Delta-Sigma ADCs für ultrapräzise Öl-, Gas- & Petroleum-Multisensorsysteme nutzen

Multisensor-Arrays in Öl-, Gas- und Petroleumanlagen erfassen kontinuierlich kritische Druck- und Temperaturdaten. Um präzise, hochauflösende Messwerte über die weiten Dynamikbereiche dieser Umgebungen zu liefern, muss die Sensorkette sowohl kompakt als auch außergewöhnlich präzise sein.

Traditionelle Multisensor-Elektronik ist oft sperrig, kostenintensiv und fehlt die Robustheit für Feldeinsatz. Diskrete analoge Konditionierungsschaltungen erfüllen die engen Toleranzen moderner Prozesssteuerung nicht, was zu Drift und Fehlerakkumulation führt (siehe Abbildung 1).

Abbildung 1: Ein Drucksicherheitsventil schützt Rohrleitungssysteme vor Überdruck. (Quelle: Shutterstock)

Die Lösung liegt in einem hochauflösenden, multikanaligen Delta-Sigma (ΔΣ) ADC. Durch direkte Integration von Thermoelementen, RTDs und Druckwandlern mit einem Präzisions-ΔΣ-ADC können Designer die für robuste Multisensorsysteme im Petroleumsektor erforderliche RMS-Rauschleistung erreichen.

Dieser Artikel skizziert die zentralen Herausforderungen und Lösungen für die Erstellung eines präzisen Temperatur-Druck-Interfaces mit einem ΔΣ-ADC.

Druckmessung

Druckwandler lassen sich in zwei Gruppen einteilen: solche, die elektrische Erregung benötigen, und solche, die ihre eigene Energie erzeugen. Gängige mechanische Typen – Blasebälge, Membranen, Bourdon-Röhren und Manometer – übersetzen Druckänderungen in mechanische Bewegung.

Elektrisch erregte Sensoren lassen sich nahtlos mit ΔΣ-ADCs und Mikrocontrollern kombinieren. Gängige Typen sind kapazitive Sensoren, LVDTs und piezoresistive Bauelemente. Der piezoresistive Sensor wird aufgrund seiner Kompaktheit und hohen Empfindlichkeit typischerweise bevorzugt (Abbildung 2).

Abbildung 2: (a) Ein piezoresistiver Drucksensor ist die bevorzugte Wahl. (b) Die Brückenseite mit hohem Potential benötigt Spannungs- oder Stromerregung. (Quelle: Maxim Integrated)

In Abbildung 2a ist die obere Schicht des Sensors ein resistiver Film, der mit einer Membran verbunden ist. Die Brückenseite mit hohem Potential (Abbildung 2b) verlangt stabile Erregung – typischerweise wenige Volt. In einem 3,3 V System reicht der differentielle Ausgang des Sensors von wenigen Millivolt bis mehrere hundert Millivolt. Nachfolgende Verstärkung und ADC-Wandlung übersetzen dieses analoge Signal in einen verlässlichen digitalen Wert.

Bedeutung der Temperaturmessung

Präzise Temperaturmessung ist kritisch, da Sensorleistung, besonders bei Druckwandlern, mit Temperatur variiert. Das System setzt ein K-Typ-Thermoelement und ein RTD für Kaltstellenkompensation ein (Abbildung 3).

Abbildung 3: Ein zweidrähtiges TYP-K-Thermoelement benötigt ein RTD für Kaltstellenkompensation (CJC). (Quelle: Maxim Integrated)

Das Thermoelement hält Temperaturen bis +1260 °C stand, während das RTD präzise Messung an der Thermoelement-Verbindungsstelle liefert und temperaturkorrigierte Druckwerte sicherstellt.

Hochauflösende ADCs: Warum ΔΣ?

ADC-Auswahl involviert einen Trade-off zwischen Auflösung und Geschwindigkeit. Pipeline-ADCs bieten hohe Datenraten (zehner Gsps) aber nur bis 12 Bit. Successive-Approximation-Register (SAR) ADCs liefern 10 Ksps–10 Msps mit 12–18 Bit, geeignet für viele industrielle Anwendungen. Wenn jedoch Nanovolt-Auflösung erforderlich ist – wie bei Druck- und Temperatursensing – kann nur ein ΔΣ-ADC die nötige Leistung liefern (Abbildung 4).

Abbildung 4: Der grundlegende ΔΣ-ADC wandelt die Eingangsspannung in einen ΔΣ-Modulator. (Quelle: Maxim Integrated)

Der ΔΣ-ADC formt den Eingang zunächst in einen einbitigen, rauschgeformten Pulszug via ΔΣ-Modulator. Überabtastung und digitales Filtern liefern dann Multibit-Ausgänge bis 24 Bit, die der Mikrocontroller verarbeitet.

ΔΣ-Modulator erklärt

Der ΔΣ-Modulator ist das Herz der Rauschreduktion. Abbildung 5 illustriert die zweitordnungs Struktur: eine Frontend-Δ-Funktion gefolgt von zwei Integratoren (Σ-Funktion). Nach den Integratoren sampelt ein einbitiger ADC das Signal, und ein einbitiger DAC führt zurück zu den Integratoren.

Abbildung 5: Der zweitordnungs ΔΣ-Modulator besteht aus Frontend-Δ-Funktion gefolgt von zwei Integratoren. (Quelle: Maxim Integrated)

Das Quantisierungsrauschen des einbitigen ADCs wird auf höhere Frequenzen verschoben – ein Prozess, bekannt als Noise Shaping. Abbildung 6 demonstriert das resultierende Rauschspektrum.

Abbildung 6: Der Modulator-Ausgangsrausch wird auf höhere Frequenzen geformt. (Quelle: Maxim Integrated)

Die Ordnung des Modulators diktiert die Rauschverteilung. Abbildung 7 vergleicht erst-, zweit- und drittordnungs Modulatoren und zeigt erhöhte Rauschdämpfung nahe DC für höhere Ordnungen.

Abbildung 7: Noise-Shaping-Fähigkeit von erst-, zweit- und drittordnungs Modulatoren. (Quelle: Maxim Integrated)

Digitales Dezimationsfiltering

Nach dem ΔΣ-Modulator entfernt ein digitales/Dezimationsfilter das Hochfrequenzrauschen und produziert die finale Datenrate des ADCs, F_D. Die Grenzfrequenz des Filters bestimmt die Ausgabe-Samplerate.

Vollständige ΔΣ-ADC-Architektur

Abbildung 8 zeigt ein vollständiges ΔΣ-ADC-Blockdiagramm mit Modulator, Sinc-Filtern, FIR-Filtern, Eingangs-Multiplexer, PGA, Taktgenerator und Referenzmatrix – alles zugeschnitten auf Druck- und Temperatursensing.

Abbildung 8: Eine vollständige ΔΣ-ADC-Architektur mit Druck- und Temperatursensor-Eingängen. (Quelle: Maxim Integrated)

Der Sinc-Filter bietet eine einfache Tiefpass-Form, mit erstordnungs Settling in einer Wortperiode und viertordnungs (Sinc⁴) in vier Perioden. Abbildung 9 zeigt das Frequenzgang eines drittordnungs Sinc-Filters.

Abbildung 9: Frequenzgang eines drittordnungs Sinc-Filters (Sinc³). (Quelle: Maxim Integrated)

Der abgerundete Frequenzgang des Sinc-Filters vereinfacht Implementation, aber für schärfere Unterdrückung – besonders von Netzstörungen – ist der FIR-Filter vorzuziehen. Der ΔΣ-ADC in Abbildung 8 nutzt ein 50/60 Hz Notch-Filter, das >90 dB Unterdrückung bei diesen Frequenzen erreicht bei 16 Samples pro Sekunde.

Wesentliche Leistungsdaten des MAX11410 ΔΣ-ADC: 24-Bit-Auflösung, Sinc⁴ Filterung, 160 µA PT100 RTD-Erregung, PGA-Gain 128, Eingangsbereich 1,234 V bis 2,837 V, LSB-Größe 0,039 µV_RMS, Temperaturgenauigkeit ±100 °C, RTD-Genauigkeit ~4,7 µ°C/Bit.

Zusammenfassend liefert die Integration eines ΔΣ-ADCs mit Druck-, Thermoelement- und RTD-Sensoren eine Single-Device-Lösung mit niedrigem Rauschen, präziser Temperatur-Druck-Wandlung – kritisch für Öl-, Gas- und Petroleum-Instrumentierung. Designfokus sollte auf Rauschleistung, Eingangs-Multiplexing und BOM-Kosten bleiben.

>> Dieser Artikel wurde ursprünglich auf unserer Schwesterseite EDN veröffentlicht.