优化RTD温度传感系统:设计

文章作者:杰莱妮·罗德里格斯和玛丽·麦卡锡,Analog Devices Inc.

本系列的最后一篇文章探讨了RTD系统的优化、外部组件的选择以及如何评估最终的RTD系统。

第一篇文章在这个由三部分组成的关于RTD的系列文章中,我们讨论了温度测量的挑战、RTD类型、不同的配置以及RTD配置电路。在第二篇文章,我们概述了三种不同的RTD配置:2线、3线和4线。在本系列的最后一篇文章中,我们将探讨RTD系统的优化、外部组件的选择以及如何评估最终的RTD系统。

RTD系统优化

看看系统设计人员的问题,在设计和优化RTD应用程序解决方案时涉及到不同的挑战。挑战之一是前面讨论过的传感器选择和连接图。挑战二是测量配置,包括ADC配置,设置励磁电流,设置增益,选择外部组件,同时确保系统优化和在ADC规格内运行。最后,最关键的问题是如何实现目标性能以及造成整体系统误差的误差源是什么。

幸运的是,有一个新的RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator提供了设计和优化RTD测量系统的实践解决方案,从概念到原型。

工具:

  • 能够理解正确的配置,接线和电路图
  • 协助理解不同的误差来源,并允许设计优化

该工具是围绕AD7124-4/AD7124-8设计的。它允许客户调整设置,如励磁电流、增益和外部组件(图1)。它指示出边界条件,以确保最终解决方案在ADC的规格内。

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图1所示。RTD配置器。(来源:模拟设备)

励磁电流、增益和外部元件的选择

理想情况下,我们倾向于选择更高的激励电流,以产生更高的输出电压,并最大化ADC输入范围。但是,由于传感器是电阻性的,所以设计者还必须保证较大的励磁电流的功率耗散或自热效应不会影响测量结果。系统设计者可以选择高励磁电流。然而,为了减少自热,励磁电流需要在两次测量之间关闭。设计者需要考虑系统的时间影响。另一种方法是选择一个低励磁电流,使自热最小化。现在时间被最小化了,但是设计人员需要确定系统性能是否受到影响。所有场景都可以通过RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator.该工具允许用户平衡励磁电流、增益和外部组件的选择,以确保模拟输入电压正在被优化,同时调整ADC增益和速度,以提供更好的分辨率和更好的系统性能,这意味着更低的噪声和更低的偏移误差。

要理解生成的过滤器配置文件或更深入地理解转换的时间安排,可以使用VirtualEval在线工具提供了这种细节。

σ - δ ADC的ADC输入和参考输入均由开关电容前端连续采样。对于正在讨论的RTD系统,参考输入也是由一个外部参考电阻驱动的。为了抗混叠的目的,建议在sigma-delta ADC的模拟输入端使用外部RC滤波器。出于EMC目的,系统设计者可以在模拟输入和参考输入上使用较大的R和C值。较大的RC值会导致测量中的增益误差,因为前端电路没有足够的时间来解决采样瞬间之间的问题。缓冲模拟和参考输入防止这些增益误差,并允许无限的R和C值被使用。

对于AD7124-4/AD7124-8,当使用大于1的内部增益时,模拟输入缓冲器被自动启用,由于PGA被放置在输入缓冲器的前面,由于PGA是轨对轨,模拟输入也是轨对轨。然而,在参考缓冲器的情况下,或者在启用模拟输入缓冲器的情况下使用增益为1的ADC时,必须确保满足正确操作所需的净空。

pt100的信号是低电平。它们的数量级是几百mV。为了获得最佳性能,可以使用具有宽动态范围的ADC。或者,在将信号应用到ADC之前,可以使用增益级来放大信号。AD7124-4/AD7124-8支持从1到128的增益,从而允许对大范围励磁电流进行优化设计。PGA增益的多种允许选项允许设计者权衡激励电流值与增益、外部组件和性能。RTD配置器工具指示新的励磁电流值是否可以与所选的RTD传感器一起使用。给出了精密基准电阻和基准净空电阻的合适值。注意,该工具确保ADC在规范中使用—它显示支持配置的可能增益。AD7124励磁电流具有输出顺应性; that is, the voltage on the pin providing the excitation current needs some headroom from AVDD. The tool will also ensure that this compliance specification is met.

RTD工具允许系统设计者保证系统在ADC和RTD传感器的操作范围内。参考电阻等外部元件的精度及其对系统误差的贡献将在后面讨论。

滤波选项(模拟和数字50hz / 60hz抑制)

如前所述,抗混叠滤波器推荐使用sigma-delta转换器。由于嵌入式滤波器是数字的,频率响应反映在采样频率附近。反混叠滤波是必要的,以充分衰减任何干扰在调制器频率和在该频率的任何倍数。由于σ - δ转换器对模拟输入进行过采样,抗混叠滤波器的设计大大简化,只需一个简单的单极RC滤波器即可。

当最终的系统在现场使用时,处理来自系统运行环境的噪声或干扰可能是相当具有挑战性的,特别是在应用领域,如工业自动化、仪表、过程控制或电源控制,在容忍噪音的同时,不噪声对你的邻近组件是必需的。噪声、瞬态或其他干扰源都会影响系统的精度和分辨率。当系统由市电供电时,也会发生干扰。主电源频率在欧洲为50hz及其倍频,在美国为60hz及其倍频。因此,在设计RTD系统时,必须考虑具有50hz / 60hz抑制的滤波电路。许多系统设计者想要设计一个通用系统,同时拒绝50和60赫兹。

大多数低带宽adc,包括AD7124-4/AD7124-8,提供多种数字滤波选项,可编程设置在50hz / 60hz的陷波。选择的滤波器选项对输出数据率、稳定时间和50hz和60hz抑制有影响。当启用多个通道时,每次通道切换都需要一个稳定时间来产生一个转换;因此,选择具有较长沉淀时间的过滤器类型(即sinc4或sinc3)将降低整体吞流率。在这种情况下,后滤波器或FIR滤波器是有用的,以提供合理的同时50hz / 60hz抑制在较低的沉淀时间,从而提高吞吐量率。

权力的考虑

系统的当前消耗或功率预算分配高度依赖于最终应用程序。AD7124-4/AD7124-8包含三种功率模式,允许在性能、速度和功率之间进行权衡。对于任何便携式或远程应用程序,必须使用低功耗的组件和配置,并且对于一些工业自动化应用程序,整个系统从4ma到20ma的回路供电,因此电流预算仅允许最大4ma。对于这种类型的应用,设备可以在中功率或低功率模式下编程。速度要低得多,但ADC仍然提供高性能。如果应用程序是由市电供电的过程控制,则允许更高的电流消耗,因此设备可以在全功率模式下编程,该系统可以实现更高的输出数据速率和提高性能。

误差源和校准选项

在了解了所需的系统配置之后,下一步是估计与ADC和系统错误相关的误差。这些有助于系统设计人员了解前端和ADC配置是否能满足总体目标精度和性能。的RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator允许用户修改系统配置以获得最佳性能。例如,图2显示了所有错误的摘要。系统误差饼图表明,外部参考电阻的初始精度和温度系数是造成系统总体误差的主要误差因素。因此,考虑使用精度更高、温度系数更好的外部参考电阻是很重要的。

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图2。RTD误差源计算器。(来源:模拟设备)

由ADC引起的误差并不是造成整个系统误差的最重要的误差。然而,ADC的误差贡献可以进一步减少使用AD7124-4/AD7124-8的内部校准模式。建议在上电或软件初始化时进行内部校准,以消除ADC增益和偏移误差。请注意,这些校准不会消除由外部电路产生的错误。然而,ADC也可以支持系统校准,以使系统偏移和增益误差可以最小化,但这可能会增加额外的成本,并可能不是大多数应用程序所需要的。

故障检测

对于任何苛刻的环境或安全优先的应用,诊断正成为行业要求的一部分。AD7124-4/AD7124-8中的嵌入式诊断减少了实现诊断所需的外部组件,从而实现了更小、更简化的时间和成本节约解决方案。

诊断包括:

  • 检查模拟引脚上的电压水平,以确保它在规定的工作范围内
  • 串行外围接口(SPI)总线上的循环冗余检查(CRC)
  • 内存映射上的CRC
  • 信号链检查

这些诊断可以提供更健壮的解决方案。根据IEC 61508,典型三线RTD应用程序的故障模式、影响和诊断分析(FMEDA)显示,安全故障部分(SFF)大于90%。

RTD系统评估

图3显示了电路注释CN-0383的一些测量数据。测量数据由AD7124-4/AD7124-8评估板捕获,其中包括2线、3线和4线rtd的演示模式,并计算相应的摄氏度值。结果表明,2线制RTD实现给出的误差更接近误差边界的下限,而3线制或4线制RTD实现的总体误差在允许的范围内。在两线测量中较高的误差是由于前面描述的引线电阻误差。

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图3。一个2-/3-/4线RTD温度精度测量后滤波器在低功率模式在25 SPS。(来源:模拟设备)

这些例子表明,当与ADI的低带宽sigma-delta adc(如AD7124-4/AD7124-8)结合使用时,遵循上述RTD准则将导致高精度、高性能的设计。电路说明(cn - 0383)也可以作为参考设计,帮助系统设计师快速进行原型设计。评估板允许用户评估系统性能,其中每个示例配置演示模式都可以使用。接下来,可以使用AD7124-4/AD7124-8产品页面提供的ADI生成的示例代码,轻松开发不同RTD配置的固件。

adc使用sigma-delta架构,如AD7124-4/AD7124-8,适合于RTD测量应用,因为它们解决了诸如50hz / 60hz的抑制,以及模拟和可能参考输入的宽共模范围。它们还高度集成,包含RTD系统设计所需的所有功能。此外,它们还提供了增强的功能,如校准能力和嵌入式诊断。这种级别的集成,连同完整的系统附属品或生态系统,将简化整个系统设计、成本和从概念到原型的设计周期。

为了方便系统设计人员的工作RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator工具、在线工具VirtualEval、评估板硬件和软件以及CN-0383可用于解决不同的挑战,如连通性问题和总体错误预算,并将用户的设计带入下一个层次。

结论

本文证明了设计RTD温度测量系统是一个具有挑战性的多步骤过程。它需要根据不同的传感器配置、ADC选择和优化以及这些决策对整体系统性能的影响做出选择。ADI rtd_configurator_and_error_预算计算器工具、在线工具VirtualEval、评估板硬件和软件以及CN-0383通过解决连接性和总体错误预算问题,简化了过程。

这篇文章最初发表于嵌入式

Jellenie罗德里格斯应用工程师在哪里模拟设备在精密转换器技术集团内部。她的研究重点是用于直流测量的高精度sigma-delta adc。她于2012年加入ADI,并于2011年毕业于San Sebastian College-Recoletos de Cavite,获得电子工程学士学位。可以通过jellenie.rodriguez@analog.com联系到她。

玛丽·麦卡锡应用工程师在哪里模拟设备.她于1991年加入ADI,并在爱尔兰科克的线性和精密技术应用集团工作,专注于精密sigma-delta转换器。玛丽于1991年毕业于科克大学(University College Cork),获得电子与电气工程学士学位。可以通过mary.mccarthy@analog.com联系到她。

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