L'ingénieur

Jellenie Rodriguez, ingénieur d'applications et Mary McCarthy, ingénieur d'applications, Analog Devices.

Cet article traite de l'historique et des défis de conception liés à la conception d'un système de mesure de la température basé sur un détecteur de température à résistance (RTD). Il couvre également la sélection de RTD et les compromis de configuration. Enfin, il détaille l'optimisation et l'évaluation du système RTD.

La mesure de la température joue un rôle important dans de nombreuses applications finales différentes telles que l'automatisation industrielle, l'instrumentation, le CbM et l'équipement médical. Qu'il s'agisse de surveiller les conditions environnementales ou de corriger les performances de dérive du système, une exactitude et une précision élevées sont très importantes. Plusieurs types de capteurs de température peuvent être utilisés, tels que les thermocouples, les détecteurs de température à résistance (RTD), les capteurs de bande interdite électroniques et les thermistances. Le capteur de température sélectionné ainsi que la conception dépendent de la plage de température mesurée et de la précision requise. Pour des températures comprises entre –200°C et +850°C, les RTD offrent une excellente combinaison de haute précision et de bonne stabilité.

Les défis incluent :

Pour un RTD, la résistance du capteur varie en fonction de la température d'une manière bien définie. Les RTD les plus largement utilisés sont les platines Pt100 et Pt1000, qui sont disponibles en configurations à 2 fils, 3 fils et 4 fils. D'autres types de RTD sont fabriqués à partir de nickel et de cuivre.

Type RDT

Matériaux

Gamme

Pt100, Pt1000

Platine (numérique est la résistance à 0°C)

–200°C à +850°C

Pt200, Pt500

Platine (numérique est la résistance à 0°C)

–200°C à +850°C

Cu10, Cu100

Cuivre (la valeur numérique correspond à la résistance à 0 °C)

–100°C à +260°C

Ni120

Nickel (numérique est la résistance à 0°C)

–80°C à +260°C

Les RTD Pt100 les plus courants peuvent prendre deux formes différentes : fil enroulé et film mince. Chaque type est construit selon plusieurs courbes et tolérances normalisées. La courbe normalisée la plus courante est la courbe DIN. DIN signifie "Deutsches Institut für Normung", ce qui signifie "Institut allemand de normalisation".

La courbe définit les caractéristiques de résistance en fonction de la température d'un capteur platine 100 Ω, les tolérances normalisées et la plage de température de fonctionnement. Ceci définit la précision du RTD à partir d'une résistance de base de 100Ω à une température de 0°C. Il existe différentes classes de tolérance standard pour les RTD DIN. Ces tolérances sont indiquées dans le tableau 2, et elles s'appliquent également aux RTD Pt1000 qui sont utiles dans les applications à faible puissance.

Type de capteur

Classe DIN

Tolérance

à 0°C

Tolérance à 50°C

Tolérance à 100°C

RDT Pt100

Couche mince

Classe B

±0.30°C

±0.55°C

±0.80°C

RDT Pt100

Couche mince

Classe A

±0.15°C

±0.25°C

±0.35°C

RDT Pt100

Fil enroulé/Film mince

1/3 Classe B

±0.1°C

±0.18°C

±0.27°C

Le RTD lui-même et sa précision doivent être pris en compte lors de la sélection du capteur RTD. La plage de température varie avec le type d'élément, et la précision indiquée à la température d'étalonnage (habituellement à 0°C) varie avec la température. Ainsi, il est important de définir la plage de température mesurée et de prendre en considération que toute température inférieure ou supérieure à la température d'étalonnage aura une tolérance plus large et une précision moindre.

Les RTD sont classés par leur résistance nominale à 0°C. Un capteur Pt100 a un coefficient de température d'environ 0,385 Ω/°C et un Pt1000 a un coefficient de température supérieur d'un facteur 10 au Pt100. De nombreux concepteurs de systèmes utilisent ces coefficients pour obtenir une résistance approximative à la translation de température, mais les équations de Callendar-Van Dusen fournissent une traduction plus précise.

L'équation pour la température t ≤ 0°C est

L'équation pour la température t ≥ 0°C est

où:

t est la température RTD (°C)

RRTD(t) est la résistance RTD à température (t)

R0 est la résistance RTD à 0°C (dans ce cas, R0 = 100Ω)

A = 3,9083 × 10−3

B = −5,775 × 10−7

C = −4,183 × 10−12

Un autre paramètre de capteur qui doit être pris en compte lors de la sélection d'un RTD est sa configuration de câblage, qui affectera la précision du système. Il existe trois configurations de câblage RTD différentes disponibles sur le marché dans lesquelles chaque configuration présente des avantages et des inconvénients les uns par rapport aux autres et peut nécessiter des techniques différentes pour réduire l'erreur de mesure.

Une configuration à 2 fils est la configuration la plus simple mais la moins précise en raison des erreurs de résistance du fil conducteur et de sa variation avec la température contribuant à une erreur de mesure significative. Ainsi, cette configuration n'est utile que dans les applications où les fils conducteurs sont courts ou lors de l'utilisation d'un capteur à haute résistance (par exemple, Pt1000), qui minimisent tous les deux les effets de la résistance des conducteurs sur la précision.

La configuration à 3 fils est la plus utilisée en raison de l'avantage d'utiliser trois broches, qui sont utiles dans les conceptions où la taille du connecteur est minimisée (trois bornes de connexion requises par rapport à la borne à 4 fils pour un RTD à 4 fils). La configuration à 3 fils présente également une amélioration significative de la précision par rapport à la configuration à 2 fils. L'erreur de résistance du fil conducteur en 3 fils peut être compensée à l'aide de différentes techniques d'étalonnage qui seront abordées plus tard dans cet article.

4 fils est la configuration la plus chère mais la plus précise. Dans cette configuration, les erreurs dues à la résistance du fil conducteur, ainsi que les effets de variation de température, sont supprimés. Par conséquent, une configuration à 4 fils offre les meilleures performances.

Une mesure de capteur RTD de haute précision et précise nécessite un conditionnement précis du signal, une conversion analogique-numérique, une linéarisation et un étalonnage. La conception typique d'un système de mesure RTD comprend les différentes étapes illustrées à la figure 2. Bien que la chaîne de signaux semble simple et directe, plusieurs facteurs complexes sont impliqués et les concepteurs doivent prendre en compte la sélection complexe des composants, le schéma de connexion, l'analyse des erreurs et d'autres paramètres analogiques. les défis de conditionnement du signal qui ont un impact sur la taille globale de la carte système et le coût de la nomenclature (BOM) en raison du nombre plus élevé de blocs contributeurs.

Du côté positif, il existe de nombreuses solutions intégrées disponibles dans le portefeuille d'ADI. Cette solution système complète aide les concepteurs à simplifier leurs conceptions tout en réduisant la taille de la carte, le délai de mise sur le marché et le coût du système de mesure RTD global.

Figure 1. Configurations de câblage RTD.

Figure 2. Bloc de chaîne de signal de mesure RTD typique

Les trois configurations de câblage RTD ont différentes techniques de câblage nécessaires pour interfacer ou connecter un RTD à un ADC, ainsi que les autres composants externes et les exigences de l'ADC, telles que le courant d'excitation et un mux flexible. Cette section couvre une compréhension plus approfondie et se concentre sur chaque conception et considérations de circuit de configuration RTD.

Les ADC sigma-delta (Σ-Δ) offrent de multiples avantages lors de la conception de systèmes RTD. Premièrement, comme les ADC sigma-delta suréchantillonnent l'entrée analogique, le filtrage externe est minimisé, un simple filtre RC étant la seule exigence. Ils offrent une flexibilité en termes de choix de type de filtre et de choix de débit de données de sortie. Le filtrage numérique intégré peut être utilisé pour rejeter toute interférence de l'alimentation secteur dans les conceptions fonctionnant sur secteur. Les ADC haute résolution 24 bits tels que l'AD7124-4/AD7124-8 ont une résolution crête à crête de 21,7 bits maximum. D'autres avantages sont

Certains ADC sigma-delta sont hautement intégrés et incluent

Ils simplifient considérablement la conception RTD tout en réduisant la nomenclature, le coût du système, l'espace carte et le délai de mise sur le marché.

Pour cet article, les AD7124-4/AD7124-8 sont utilisés comme ADC. Il s'agit de CAN de précision à faible bruit et faible courant avec un PGA intégré, des courants d'excitation, une entrée analogique et des tampons de référence.

Une configuration ratiométrique est une solution appropriée et économique pour les systèmes qui utilisent des capteurs résistifs tels que des RTD ou des thermistances. Avec l'approche aratiométrique, les tensions de référence et de capteur sont dérivées de la même source d'excitation. Par conséquent, la source d'excitation n'a pas besoin d'être précise.

La figure 3 montre un exemple de configuration ratiométrique dans une application RTD à 4 fils. Un courant d'excitation constant alimente le RTD et une résistance de précision, RREF, la tension générée aux bornes de RREF étant la tension de référence pour la mesure RTD. Toute variation du courant d'excitation n'affecte pas la précision de la mesure. Ainsi, l'utilisation d'une approche ratiométrique permet d'utiliser un courant d'excitation plus bruyant et moins stable. Un courant d'excitation est préféré à une excitation en tension en raison de sa meilleure immunité au bruit. Les principaux facteurs à prendre en compte lors de la sélection d'une valeur de source d'excitation sont abordés plus loin dans cet article.

Figure 3. Mesure ratiométrique RTD 4 fils.

De nombreux concepteurs de systèmes RTD utilisent des ADC sigma-delta avec des courants de mux et d'excitation intégrés qui permettent des mesures sur plusieurs canaux et un acheminement flexible des courants d'excitation vers chaque capteur. Un ADC tel que l'AD7124 permet à une seule broche de fonctionner simultanément comme courant d'excitation et comme broche d'entrée analogique (voir Figure 4). Le partage de broches entre IOUT et AIN ne nécessitera que deux broches par capteur RTD à 3 fils, ce qui augmente le nombre de canaux. Cependant, dans cette configuration, une grande valeur de la résistance R dans l'anticrénelage ou le filtrage des interférences électromagnétiques (EMI) peut ajouter des erreurs à la valeur de résistance RTD car R est en série avec le RTD - ainsi, des valeurs R limitées peuvent être utilisées. C'est pourquoi il est généralement recommandé d'avoir une broche dédiée pour chaque source de courant d'excitation afin d'éviter d'éventuelles erreurs dans les mesures RTD.

Figure 4. RTD à 3 fils avec une broche IOUT/AIN partagée.

Une configuration RTD à 4 fils offre les meilleures performances. Le seul problème auquel les concepteurs de systèmes sont confrontés est le coût du capteur lui-même et la taille du connecteur à 4 broches par rapport aux deux autres configurations. Dans cette configuration, les erreurs dues aux fils conducteurs sont intrinsèquement supprimées par les fils de retour.

Une configuration à 4 fils utilise la détection Kelvin avec deux fils pour transporter le courant d'excitation vers et depuis le RTD, tandis que les deux fils restants détectent le courant à travers l'élément RTD lui-même. Les erreurs dues à la résistance des conducteurs sont intrinsèquement supprimées. Une configuration à 4 fils ne nécessite qu'un seul courant d'excitation IOUT, comme illustré à la Figure 5. Trois broches analogiques de l'ADC sont utilisées pour mettre en œuvre une seule configuration RTD à 4 fils : une broche pour le courant d'excitation, IOUT, et deux broches canal d'entrée différentiel (AINP et AINM) utilisé pour détecter la tension aux bornes du RTD.

Lorsque la conception utilise plusieurs RTD à 4 fils, une seule source de courant d'excitation peut être utilisée, le courant d'excitation étant dirigé vers les différents RTD du système. En plaçant la résistance de référence sur le côté bas du RTD, une seule résistance de référence peut prendre en charge toutes les mesures RTD ; c'est-à-dire que la résistance de référence est partagée par tous les RTD.

Notez que la résistance de référence peut être placée du côté haut ou du côté bas si l'entrée de référence du CAN a une large plage de mode commun. Ainsi, pour un seul RTD à 4 fils, la résistance de référence du côté haut ou du côté bas peut être utilisée. Cependant, lors de l'utilisation de plusieurs RTD à 4 fils dans un système, placer la résistance de référence sur le côté bas est avantageux car une résistance de référence peut être partagée par tous les RTD. Notez que certains ADC incluent des tampons de référence.

Ces tampons peuvent nécessiter une certaine marge, donc une résistance de marge est alors nécessaire si le tampon est activé. L'activation du tampon signifie qu'un filtrage plus robuste peut être connecté aux broches de référence sans provoquer d'erreurs telles que des erreurs de gain dans l'ADC.

La configuration RTD à 2 fils est la configuration la plus simple et est illustrée à la Figure 6. Pour la configuration à 2 fils, une seule source de courant d'excitation est requise. Ainsi, trois broches analogiques de l'ADC sont utilisées pour mettre en œuvre une seule configuration RTD à 2 fils : une broche pour le courant d'excitation, IOUT, et deux broches comme canal d'entrée entièrement différentiel (AINP et AINM) utilisé pour détecter la tension aux bornes du RTD. .

Lorsque la conception utilise plusieurs RTD à 2 fils, une seule source de courant d'excitation peut être utilisée, le courant d'excitation étant dirigé vers les différents RTD du système. En plaçant la résistance de référence dans le côté bas du RTD selon la configuration à 4 fils, une seule résistance de référence peut prendre en charge toutes les mesures RTD ; c'est-à-dire que la résistance de référence est partagée par tous les RTD.

La configuration à 2 fils est la moins précise des trois configurations de câblage différentes puisque la résistance réelle au point de mesure comprend à la fois les résistances du capteur et les fils conducteurs RL1 et RL2, augmentant ainsi la mesure de tension aux bornes du CAN.

Si le capteur est distant et que le système utilise un fil très long, les erreurs seront importantes. Par exemple, une longueur de 25 pieds d'un fil de cuivre 24 AWG aura une résistance équivalente de 0,026 Ω/pied (0,08 Ω/mètre) × 2 × 25 pieds soit 1,3 Ω. Par conséquent, une résistance de fil de 1,3 Ω produit une erreur de (1,3/0,385) = 3,38 °C (environ) en raison de la résistance du fil. La résistance du fil change également avec la température, ce qui ajoute une erreur supplémentaire.

Figure 5. Mesures de configuration d'entrée analogique RTD simple et multiple à 4 fils.

L'erreur significative due aux résistances des fils conducteurs de la configuration RTD à 2 fils peut être considérablement améliorée en utilisant une configuration RTD à 3 fils. Dans cet article, nous utilisons un deuxième courant d'excitation (illustré à la figure 7) pour annuler les erreurs de résistance des fils conducteurs produites par RL1 et RL2. Ainsi, quatre broches analogiques de l'ADC sont utilisées pour mettre en œuvre une seule configuration RTD à 3 fils : deux broches pour les courants d'excitation (IOUT0 et IOUT1) et deux broches comme canal d'entrée entièrement différentiel (AINP et AINM) utilisé pour détecter la tension aux bornes la RDT.

Figure 6. Mesure de configuration d'entrée analogique RTD simple et multiple à 2 fils.

Figure 7. Mesure de configuration d'entrée analogique RTD simple et multiple à 3 fils.

Il existe deux manières de configurer un circuit RTD à 3 fils. La méthode 1 place la résistance de référence sur le côté supérieur de sorte que le premier courant d'excitation IOUT0 circule vers RREF, RL1 puis vers RTD, et le second courant traverse la résistance du conducteur RL2 et développe une tension qui annule la chute de tension à travers la résistance du conducteur RL1.

Ainsi, des courants d'excitation bien adaptés annulent complètement l'erreur due à la résistance du fil. Si les courants d'excitation ont un certain décalage, l'impact du décalage est minimisé en utilisant cette configuration. Le même courant circule vers le RTD et le RREF ; ainsi, toute incompatibilité entre les deux IOUT n'affecte que le calcul de la résistance des fils. Cette configuration est utile lors de la mesure d'un seul RTD.

Lors de la mesure de plusieurs RTD à 3 fils, une résistance de référence sur le côté inférieur est recommandée (Méthode 2) afin qu'une seule résistance de référence puisse être utilisée, ce qui minimise le coût global. Cependant, dans cette configuration, un courant traverse le RTD tandis que les deux courants traversent la résistance de référence.

Ainsi, tout décalage dans IOUT peut affecter la valeur de la tension de référence ainsi que l'annulation de la résistance du fil. Lorsqu'une discordance de courant d'excitation est présente, cette configuration aura une plus grande erreur que la méthode 1. Il existe deux manières possibles de calibrer la discordance et la dérive de discordance entre IOUT, améliorant ainsi la précision de la seconde configuration. La première consiste à calibrer en hachant (permutant) les courants d'excitation, en effectuant une mesure sur chaque phase, puis en faisant la moyenne des deux mesures. Une autre solution consiste à mesurer les courants d'excitation réels eux-mêmes puis à utiliser le décalage calculé pour compenser le décalage dans le microcontrôleur. Plus de détails concernant ces étalonnages sont discutés dans CN-0383.

En ce qui concerne les problèmes des concepteurs de systèmes, il existe différents défis 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 assurant l'optimisation du système et le fonctionnement dans les spécifications 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 concevoir et optimiser les systèmes de mesure RTD, du concept au prototypage.

L'outil

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

Figure 8. Configurateur RTD.

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, comme 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 désactivé entre les mesures. Le concepteur doit tenir compte des implications temporelles pour le système. Une approche alternative consiste à sélectionner un courant d'excitation plus faible qui minimise l'auto-échauffement.

Le temps est maintenant réduit au minimum, 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 tout en ajustant le gain et la vitesse ADC pour donner une meilleure résolution et de meilleures performances du système, ce qui signifie moins de bruit et moins d'erreur de décalage. .

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

L'entrée ADC et les entrées de référence d'un ADC sigma-delta sont toutes deux échantillonnées en continu par un frontal 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 ADC sigma-delta à des fins d'anticrénelage.

À des fins de compatibilité électromagnétique, un concepteur de système peut utiliser de grandes valeurs R et C à la fois sur l'entrée analogique et sur l'entrée de référence. De grandes valeurs RC peuvent provoquer des erreurs de gain dans les mesures car le circuit frontal n'a pas suffisamment de temps pour se stabiliser 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 aussi 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 des tampons d'entrée analogiques activés, il est nécessaire de s'assurer que la marge requise pour un fonctionnement correct est respectée.

Les signaux des Pt100 sont de bas niveau. Ils sont de l'ordre de la centaine de mV. Pour des performances optimales, un ADC 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 conformément aux 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 par rapport à AVDD. L'outil s'assurera 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 du système seront discutées plus tard.

Comme indiqué précédemment, un filtre anticrénelage est recommandé avec les convertisseurs sigma-delta. Comme le filtre embarqué est numérique, la réponse en fréquence est réfléchie 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 tous les multiples de cette fréquence. Étant donné que les convertisseurs sigma-delta suréchantillonnent l'entrée analogique, la conception du filtre anti-repliement 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 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 puissance, où être 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'interférence 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 principales 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 simultanément 50 Hz et 60 Hz.

La plupart des ADC à faible bande passante, y compris AD7124-4/AD7124-8, offrent une variété d'options de filtrage numérique qui peuvent être programmées pour définir 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 le rejet 50Hz et 60Hz. Lorsque plusieurs canaux sont activés, un temps de stabilisation est nécessaire 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 filtre FIR est utile pour fournir une réjection simultanée raisonnable de 50 Hz/60 Hz à des temps de stabilisation inférieurs et ainsi augmenter le débit.

La consommation de courant ou l'allocation du budget d'alimentation du système dépend fortement de l'application finale. L'AD7124-4/AD7124-8 contient trois modes d'alimentation qui permettent un compromis entre performances, vitesse et 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 4mA à 20mA afin qu'un budget actuel de seulement 4mA maximum soit autorisé. Pour ce type d'application, les appareils peuvent être programmés en mode moyenne ou basse consommation.

La vitesse est beaucoup plus faible, mais l'ADC offre toujours des performances élevées. Si l'application est le 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.

Après avoir pris connaissance de 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 répondra à la précision et aux 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 9 montre un résumé de toutes les erreurs. Le diagramme circulaire d'erreur 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.

L'erreur due à l'ADC n'est pas le contributeur d'erreur le plus important à l'erreur système globale. 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 éliminer 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 que le décalage du système et l'erreur de gain puissent être minimisés, mais cela peut ajouter des coûts supplémentaires et peut ne pas être requis pour la plupart des applications.

Pour tout environnement difficile ou pour les applications où la sécurité est une priorité, les diagnostics font désormais partie des exigences de l'industrie. Le diagnostic intégré dans

l'AD7124-4/AD7124-8 réduit le besoin de composants externes pour mettre en œuvre les diagnostics, ce qui se traduit par une solution plus petite, simplifiée et économique. Les diagnostics incluent

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 CEI 61508.

La figure 10 montre quelques données mesurées de la note 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 ont calculé la valeur en degrés Celsius correspondante. 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 bien en deçà de la limite autorisée. L'erreur la plus élevée dans la mesure à 2 fils est due aux erreurs de résistance de fil décrites précédemment.

Figure 9. Calculateur de sources d'erreur RTD.

Ce que ces exemples montrent, c'est que le respect des directives RTD ci-dessus conduira à une conception haute précision et haute performance lorsqu'il est utilisé conjointement avec les ADC sigma-delta à faible bande passante 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 pour les 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 ADC, 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 le rejet 50Hz/60Hz, ainsi qu'une large plage de mode commun sur l'analogique et éventuellement les entrées de référence. Ils sont également hautement intégrés, contenant toutes les fonctions nécessaires à la conception d'un système RTD. En outre, ils offrent des fonctionnalités améliorées telles que la capacité d'étalonnage et les diagnostics intégrés. Ce niveau d'intégration, ainsi que la garantie complète du système ou l'écosystème, 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 le CN-0383 peuvent être utilisés pour relever les différents défis, tels que les problèmes de connectivité et le budget d'erreur global, et apporter le utilisateurs au niveau supérieur de leur conception.

Cet article a démontré que la conception d'un système de mesure de température RTD est un processus complexe en plusieurs étapes. Cela nécessite de faire des choix en termes de différentes configurations de capteurs, de sélection ADC et d'optimisations, ainsi que 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 répondant aux problèmes de connectivité et de budget d'erreur global.

Figure 10. Un post-filtre de mesure de précision de température RTD à 2/3/4 fils en mode basse consommation à 25 SPS.

Jellenie Rodriguez est ingénieure d'applications chez Analog Devices au sein du Precision Converter Technology Group. Elle se concentre sur les ADC sigma-delta de précision pour les mesures en courant continu. Elle a rejoint ADI en 2012 et est diplômée du San Sebastian College-Recoletos de Cavite avec un baccalauréat en génie électronique en 2011. Vous pouvez la joindre à [email protected].

Mary McCarthy est ingénieur d'applications chez Analog Devices. Elle a rejoint ADI en 1991 et travaille au sein du groupe des applications technologiques linéaires et de précision à Cork, en Irlande, en se concentrant sur les convertisseurs sigma-delta de précision. Mary a obtenu un baccalauréat en génie électronique et électrique de l'University College Cork en 1991. Vous pouvez la joindre à [email protected].