Optimización de los sistemas de detección de temperatura RTD:diseño

En este segundo artículo sobre la optimización del sistema de detección del detector de temperatura por resistencia (RTD) , exploramos la optimización del sistema RTD, la selección de componentes externos y cómo evaluar el sistema RTD final.

En el primer artículo de esta serie de tres partes sobre RTD, cubrimos los desafíos de la medición de temperatura, los tipos de RTD, las diferentes configuraciones y el circuito de configuración de RTD. En el segundo artículo, describimos las tres configuraciones diferentes de RTD:2 cables, 3 cables y 4 cables. En este artículo final de la serie, exploraremos la optimización del sistema RTD, la selección de componentes externos y cómo evaluar el sistema RTD final.

Optimización del sistema RTD

En cuanto a los problemas del diseñador de sistemas, existen diferentes desafíos involucrados en el diseño y optimización de las soluciones de aplicaciones de RTD. El desafío uno es la selección del sensor y el diagrama de conexión que se discutió en las secciones anteriores. El segundo desafío es la configuración de medición, que incluye la configuración del ADC, el establecimiento de la corriente de excitación, el establecimiento de la ganancia y la selección de los componentes externos, al tiempo que se garantiza la optimización del sistema y el funcionamiento dentro de la especificación del ADC. Y, por último, el problema más crítico es cómo lograr el rendimiento objetivo y cuáles son las fuentes de error que contribuyen al error general del sistema.

Afortunadamente, hay un nuevo RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator que ofrece una solución práctica para diseñar y optimizar sistemas de medición RTD desde el concepto hasta la creación de prototipos.

La herramienta:

• Permite comprender la configuración, el cableado y el diagrama de circuito correctos
• Ayuda a comprender las diferentes fuentes de error y permite la optimización del diseño.

La herramienta está diseñada alrededor del AD7124-4 / AD7124-8. Permite al cliente ajustar configuraciones como la corriente de excitación, la ganancia y los componentes externos (Figura 1). Indica condiciones fuera de límites para garantizar que la solución final esté dentro de las especificaciones del ADC.

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Figura 1. Configurador RTD. (Fuente:Analog Devices)

Selección de corriente de excitación, ganancia y componentes externos

Idealmente, tendemos a seleccionar magnitudes más altas de corriente de excitación para generar un voltaje de salida mucho más alto y maximizar el rango de entrada del ADC. Sin embargo, dado que el sensor es resistivo, el diseñador también debe asegurarse de que la disipación de potencia o los efectos de autocalentamiento de un gran valor de corriente de excitación no afecten los resultados de la medición. Un diseñador de sistemas puede seleccionar una corriente de excitación alta. Sin embargo, para minimizar el autocalentamiento, la corriente de excitación debe apagarse entre mediciones. El diseñador debe considerar las implicaciones de tiempo para el sistema. Un enfoque alternativo es seleccionar una corriente de excitación más baja que minimice el autocalentamiento. El tiempo ahora se minimiza, pero el diseñador debe determinar si el rendimiento del sistema se ve afectado. Todos los escenarios se pueden probar mediante RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator. La herramienta permite al usuario equilibrar la selección de la corriente de excitación, la ganancia y los componentes externos para garantizar que el voltaje de entrada analógica se optimice junto con el ajuste de la ganancia y la velocidad del ADC para brindar una mejor resolución y un mejor rendimiento del sistema, lo que significa menos ruido y error de compensación inferior.

Para comprender el perfil de filtro resultante o para obtener una comprensión más profunda de la sincronización de las conversiones, la herramienta en línea de VirtualEval proporciona este detalle.

La entrada ADC y las entradas de referencia de un ADC sigma-delta son muestreadas continuamente por un condensador frontal conmutado. Para los sistemas RTD que se analizan, la entrada de referencia también es impulsada por una resistencia de referencia externa. Se recomienda un filtro RC externo en la entrada analógica de un ADC sigma-delta para fines de suavizado. Para propósitos de EMC, un diseñador de sistemas puede usar valores R y C grandes tanto en la entrada analógica como en la entrada de referencia. Los valores altos de RC pueden provocar errores de ganancia en las mediciones, ya que el circuito de entrada no tiene tiempo suficiente para asentarse entre los instantes de muestreo. El almacenamiento en búfer de las entradas analógicas y de referencia evita estos errores de ganancia y permite utilizar valores R y C ilimitados.

Para el AD7124-4 / AD7124-8, cuando se usa una ganancia interna mayor que 1, los búferes de entrada analógica se habilitan automáticamente y dado que el PGA se coloca delante de los búferes de entrada, como el PGA es de riel a riel, la entrada analógica También es de carril a carril. Sin embargo, en el caso de los búferes de referencia o cuando se usa el ADC con una ganancia de 1 con los búferes de entrada analógica habilitados, es necesario asegurarse de que se cumpla con el margen requerido para el funcionamiento correcto.

Las señales de los Pt100 son de bajo nivel. Están en el orden de cientos de mV. Para un rendimiento óptimo, se puede utilizar un ADC con amplio rango dinámico. Alternativamente, se puede usar una etapa de ganancia para amplificar la señal antes de que se aplique al ADC. El AD7124-4 / AD7124-8 admite ganancias de 1 a 128, lo que permite un diseño optimizado para una amplia gama de corrientes de excitación. Las múltiples opciones permitidas de ganancia PGA permiten al diseñador compensar el valor de la corriente de excitación frente a la ganancia, los componentes externos y el rendimiento. La herramienta de configuración RTD indica si los nuevos valores de corriente de excitación se pueden utilizar con el sensor RTD seleccionado. También se sugieren valores adecuados para la resistencia de referencia de precisión y la resistencia de margen superior de referencia. Tenga en cuenta que la herramienta garantiza que el ADC se utilice dentro de las especificaciones; muestra las posibles ganancias que admitirán la configuración. Las corrientes de excitación AD7124 tienen un cumplimiento de salida; es decir, el voltaje en el pin que proporciona la corriente de excitación necesita algo de margen de AVDD. La herramienta también garantizará que se cumpla con esta especificación de cumplimiento.

La herramienta RTD permite al diseñador del sistema garantizar un sistema que se encuentra dentro de los límites operativos del ADC y el sensor RTD. La precisión de los componentes externos, como la resistencia de referencia, y su contribución al error del sistema, se analizarán más adelante.

Opciones de filtrado (rechazo analógico y digital de 50 Hz / 60 Hz)

Como se mencionó anteriormente, se recomienda un filtro antialiasing con convertidores sigma-delta. Como el filtro integrado es digital, la respuesta de frecuencia se refleja alrededor de la frecuencia de muestreo. Se requiere un filtrado antialiasing para atenuar adecuadamente cualquier interferencia en la frecuencia del modulador y en cualquier múltiplo de esta frecuencia. Dado que los convertidores sigma-delta sobremuestran la entrada analógica, el diseño del filtro antialiasing se simplifica enormemente y todo lo que se requiere es un filtro RC unipolar simple.

Cuando el sistema final se utiliza en el campo, lidiar con el ruido o la interferencia del entorno en el que el sistema está operando puede ser bastante desafiante, especialmente en espacios de aplicación como automatización industrial, instrumentación, control de procesos o control de potencia, donde ser tolerante al ruido y al mismo tiempo no ser ruidoso con los componentes vecinos. El ruido, los transitorios u otras fuentes de interferencia pueden afectar la precisión y resolución del sistema. Las interferencias también pueden ocurrir cuando los sistemas se alimentan de la red eléctrica. Las frecuencias de la fuente de alimentación principal se generan a 50 Hz y sus múltiplos en Europa, y a 60 Hz y sus múltiplos en los EE. UU. Por lo tanto, al diseñar un sistema RTD, se debe considerar un circuito de filtrado con rechazo de 50 Hz / 60 Hz. Muchos diseñadores de sistemas quieren diseñar un sistema universal que rechace tanto 50 Hz como 60 Hz simultáneamente.

La mayoría de los ADC de menor ancho de banda, incluido el AD7124-4 / AD7124-8, ofrecen una variedad de opciones de filtrado digital que se pueden programar para establecer muescas en 50 Hz / 60 Hz. La opción de filtro seleccionada tiene un efecto sobre la velocidad de datos de salida, el tiempo de estabilización y el rechazo de 50 Hz y 60 Hz. Cuando se habilitan varios canales, se requiere un tiempo de estabilización para generar una conversión cada vez que se cambia de canal; por lo tanto, seleccionar un tipo de filtro con un tiempo de asentamiento más largo (es decir, sinc4 o sinc3) reducirá la tasa de rendimiento general. En este caso, un postfiltro o filtro FIR es útil para proporcionar un rechazo simultáneo razonable de 50 Hz / 60 Hz en tiempos de asentamiento más bajos y, por lo tanto, aumenta la tasa de rendimiento.

Consideración de energía

El consumo de corriente o la asignación del presupuesto de energía del sistema depende en gran medida de la aplicación final. El AD7124-4 / AD7124-8 contiene tres modos de potencia que permiten el equilibrio entre rendimiento, velocidad y potencia. Para cualquier aplicación portátil o remota, se deben usar componentes y configuraciones de baja potencia, y para algunas aplicaciones de automatización industrial, el sistema completo se alimenta desde el bucle de 4 mA a 20 mA, por lo que se permite un presupuesto de corriente de solo 4 mA como máximo. Para este tipo de aplicación, los dispositivos se pueden programar en modo de potencia media o baja. La velocidad es mucho menor, pero el ADC aún ofrece un alto rendimiento. Si la aplicación es control de procesos, que se alimenta de la red eléctrica, se permite un consumo de corriente mucho mayor, por lo que el dispositivo se puede programar en modo de máxima potencia y este sistema puede lograr una tasa de datos de salida mucho más alta y un mayor rendimiento.

Fuentes de error y opciones de calibración

Después de conocer la configuración requerida del sistema, el siguiente paso es estimar los errores asociados con el ADC y los errores del sistema. Estos ayudan a los diseñadores de sistemas a comprender si la configuración de la interfaz y el ADC cumplirán con la precisión y el rendimiento del objetivo general. RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator permite al usuario modificar la configuración del sistema para un rendimiento óptimo. Por ejemplo, la Figura 2 muestra un resumen de todos los errores. El gráfico circular de errores del sistema indica que la precisión inicial de la resistencia de referencia externa y su coeficiente de temperatura son los principales factores que contribuyen al error general del sistema. Por lo tanto, es importante considerar el uso de una resistencia de referencia externa con mayor precisión y un mejor coeficiente de temperatura.

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Figura 2. Calculadora de fuentes de error RTD. (Fuente:Analog Devices)

El error debido al ADC no es el factor que más contribuye al error general del sistema. Sin embargo, la contribución al error del ADC se puede reducir aún más utilizando los modos de calibración interna del AD7124-4 / AD7124-8. Se recomienda una calibración interna al encender o al inicializar el software para eliminar la ganancia de ADC y los errores de compensación. Tenga en cuenta que estas calibraciones no eliminarán los errores creados por los circuitos externos. Sin embargo, el ADC también puede admitir calibraciones del sistema para minimizar la compensación del sistema y el error de ganancia, pero esto puede agregar un costo adicional y puede que no sea necesario para la mayoría de las aplicaciones.

Detección de fallas

Para cualquier entorno hostil o para aplicaciones donde la seguridad es una prioridad, los diagnósticos se están convirtiendo en parte de los requisitos de la industria. Los diagnósticos integrados en el AD7124-4 / AD7124-8 reducen la necesidad de componentes externos para implementar diagnósticos, lo que resulta en una solución más pequeña y simplificada para ahorrar tiempo y costos.

Los diagnósticos incluyen:

• Verificaciones del nivel de voltaje en los pines analógicos para asegurarse de que esté dentro del rango operativo especificado
• Una verificación de redundancia cíclica (CRC) en el bus de la interfaz de periféricos en serie (SPI)
• Un CRC en el mapa de memoria
• Comprobaciones de la cadena de señales

Estos diagnósticos conducen a una solución más sólida. Los modos de falla, efectos y análisis de diagnóstico (FMEDA) de una aplicación típica de RTD de 3 cables han mostrado una fracción de falla segura (SFF) superior al 90% según IEC 61508.

Evaluación del sistema RTD

La Figura 3 muestra algunos datos medidos de la nota de circuito CN-0383. Estos datos medidos se capturaron con la placa de evaluación AD7124-4 / AD7124-8, que incluye modos de demostración para RTD de 2, 3 y 4 cables, y se calculó el valor correspondiente en grados Celsius. Los resultados muestran que una implementación de RTD de 2 cables da un error más cercano al límite inferior del límite de error, mientras que la implementación de RTD de 3 o 4 cables tiene un error general que está dentro del límite permitido. El error más alto en la medición de 2 cables se debe a los errores de resistencia de los cables descritos anteriormente.

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Figura 3. Un postfiltro de medición de precisión de temperatura RTD de 2/3/4 hilos en modo de baja potencia a 25 SPS. (Fuente:Analog Devices)

Lo que muestran estos ejemplos es que seguir las pautas de RTD anteriores conducirá a un diseño de alta precisión y alto rendimiento cuando se usa junto con los ADC sigma-delta de menor ancho de banda de ADI, como el AD7124-4 / AD7124-8. La nota de circuito (CN-0383) también servirá como diseño de referencia que ayudará al diseñador del sistema a realizar prototipos rápidamente. La placa de evaluación permite al usuario evaluar el rendimiento del sistema en el que se puede utilizar cada uno de los modos de demostración de configuración de muestra. En el futuro, el firmware para las diferentes configuraciones de RTD se puede desarrollar fácilmente utilizando el código de muestra generado por ADI disponible en las páginas del producto AD7124-4 / AD7124-8.

Los ADC, que utilizan una arquitectura sigma-delta como la del AD7124-4 / AD7124-8, son adecuados para aplicaciones de medición RTD ya que abordan problemas como el rechazo de 50 Hz / 60 Hz, así como un amplio rango de modo común en el entradas analógicas y posiblemente de referencia. También están altamente integrados y contienen todas las funciones necesarias para el diseño de un sistema RTD. Además, proporcionan características mejoradas como capacidad de calibración y diagnósticos integrados. Este nivel de integración, junto con la garantía o el ecosistema completo del sistema, simplificará el diseño general del sistema, el costo y el ciclo de diseño desde el concepto hasta la creación de prototipos.

Para facilitar el viaje de los diseñadores de sistemas, la herramienta RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator junto con la herramienta en línea VirtualEval, el hardware y software de la placa de evaluación y CN-0383 se pueden utilizar para abordar los diferentes desafíos, como problemas de conectividad y el presupuesto general de errores, y traer los usuarios al siguiente nivel de su diseño.

Conclusión

Este artículo ha demostrado que el diseño de un sistema de medición de temperatura RTD es un proceso desafiante de varios pasos. Requiere tomar decisiones en términos de las diferentes configuraciones de sensores, selección de ADC y optimizaciones y cómo esas decisiones impactan el rendimiento general del sistema. La herramienta ADI RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator, junto con la herramienta en línea VirtualEval, el hardware y software de la placa de evaluación y CN-0383 agilizan el proceso al abordar la conectividad y las preocupaciones generales sobre el presupuesto de errores.

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Jellenie Rodríguez es ingeniero de aplicaciones en Analog Devices dentro del Precision Converter Technology Group. Su atención se centra en los ADC sigma-delta de precisión para mediciones de CC. Se incorporó a ADI en 2012 y se graduó de San Sebastian College-Recoletos de Cavite con una licenciatura en ingeniería electrónica en 2011. Se puede contactar con ella en [email protected]. Mary McCarthy es ingeniero de aplicaciones en Analog Devices. Se unió a ADI en 1991 y trabaja en el Grupo de Aplicaciones de Tecnología Lineal y de Precisión en Cork, Irlanda, enfocándose en convertidores sigma-delta de precisión. Mary se graduó con una licenciatura en ingeniería electrónica y eléctrica de University College Cork en 1991. Se puede contactar con ella en [email protected].

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