Aprovechando ADCs Delta-Sigma para sistemas multisensor de ultra-alta precisión en petróleo, gas y derivados

Arrays multisensor en instalaciones de petróleo, gas y derivados cosechan continuamente datos críticos de presión y temperatura. Para ofrecer lecturas precisas de alta resolución a lo largo de los amplios rangos dinámicos que estos entornos demandan, la cadena de sensores debe ser tanto compacta como excepcionalmente precisa.

La electrónica multisensor tradicional a menudo es voluminosa, costosa y carece de la robustez requerida para despliegue en campo. Los circuitos de acondicionamiento analógico discretos no logran cumplir las tolerancias estrictas necesarias para control de procesos moderno, llevando a deriva y acumulación de error (ver Figura 1).

Figura 1: Una válvula de seguridad de presión protege sistemas de tuberías de sobrepresión. (Fuente: Shutterstock)

La solución reside en un ADC delta-sigma (ΔΣ) multicanal de alta resolución. Al integrar termopares, RTDs y transductores de presión directamente con un ADC ΔΣ de precisión, los diseñadores pueden lograr el rendimiento de ruido RMS requerido para sistemas multisensor robustos en el sector petrolero.

Este artículo describe los desafíos clave y soluciones para crear una interfaz precisa de temperatura-presión usando un ADC ΔΣ.

Detección de Presión

Los transductores de presión pueden clasificarse en dos grupos: los que requieren excitación eléctrica y los que generan su propia energía. Estilos mecánicos comunes —fuelle, diafragmas, tubos de Bourdon y manómetros— traducen cambios de presión en movimiento mecánico.

Los sensores excitados eléctricamente se emparejan perfectamente con ADCs ΔΣ y microcontroladores. Tipos comunes incluyen sensores capacitivos, LVDTs y dispositivos piezorresistivos. El sensor piezorresistivo es típicamente preferido por su compacidad y alta sensibilidad (Figura 2).

Figura 2: (a) Un sensor de presión piezorresistivo es la opción preferida. (b) El lado alto del puente requiere excitación de voltaje o corriente. (Fuente: Maxim Integrated)

En la Figura 2a, la capa superior del sensor es una película resistiva unida a un diafragma. El lado alto del puente (Figura 2b) demanda una excitación estable —típicamente unos pocos voltios. En un sistema de 3,3 V, la salida diferencial del sensor varía desde unos pocos milivoltios hasta varios cientos de milivoltios. La amplificación y conversión ADC posterior traducen esta señal analógica en un valor digital confiable.

Significado de la Detección de Temperatura

La medición precisa de temperatura es crítica porque el rendimiento del sensor, especialmente para transductores de presión, varía con la temperatura. El sistema emplea un termopar tipo K y un RTD para compensación de unión fría (Figura 3).

Figura 3: Un termopar TYPE-K de dos hilos requiere un RTD para compensación de unión fría (CJC). (Fuente: Maxim Integrated)

El termopar puede soportar temperaturas hasta +1260 °C, mientras que el RTD proporciona medición precisa en la unión del termopar, asegurando lecturas de presión corregidas por temperatura.

ADCs de Alta Resolución: ¿Por Qué ΔΣ?

La selección de ADC implica un compromiso entre resolución y velocidad. Los ADCs pipeline ofrecen altas tasas de datos (decenas de Gsps) pero solo hasta 12 bits. Los ADCs de aproximación sucesiva (SAR) entregan 10 Ksps–10 Msps con 12–18 bits, adecuados para muchas aplicaciones industriales. Sin embargo, cuando se requiere resolución a nivel de nanovoltios —como en detección de presión y temperatura— solo un ADC ΔΣ puede entregar el rendimiento necesario (Figura 4).

Figura 4: El ADC ΔΣ básico convierte el voltaje de entrada en un modulador ΔΣ. (Fuente: Maxim Integrated)

El ADC ΔΣ primero moldea la entrada en un tren de pulsos de un bit con forma de ruido vía un modulador ΔΣ. El sobremuestreo y filtrado digital luego producen salidas multibit hasta 24 bits, que consume el microcontrolador.

Modulador ΔΣ Explicado

El modulador ΔΣ es el corazón de la reducción de ruido. La Figura 5 ilustra la estructura de segundo orden: una función Δ frontal seguida por dos integradores (función Σ). Tras los integradores, un ADC de un bit muestrea la señal, y un DAC de un bit realimenta a los integradores.

Figura 5: El modulador ΔΣ de segundo orden comprende una función Δ frontal seguida por dos integradores. (Fuente: Maxim Integrated)

El ruido de cuantización introducido por el ADC de un bit se desplaza a frecuencias más altas —un proceso conocido como conformado de ruido. La Figura 6 demuestra el espectro de ruido resultante.

Figura 6: El ruido de salida del modulador se conforma a frecuencias más altas. (Fuente: Maxim Integrated)

El orden del modulador dicta la distribución del ruido. La Figura 7 compara moduladores de primer, segundo y tercer orden, mostrando mayor atenuación de ruido cerca de DC para órdenes superiores.

Figura 7: Capacidad de conformado de ruido de moduladores de primer, segundo y tercer orden. (Fuente: Maxim Integrated)

Filtrado Digital de Decimación

Tras el modulador ΔΣ, un filtro digital/de decimación elimina el ruido de alta frecuencia, produciendo la tasa de datos final del ADC, F_D. La frecuencia de corte del filtro determina la tasa de muestreo de salida.

Arquitectura Completa del ADC ΔΣ

La Figura 8 muestra un diagrama de bloques completo del ADC ΔΣ, incorporando modulador, filtros sinc, filtros FIR, multiplexor de entrada, PGA, generador de reloj y matriz de referencia —todos adaptados para detección de presión y temperatura.

Figura 8: Una arquitectura completa de ADC ΔΣ con entradas de sensores de presión y temperatura. (Fuente: Maxim Integrated)

El filtro sinc proporciona una forma de paso bajo simple, con asentamiento de primer orden en un período de palabra y un cuarto orden (Sinc⁴) en cuatro períodos. La Figura 9 muestra la respuesta en frecuencia de un filtro sinc de tercer orden.

Figura 9: Respuesta en frecuencia de un filtro sinc de tercer orden (Sinc³). (Fuente: Maxim Integrated)

La respuesta redondeada del filtro sinc simplifica la implementación, pero para rechazo más agudo —particularmente de interferencia de red— el filtro FIR es preferible. El ADC ΔΣ en la Figura 8 emplea un filtro notch de 50/60 Hz que logra >90 dB de rechazo en esas frecuencias mientras opera a 16 muestras por segundo.

Cifras clave de rendimiento para el ADC ΔΣ MAX11410: resolución de 24 bits, filtrado Sinc⁴, excitación PT100 RTD de 160 µA, ganancia PGA de 128, rango de entrada 1,234 V a 2,837 V, tamaño LSB 0,039 µV_RMS, precisión de temperatura ±100 °C, precisión RTD ~4,7 µ°C/bit.

En resumen, integrar un ADC ΔΣ con sensores de presión, termopar y RTD produce una solución de dispositivo único que ofrece bajo ruido, conversión precisa de temperatura-presión —crítica para instrumentación de petróleo, gas y derivados. El enfoque de diseño debe permanecer en rendimiento de ruido, multiplexación de entrada y costo BOM.

>> Este artículo se publicó originalmente en nuestro sitio hermano, EDN.