Optimisation des systèmes de détection de température RTD :conception

Dans ce deuxième article sur l'optimisation du système de détection de détecteur de température à résistance (RTD) , nous explorons l'optimisation du système RTD, la sélection de composants externes et la manière d'évaluer le système RTD final.

Dans le premier article de cette série en trois parties sur la RTD, nous avons couvert les défis de la mesure de la température, les types de RTD, les différentes configurations et le circuit de configuration de la RTD. Dans le deuxième article, nous avons décrit les trois configurations différentes de RTD :2 fils, 3 fils et 4 fils. Dans ce dernier article de la série, nous explorerons l'optimisation du système RTD, la sélection de composants externes et comment évaluer le système RTD final.

Optimisation du système RTD

En ce qui concerne les problèmes de conception de système, différents défis sont impliqués dans la conception et l'optimisation des solutions d'application RTD. Le premier défi est la sélection du capteur et le schéma de connexion qui ont été discutés dans les sections précédentes. Le deuxième défi est la configuration de mesure, qui comprend la configuration ADC, le réglage du courant d'excitation, le réglage du gain et la sélection des composants externes tout en garantissant l'optimisation du système et le fonctionnement dans le cadre de la spécification ADC. Et enfin, le problème le plus critique est de savoir comment atteindre les performances cibles et quelles sont les sources d'erreur qui contribuent à l'erreur globale du système.

Heureusement, il existe un nouveau RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator qui offre une solution pratique pour la conception et l'optimisation des systèmes de mesure RTD, du concept au prototypage.

L'outil :

• Permet de comprendre la configuration, le câblage et le schéma de circuit corrects
• Aide à la compréhension des différentes sources d'erreur et permet l'optimisation de la conception

L'outil est conçu autour de l'AD7124-4/AD7124-8. Il permet au client d'ajuster les paramètres tels que le courant d'excitation, le gain et les composants externes (Figure 1). Il indique les conditions hors limites pour garantir que la solution finale est conforme aux spécifications de l'ADC.

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Figure 1. Configurateur RTD. (Source :Appareils analogiques)

Sélection du courant d'excitation, du gain et des composants externes

Idéalement, nous avons tendance à sélectionner des amplitudes de courant d'excitation plus élevées pour générer une tension de sortie beaucoup plus élevée et maximiser la plage d'entrée ADC. Cependant, étant donné que le capteur est résistif, le concepteur doit également s'assurer que la dissipation de puissance ou les effets d'auto-échauffement d'une grande valeur de courant d'excitation n'affecteront pas les résultats de mesure. Un concepteur de système peut sélectionner un courant d'excitation élevé. Cependant, pour minimiser l'auto-échauffement, le courant d'excitation doit être coupé entre les mesures. Le concepteur doit tenir compte des implications temporelles pour le système. Une approche alternative consiste à sélectionner un courant d'excitation inférieur qui minimise l'auto-échauffement. Le timing est maintenant minimisé, mais le concepteur doit déterminer si les performances du système sont affectées. Tous les scénarios peuvent être testés via RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator. L'outil permet à l'utilisateur d'équilibrer la sélection du courant d'excitation, du gain et des composants externes pour s'assurer que la tension d'entrée analogique est optimisée ainsi que le réglage du gain et de la vitesse ADC pour donner une meilleure résolution et de meilleures performances du système, ce qui signifie moins de bruit et erreur de décalage inférieure.

Pour comprendre le profil de filtre résultant ou pour mieux comprendre le calendrier des conversions, l'outil en ligne VirtualEval fournit ces détails.

L'entrée CAN et les entrées de référence d'un CAN sigma-delta sont toutes deux échantillonnées en continu par une extrémité frontale à condensateur commuté. Pour les systèmes RTD discutés, l'entrée de référence est également pilotée par une résistance de référence externe. Un filtre RC externe est recommandé sur l'entrée analogique d'un CAN sigma-delta à des fins d'anticrénelage. À des fins de compatibilité électromagnétique, un concepteur de système peut utiliser des valeurs R et C élevées à la fois sur l'entrée analogique et sur l'entrée de référence. Des valeurs RC élevées peuvent entraîner des erreurs de gain dans les mesures car le circuit frontal n'a pas suffisamment de temps pour s'installer entre les instants d'échantillonnage. La mise en mémoire tampon des entrées analogiques et de référence empêche ces erreurs de gain et permet d'utiliser des valeurs R et C illimitées.

Pour l'AD7124-4/AD7124-8, lors de l'utilisation d'un gain interne supérieur à 1, les tampons d'entrée analogiques sont automatiquement activés et puisque le PGA est placé devant les tampons d'entrée, comme le PGA est rail à rail, l'entrée analogique est également rail à rail. Cependant, dans le cas des tampons de référence ou lors de l'utilisation de l'ADC à un gain de 1 avec les tampons d'entrée analogique activés, il est nécessaire de s'assurer que la marge requise pour un fonctionnement correct est respectée.

Les signaux des Pt100 sont de faible niveau. Ils sont de l'ordre de quelques centaines de mV. Pour des performances optimales, un CAN avec une large plage dynamique peut être utilisé. Alternativement, un étage de gain peut être utilisé pour amplifier le signal avant qu'il ne soit appliqué à l'ADC. L'AD7124-4/AD7124-8 prend en charge les gains de 1 à 128, permettant ainsi une conception optimisée pour une large gamme de courants d'excitation. Les multiples options autorisées de gain PGA permettent au concepteur de faire un compromis entre la valeur du courant d'excitation et le gain, les composants externes et les performances. L'outil de configuration RTD indique si les nouvelles valeurs de courant d'excitation peuvent être utilisées avec le capteur RTD sélectionné. Des valeurs appropriées pour la résistance de référence de précision et la résistance de marge de référence sont également suggérées. Notez que l'outil garantit que l'ADC est utilisé dans les spécifications - il affiche les gains possibles qui prendront en charge la configuration. Les courants d'excitation AD7124 ont une conformité de sortie; c'est-à-dire que la tension sur la broche fournissant le courant d'excitation a besoin d'une certaine marge de l'AVDD. L'outil garantira également que cette spécification de conformité est respectée.

L'outil RTD permet au concepteur du système de garantir un système qui se situe dans les limites de fonctionnement de l'ADC et du capteur RTD. La précision des composants externes tels que la résistance de référence et sa contribution à l'erreur système seront discutées plus tard.

Options de filtrage (rejet analogique et numérique 50 Hz/60 Hz)

Comme indiqué précédemment, un filtre anticrénelage est recommandé avec les convertisseurs sigma-delta. Le filtre embarqué étant numérique, la réponse en fréquence se reflète autour de la fréquence d'échantillonnage. Un filtrage anticrénelage est nécessaire pour atténuer de manière adéquate toute interférence à la fréquence du modulateur et à tout multiple de cette fréquence. Étant donné que les convertisseurs sigma-delta suréchantillonnent l'entrée analogique, la conception du filtre anticrénelage est grandement simplifiée et un simple filtre RC unipolaire suffit.

Lorsque le système final est utilisé sur le terrain, la gestion du bruit ou des interférences provenant de l'environnement dans lequel le système fonctionne peut être assez difficile, en particulier dans les espaces d'application tels que l'automatisation industrielle, l'instrumentation, le contrôle de processus ou le contrôle de l'alimentation, où il est tolérant au bruit et en même temps ne pas être bruyant pour vos composants voisins est nécessaire. Le bruit, les transitoires ou d'autres sources d'interférences peuvent avoir un impact sur la précision et la résolution du système. Des interférences peuvent également se produire lorsque les systèmes sont alimentés par le secteur. Les fréquences d'alimentation principale sont générées à 50 Hz et ses multiples en Europe, et à 60 Hz et ses multiples aux États-Unis. Ainsi, lors de la conception d'un système RTD, un circuit de filtrage avec une réjection de 50 Hz/60 Hz doit être pris en compte. De nombreux concepteurs de systèmes souhaitent concevoir un système universel qui rejette à la fois 50 Hz et 60 Hz simultanément.

La plupart des CAN à bande passante inférieure, y compris AD7124-4/AD7124-8, offrent une variété d'options de filtrage numérique qui peuvent être programmées pour régler des encoches à 50 Hz/60 Hz. L'option de filtre sélectionnée a un effet sur le débit de données de sortie, le temps de stabilisation et la réjection 50 Hz et 60 Hz. Lorsque plusieurs canaux sont activés, un temps de stabilisation est requis pour générer une conversion à chaque fois que le canal est commuté ; ainsi, la sélection d'un type de filtre avec un temps de stabilisation plus long (c'est-à-dire sinc4 ou sinc3) réduira le débit global. Dans ce cas, un post-filtre ou un filtre FIR est utile pour fournir une réjection simultanée raisonnable de 50 Hz/60 Hz à des temps de stabilisation inférieurs et augmenter ainsi le débit.

Considération de puissance

La consommation de courant ou l'allocation du budget de puissance du système dépend fortement de l'application finale. L'AD7124-4/AD7124-8 contient trois modes d'alimentation qui permettent un compromis entre les performances, la vitesse et la puissance. Pour toute application portable ou distante, des composants et des configurations de faible puissance doivent être utilisés, et pour certaines applications d'automatisation industrielle, le système complet est alimenté à partir de la boucle 4 mA à 20 mA de sorte qu'un budget de courant de seulement 4 mA maximum est autorisé. Pour ce type d'application, les appareils peuvent être programmés en mode moyenne ou faible puissance. La vitesse est beaucoup plus faible, mais l'ADC offre toujours des performances élevées. Si l'application est un contrôle de processus, qui est alimenté par le secteur, une consommation de courant beaucoup plus élevée est autorisée, de sorte que l'appareil peut être programmé en mode pleine puissance et ce système peut atteindre un débit de données de sortie beaucoup plus élevé et des performances accrues.

Sources d'erreurs et options d'étalonnage

Après avoir connu la configuration système requise, l'étape suivante consiste à estimer les erreurs associées à l'ADC et les erreurs système. Ceux-ci aident les concepteurs de systèmes à comprendre si la configuration frontale et ADC atteindra la précision et les performances cibles globales. Le RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator permet à l'utilisateur de modifier la configuration du système pour des performances optimales. Par exemple, la figure 2 montre un résumé de toutes les erreurs. Le diagramme circulaire d'erreur du système indique que la précision initiale de la résistance de référence externe et son coefficient de température sont les principaux contributeurs d'erreur à l'erreur globale du système. Ainsi, il est important d'envisager l'utilisation d'une résistance de référence externe avec une plus grande précision et un meilleur coefficient de température.

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Figure 2. Calculateur de sources d'erreur RTD. (Source :Appareils analogiques)

L'erreur due à l'ADC n'est pas le contributeur d'erreur le plus important à l'erreur globale du système. Cependant, la contribution d'erreur de l'ADC peut être encore réduite en utilisant les modes d'étalonnage internes de l'AD7124-4/AD7124-8. Un étalonnage interne est recommandé lors de la mise sous tension ou de l'initialisation du logiciel pour supprimer les erreurs de gain et de décalage ADC. Veuillez noter que ces étalonnages ne supprimeront pas les erreurs créées par les circuits externes. Cependant, l'ADC peut également prendre en charge les étalonnages du système afin de minimiser l'erreur de décalage et de gain du système, mais cela peut ajouter des coûts supplémentaires et peut ne pas être nécessaire pour la plupart des applications.

Détection des pannes

Pour tout environnement difficile ou pour les applications où la sécurité est une priorité, le diagnostic devient une partie des exigences de l'industrie. Les diagnostics intégrés dans l'AD7124-4/AD7124-8 réduisent le besoin de composants externes pour mettre en œuvre les diagnostics, ce qui se traduit par une solution plus petite et simplifiée d'économie de temps et d'argent.

Les diagnostics incluent :

• Vérifications du niveau de tension sur les broches analogiques pour s'assurer qu'il se situe dans la plage de fonctionnement spécifiée
• Un contrôle de redondance cyclique (CRC) sur le bus d'interface périphérique série (SPI)
• Un CRC sur la carte mémoire
• Vérifications de la chaîne de signaux

Ces diagnostics conduisent à une solution plus robuste. Les modes de défaillance, les effets et l'analyse de diagnostic (FMEDA) d'une application RTD à 3 fils typique ont montré une fraction de défaillance sûre (SFF) supérieure à 90 % selon la norme IEC 61508.

Évaluation du système RTD

La figure 3 montre quelques données mesurées de la note de circuit CN-0383. Ces données mesurées ont été capturées avec la carte d'évaluation AD7124-4/AD7124-8, qui comprend des modes de démonstration pour les RTD à 2, 3 et 4 fils, et a calculé la valeur correspondante en degrés Celsius. Les résultats montrent qu'une mise en œuvre RTD à 2 fils donne une erreur plus proche de la limite inférieure de la limite d'erreur, tandis que la mise en œuvre RTD à 3 ou 4 fils a une erreur globale qui se situe bien dans la limite autorisée. L'erreur la plus élevée dans la mesure à 2 fils est due aux erreurs de résistance de fil décrites précédemment.

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Figure 3. Un post-filtre de mesure de précision de température RTD à 2/3/4 fils en mode basse consommation à 25 SPS. (Source :Appareils analogiques)

Ce que montrent ces exemples, c'est que suivre les directives RTD ci-dessus conduira à une conception haute précision et haute performance lorsqu'il est utilisé avec les CAN sigma-delta à bande passante inférieure d'ADI tels que l'AD7124-4/AD7124-8. La note de circuit (CN-0383) servira également de conception de référence qui aidera le concepteur du système à se lancer rapidement dans le prototypage. La carte d'évaluation permet à l'utilisateur d'évaluer les performances du système dans lequel chacun des exemples de modes de démonstration de configuration peut être utilisé. À l'avenir, le micrologiciel des différentes configurations RTD peut être facilement développé à l'aide d'un exemple de code généré par ADI disponible sur les pages produit AD7124-4/AD7124-8.

Les CAN, qui utilisent une architecture sigma-delta telle que celle de l'AD7124-4/AD7124-8, conviennent aux applications de mesure RTD car ils répondent à des problèmes tels que la réjection 50 Hz/60 Hz, ainsi qu'une large plage de mode commun sur le analogiques et éventuellement les entrées de référence. Ils sont également hautement intégrés et contiennent toutes les fonctions nécessaires à la conception d'un système RTD. De plus, ils offrent des fonctionnalités améliorées telles que la capacité d'étalonnage et les diagnostics intégrés. Ce niveau d'intégration, ainsi que la garantie ou l'écosystème complet du système, simplifieront la conception globale du système, le coût et le cycle de conception, du concept au prototypage.

Pour faciliter le parcours des concepteurs de systèmes, l'outil RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator ainsi que l'outil en ligne VirtualEval, le matériel et le logiciel de la carte d'évaluation et CN-0383 peuvent être utilisés pour relever les différents défis, tels que les problèmes de connectivité et le budget d'erreur global, et apporter les utilisateurs au prochain niveau de leur conception.

Conclusion

Cet article a démontré que la conception d'un système de mesure de température RTD est un processus difficile en plusieurs étapes. Cela nécessite de faire des choix en termes de différentes configurations de capteurs, de sélection d'ADC et d'optimisations et de l'impact de ces décisions sur les performances globales du système. L'outil ADI RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator, ainsi que l'outil en ligne VirtualEval, le matériel et le logiciel de la carte d'évaluation et CN-0383 rationalisent le processus en résolvant les problèmes de connectivité et de budget d'erreur global.

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Jellenie Rodriguez est ingénieur d'applications chez Analog Devices au sein du groupe Precision Converter Technology. Elle se concentre sur les CAN sigma-delta de précision pour les mesures en courant continu. Elle a rejoint ADI en 2012 et a obtenu un baccalauréat en génie électronique du San Sebastian College-Recoletos de Cavite en 2011. Elle peut être contactée à [email protected]. Marie McCarthy est ingénieur d'applications chez Analog Devices. Elle a rejoint ADI en 1991 et travaille dans le groupe des applications de technologie linéaire et de précision à Cork, en Irlande, en se concentrant sur les convertisseurs sigma-delta de précision. Mary a obtenu une licence en génie électronique et électrique de l'University College Cork en 1991. Elle peut être jointe à [email protected].

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Contenus associés :

• Optimisation des systèmes de détection de température RTD :défis (partie 1 de cette série)
• Optimisation des systèmes de détection de température RTD :configurations de câblage (partie 2 de cette série)
• Utilisation d'un CAN delta-sigma dans des systèmes multicapteurs de haute précision
• Réalisation de mesures de précision avec des capteurs de température en silicium
• Interfaçage avec des capteurs modernes :conception d'interfaces en C++
• S'attaquer au développement d'une plate-forme d'acquisition et de traitement de données à haute température

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