz und seinen Vielfachen und in den USA bei 60 Hz und seinen Vielfachen erzeugt. Daher muss beim Entwerfen eines RTD-Systems eine Filterschaltung mit 50 Hz/60 Hz-Unterdrückung in Betracht gezogen werden. Viele Systemdesigner möchten ein universelles System entwickeln, das sowohl 50 Hz als auch 60 Hz gleichzeitig unterdrückt.

Die meisten ADCs mit niedrigerer Bandbreite, einschließlich AD7124-4/AD7124-8, bieten eine Vielzahl digitaler Filteroptionen, die so programmiert werden können, dass Kerben auf 50 Hz/60 Hz eingestellt werden. Die ausgewählte Filteroption hat Auswirkungen auf die Ausgangsdatenrate, die Einschwingzeit und die 50-Hz- und 60-Hz-Unterdrückung. Wenn mehrere Kanäle aktiviert sind, ist bei jedem Umschalten des Kanals eine Einschwingzeit erforderlich, um eine Konvertierung zu erzeugen; Daher verringert die Auswahl eines Filtertyps mit längerer Einschwingzeit (d. h. sinc4 oder sinc3) die Gesamtdurchsatzrate. In diesem Fall ist ein Nachfilter oder FIR-Filter nützlich, um eine vernünftige gleichzeitige 50 Hz/60 Hz-Unterdrückung bei geringeren Einschwingzeiten bereitzustellen und so die Durchsatzrate zu erhöhen.

Energieüberlegung

Der Stromverbrauch bzw. die Leistungsbudgetzuweisung des Systems hängt stark von der Endanwendung ab. Der AD7124-4/AD7124-8 enthält drei Leistungsmodi, die einen Kompromiss zwischen Leistung, Geschwindigkeit und Leistung ermöglichen. Für jede tragbare oder abgesetzte Anwendung müssen stromsparende Komponenten und Konfigurationen verwendet werden, und für einige industrielle Automatisierungsanwendungen wird das komplette System von der 4 mA bis 20 mA-Schleife gespeist, so dass ein Strombudget von nur maximal 4 mA zulässig ist. Für diese Art von Anwendung können die Geräte im Mid- oder Low-Power-Modus programmiert werden. Die Geschwindigkeit ist viel geringer, aber der ADC bietet immer noch eine hohe Leistung. Handelt es sich bei der Applikation um Prozesssteuerung, die über das Stromnetz gespeist wird, ist eine viel höhere Stromaufnahme zulässig, sodass das Gerät im Full-Power-Modus programmiert werden kann und dieses System eine viel höhere Ausgangsdatenrate und höhere Leistung erzielen kann.

Fehlerquellen und Kalibrierungsoptionen

Nachdem die erforderliche Systemkonfiguration bekannt ist, besteht der nächste Schritt darin, die mit dem ADC und den Systemfehlern verbundenen Fehler abzuschätzen. Diese helfen Systemdesignern zu verstehen, ob die Front-End- und ADC-Konfiguration die Gesamtzielgenauigkeit und -leistung erfüllen. Der RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator ermöglicht es dem Benutzer, die Systemkonfiguration für eine optimale Leistung zu ändern. Abbildung 2 zeigt beispielsweise eine Zusammenfassung aller Fehler. Das Systemfehler-Kreisdiagramm zeigt, dass die anfängliche Genauigkeit des externen Referenzwiderstands und sein Temperaturkoeffizient die Hauptfehlerursachen für den Gesamtsystemfehler sind. Daher ist es wichtig, einen externen Referenzwiderstand mit höherer Genauigkeit und einem besseren Temperaturkoeffizienten zu verwenden.

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Abbildung 2. RTD-Fehlerquellenrechner. (Quelle:Analog Devices)

Der Fehler aufgrund des ADC ist nicht der wichtigste Fehlerfaktor für den Gesamtsystemfehler. Der Fehlerbeitrag des ADC kann jedoch mit den internen Kalibrierungsmodi des AD7124-4/AD7124-8 weiter reduziert werden. Beim Einschalten oder bei der Softwareinitialisierung wird eine interne Kalibrierung empfohlen, um die ADC-Verstärkungs- und Offsetfehler zu beseitigen. Bitte beachten Sie, dass diese Kalibrierungen keine Fehler beseitigen, die durch die externe Schaltung verursacht wurden. Der ADC kann jedoch auch Systemkalibrierungen unterstützen, sodass der System-Offset und der Verstärkungsfehler minimiert werden können, dies kann jedoch zusätzliche Kosten verursachen und ist für die meisten Anwendungen möglicherweise nicht erforderlich.

Fehlererkennung

Für jede raue Umgebung oder für Anwendungen, bei denen die Sicherheit Priorität hat, wird die Diagnose zu einem Teil der Branchenanforderungen. Die eingebettete Diagnose im AD7124-4/AD7124-8 reduziert den Bedarf an externen Komponenten zur Implementierung der Diagnose, was zu einer kleineren, vereinfachten Lösung zur Zeit- und Kosteneinsparung führt.

Die Diagnose umfasst:

• Überprüft den Spannungspegel an den analogen Pins, um sicherzustellen, dass er innerhalb des angegebenen Betriebsbereichs liegt
• Eine zyklische Redundanzprüfung (CRC) auf dem seriellen Peripherieschnittstellenbus (SPI)
• Ein CRC auf der Speicherkarte
• Signalkettenüberprüfungen

Diese Diagnose führt zu einer robusteren Lösung. Die Fehlermodi, Auswirkungen und Diagnoseanalyse (FMEDA) einer typischen 3-Leiter-RTD-Anwendung haben einen sicheren Fehleranteil (SFF) von mehr als 90 % gemäß IEC 61508 gezeigt.

Bewertung des FTE-Systems

Abbildung 3 zeigt einige Messdaten aus dem Schaltkreishinweis CN-0383. Diese Messdaten wurden mit dem Evaluierungsboard AD7124-4/AD7124-8, das Demo-Modi für 2-, 3- und 4-Leiter-RTDs enthält, erfasst und der entsprechende Grad Celsius-Wert berechnet. Die Ergebnisse zeigen, dass eine 2-Draht-RTD-Implementierung einen Fehler näher an der unteren Grenze der Fehlergrenze ergibt, während die 3-Draht- oder 4-Draht-RTD-Implementierung einen Gesamtfehler aufweist, der deutlich innerhalb der zulässigen Grenze liegt. Der höhere Fehler bei der 2-Leiter-Messung ist auf die zuvor beschriebenen Leitungswiderstandsfehler zurückzuführen.

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Abbildung 3. Ein 2-/3-/4-Leiter-RTD-Nachfilter für die Temperaturgenauigkeitsmessung im Niedrigleistungsmodus bei 25 SPS. (Quelle:Analog Devices)

Diese Beispiele zeigen, dass das Befolgen der obigen RTD-Richtlinien zu einem hochgenauen Hochleistungsdesign führt, wenn es in Verbindung mit den Sigma-Delta-ADCs mit geringerer Bandbreite von ADI wie dem AD7124-4/AD7124-8 verwendet wird. Die Schaltungsnotiz (CN-0383) dient auch als Referenzdesign, das dem Systemdesigner hilft, schnell mit dem Prototyping zu beginnen. Das Evaluierungsboard ermöglicht dem Benutzer, die Systemleistung zu bewerten, wobei jeder der Beispielkonfigurations-Demomodi verwendet werden kann. In Zukunft kann Firmware für die verschiedenen RTD-Konfigurationen einfach mithilfe von ADI-generiertem Beispielcode entwickelt werden, der auf den Produktseiten von AD7124-4/AD7124-8 verfügbar ist.

ADCs, die eine Sigma-Delta-Architektur wie der AD7124-4/AD7124-8 verwenden, eignen sich für RTD-Messanwendungen, da sie Probleme wie die 50 Hz/60 Hz-Unterdrückung sowie einen breiten Gleichtaktbereich auf dem analog und ggf. die Referenzeingänge. Sie sind außerdem hochintegriert und enthalten alle Funktionen, die für ein RTD-Systemdesign erforderlich sind. Darüber hinaus bieten sie erweiterte Funktionen wie Kalibrierungsfähigkeit und eingebettete Diagnose. Diese Integrationsebene vereinfacht zusammen mit der gesamten Systemsicherheit oder dem Ökosystem das Gesamtsystemdesign, die Kosten und den Designzyklus vom Konzept bis zum Prototyping.

Um den Systementwicklern die Reise zu erleichtern, können das RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator-Tool zusammen mit dem Online-Tool VirtualEval, der Hardware und Software des Evaluierungsboards und CN-0383 verwendet werden, um die verschiedenen Herausforderungen wie Konnektivitätsprobleme und das Gesamtfehlerbudget zu bewältigen und die Benutzer auf die nächste Stufe ihres Designs.

Schlussfolgerung

Dieser Artikel hat gezeigt, dass die Entwicklung eines RTD-Temperaturmesssystems ein anspruchsvoller, mehrstufiger Prozess ist. Es erfordert Entscheidungen in Bezug auf die verschiedenen Sensorkonfigurationen, ADC-Auswahl und Optimierungen und wie sich diese Entscheidungen auf die Gesamtsystemleistung auswirken. Das Tool ADI RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator zusammen mit dem Online-Tool VirtualEval, der Hardware und Software des Evaluierungsboards und CN-0383 rationalisieren den Prozess, indem es die Konnektivität und das gesamte Fehlerbudget berücksichtigt.

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Jellenie Rodriguez ist Anwendungsingenieur bei Analog Devices innerhalb der Precision Converter Technology Group. Ihr Fokus liegt auf Präzisions-Sigma-Delta-ADCs für DC-Messungen. Sie kam 2012 zu ADI und schloss 2011 ihr Bachelor-Studium in Elektrotechnik am San Sebastian College-Recoletos de Cavite ab. Sie kann unter [email protected] erreicht werden. Mary McCarthy ist Anwendungstechniker bei Analog Devices. Sie kam 1991 zu ADI und arbeitet in der Linear and Precision Technology Applications Group in Cork, Irland, mit dem Schwerpunkt auf Präzisions-Sigma-Delta-Wandlern. Mary schloss 1991 ihren Bachelor in Elektrotechnik am University College Cork ab. Sie erreichen sie unter [email protected].

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