El ingeniero

Jellenie Rodriguez, ingeniera de aplicaciones y Mary McCarthy, ingeniera de aplicaciones, Analog Devices.

Este artículo analiza la historia y los desafíos de diseño para diseñar un sistema de medición de temperatura basado en un detector de temperatura de resistencia (RTD). También cubre las compensaciones de selección y configuración de RTD. Finalmente, detalla la optimización y evaluación del sistema RTD.

La medición de temperatura juega un papel importante en muchas aplicaciones finales diferentes, como automatización industrial, instrumentación, CbM y equipos médicos. Ya sea monitoreando las condiciones ambientales o corrigiendo el rendimiento de la deriva del sistema, la alta precisión y precisión son muy importantes. Hay varios tipos de sensores de temperatura que se pueden usar, como termopares, detectores de temperatura de resistencia (RTD), sensores electrónicos de banda prohibida y termistores. El sensor de temperatura seleccionado junto con el diseño depende del rango de temperatura que se mide y la precisión requerida. Para temperaturas en el rango de –200 °C a +850 °C, los RTD brindan una excelente combinación de alta precisión y buena estabilidad.

Los desafíos incluyen:

Para un RTD, la resistencia del sensor varía en función de la temperatura de una manera definida con precisión. Los RTD más utilizados son Pt100 y Pt1000 de platino, que están disponibles en configuraciones de 2, 3 y 4 cables. Otros tipos de RTD están hechos de níquel y cobre.

Tipo de IDT

Materiales

Rango

Pt100, Pt1000

Platino (numérico es resistencia a 0°C)

–200°C a +850°C

Pt200, Pt500

Platino (numérico es resistencia a 0°C)

–200°C a +850°C

Cu10, Cu100

Cobre (numérico es resistencia a 0°C)

–100°C a +260°C

Ni120

Níquel (numérico es resistencia a 0°C)

–80°C a +260°C

Los RTD Pt100 más comunes pueden tener dos formas diferentes: alambre enrollado y película delgada. Cada tipo está construido con varias curvas y tolerancias estandarizadas. La curva estandarizada más común es la curva DIN. DIN significa "Deutsches Institut für Normung", que significa "Instituto alemán de normalización".

La curva define las características de resistencia frente a temperatura de un sensor de platino de 100 Ω, las tolerancias estandarizadas y el rango de temperatura de funcionamiento. Esto define la precisión del RTD a partir de una resistencia base de 100 Ω a una temperatura de 0 °C. Hay diferentes clases de tolerancia estándar para DIN RTD. Estas tolerancias se muestran en la Tabla 2 y también se aplican a los RTD Pt1000 que son útiles en aplicaciones de baja potencia.

Tipo de sensor

Clase DIN

Tolerancia

@ 0°C

Tolerancia @ 50°C

Tolerancia @ 100°C

IDT Pt100

Película delgada

Clase B

±0,30 °C

±0,55 °C

±0,80 °C

IDT Pt100

Película delgada

Clase A

±0.15°C

±0,25 °C

±0,35 °C

IDT Pt100

Alambre enrollado/película delgada

1/3 Clase B

±0.1°C

±0,18 °C

±0,27 °C

Tanto el propio RTD como su precisión deben tenerse en cuenta al seleccionar el sensor RTD. El rango de temperatura varía según el tipo de elemento, y la precisión indicada en la temperatura de calibración (generalmente a 0°C) varía con la temperatura. Por lo tanto, es importante definir el rango de temperatura que se mide y tener en cuenta que cualquier temperatura por debajo o por encima de la temperatura de calibración tendrá una mayor tolerancia y menor precisión.

Los RTD se clasifican por su resistencia nominal a 0 °C. Un sensor Pt100 tiene un coeficiente de temperatura de aproximadamente 0,385 Ω/°C y un Pt1000 tiene un coeficiente de temperatura que es un factor de 10 mayor que el Pt100. Muchos diseñadores de sistemas utilizan estos coeficientes para obtener una traducción aproximada de la resistencia a la temperatura, pero las ecuaciones de Callendar-Van Dusen proporcionan una traducción más precisa.

La ecuación para la temperatura t ≤ 0°C es

La ecuación para la temperatura t ≥ 0°C es

dónde:

t es la temperatura RTD (°C)

RRTD(t) es la resistencia RTD a la temperatura (t)

R0 es la resistencia RTD a 0°C (en este caso, R0 = 100Ω)

A = 3,9083 × 10−3

B = −5,775 × 10−7

C = −4,183 × 10−12

Otro parámetro del sensor que debe tenerse en cuenta al seleccionar un RTD es su configuración de cableado, que afectará la precisión del sistema. Hay tres configuraciones diferentes de cableado de RTD disponibles en el mercado en las que cada configuración tiene ventajas y desventajas entre sí y puede requerir diferentes técnicas para reducir el error de medición.

Una configuración de 2 cables es la configuración más simple pero menos precisa debido a los errores en la resistencia del cable conductor y su variación con la temperatura, lo que contribuye a un error de medición significativo. Por lo tanto, esta configuración solo es útil en aplicaciones donde los cables conductores son cortos o cuando se usa un sensor de alta resistencia (por ejemplo, Pt1000), los cuales minimizan los efectos de la resistencia del conductor en la precisión.

La configuración de 3 hilos es la más utilizada debido a la ventaja de usar tres pines, que son útiles en diseños donde se minimiza el tamaño del conector (se requieren tres terminales de conexión frente al terminal de 4 hilos para un RTD de 4 hilos). La configuración de 3 hilos también mejora significativamente la precisión con respecto a la configuración de 2 hilos. El error de resistencia del cable conductor en 3 cables se puede compensar utilizando diferentes técnicas de calibración que se tratarán más adelante en este artículo.

4 hilos es la configuración más costosa pero la más precisa. En esta configuración, se eliminan los errores debidos a la resistencia del cable conductor, junto con los efectos de la variación de temperatura. Por lo tanto, una configuración de 4 hilos da como resultado el mejor rendimiento.

Una medición de sensor RTD precisa y de alta precisión requiere un acondicionamiento de señal preciso, conversión de analógico a digital, linealización y calibración. El diseño típico de un sistema de medición RTD consta de las diferentes etapas, como se muestra en la Figura 2. Aunque la cadena de señales parece simple y directa, hay varios factores complejos involucrados y los diseñadores deben considerar la selección de componentes complejos, el diagrama de conexión, el análisis de errores y otros aspectos análogos. desafíos de acondicionamiento de señales que afectan el tamaño general de la placa del sistema y el costo de la lista de materiales (BOM) debido a la mayor cantidad de bloques contribuyentes.

En el lado positivo, hay muchas soluciones integradas disponibles en la cartera de ADI. Esta solución de sistema completo ayuda a los diseñadores a simplificar sus diseños mientras reduce el tamaño de la placa, el tiempo de comercialización y el costo del sistema de medición RTD en general.

Figura 1. Configuraciones de cableado de RTD.

Figura 2. Bloque de cadena de señal de medición de RTD típico

Las tres configuraciones de cableado de RTD tienen diferentes técnicas de cableado necesarias para interconectar o conectar un RTD a un ADC, junto con los otros componentes externos y los requisitos del ADC, como la corriente de excitación y un multiplexor flexible. Esta sección cubre una comprensión más profunda y se centra en el diseño y las consideraciones de cada circuito de configuración RTD.

Los ADC sigma-delta (Σ-Δ) ofrecen múltiples beneficios al diseñar sistemas RTD. En primer lugar, como los ADC sigma-delta sobremuestrean la entrada analógica, el filtrado externo se minimiza, siendo un filtro RC simple el único requisito. Ofrecen flexibilidad en cuanto a la elección del tipo de filtro y la elección de la tasa de datos de salida. El filtrado digital incorporado se puede utilizar para rechazar cualquier interferencia de la fuente de alimentación principal en los diseños que funcionan con la red eléctrica. Los ADC de alta resolución de 24 bits, como el AD7124-4/AD7124-8, tienen una resolución de pico a pico de 21,7 bits como máximo. Otros beneficios son

Algunos ADC sigma-delta están altamente integrados e incluyen

Simplifican significativamente el diseño de RTD además de reducir la lista de materiales, el costo del sistema, el espacio de la placa y el tiempo de comercialización.

Para este artículo, el AD7124-4/AD7124-8 se utiliza como ADC. Estos son ADC de precisión de bajo ruido y baja corriente con un PGA integrado, corrientes de excitación, entrada analógica y búferes de referencia.

Una configuración radiométrica es una solución adecuada y rentable para sistemas que utilizan sensores resistivos como RTD o termistores. Con el enfoque aratiométrico, los voltajes de referencia y del sensor se derivan de la misma fuente de excitación. Por lo tanto, la fuente de excitación no necesita ser precisa.

La Figura 3 muestra un ejemplo de una configuración radiométrica en una aplicación RTD de 4 hilos. Una corriente de excitación constante alimenta el RTD y una resistencia de precisión, RREF, siendo el voltaje generado a través de RREF el voltaje de referencia para la medición del RTD. Cualquier variación de la corriente de excitación no afecta la precisión de la medida. Por lo tanto, usar un enfoque radiométrico permite usar una corriente de excitación más ruidosa y menos estable. Se prefiere una corriente de excitación a la excitación por voltaje debido a su mejor inmunidad al ruido. Los principales factores a considerar al seleccionar un valor de fuente de excitación se analizan más adelante en este artículo.

Figura 3. Medición radiométrica RTD de 4 hilos.

Muchos diseñadores de sistemas RTD utilizan ADC sigma-delta con mux integrado y corrientes de excitación que permiten mediciones de múltiples canales y enrutamiento flexible de las corrientes de excitación a cada sensor. Un ADC como el AD7124 permite que un solo pin funcione simultáneamente como una corriente de excitación y un pin de entrada analógica (consulte la Figura 4). Compartir pines entre IOUT y AIN solo requerirá dos pines por sensor RTD de 3 hilos, lo que aumenta el número de canales. Sin embargo, en esta configuración, un valor grande de la resistencia R en el filtro antialiasing o interferencia electromagnética (EMI) puede agregar errores al valor de resistencia RTD ya que R está en serie con el RTD; por lo tanto, se pueden usar valores R limitados. Es por eso que generalmente se recomienda tener un pin dedicado para cada fuente de corriente de excitación para evitar posibles errores en las mediciones de RTD.

Figura 4. RTD de 3 hilos con un pin IOUT/AIN compartido.

Una configuración RTD de 4 hilos ofrece el mejor rendimiento. El único problema que enfrentan los diseñadores de sistemas es el costo del sensor en sí y el tamaño del conector de 4 pines en comparación con las otras dos configuraciones. En esta configuración, los cables de retorno eliminan inherentemente los errores debidos a los cables conductores.

Una configuración de 4 hilos utiliza la detección Kelvin con dos hilos para transportar la corriente de excitación hacia y desde el RTD, mientras que los dos hilos restantes detectan la corriente a través del propio elemento RTD. Los errores debidos a la resistencia de los conductores se eliminan inherentemente. Una configuración de 4 hilos solo requiere una IOUT de corriente de excitación, como se muestra en la Figura 5. Se utilizan tres pines analógicos del ADC para implementar una configuración de RTD de 4 hilos: un pin para la corriente de excitación, IOUT, y dos pines como conector completo. canal de entrada diferencial (AINP y AINM) utilizado para detectar el voltaje a través del RTD.

Cuando el diseño usa múltiples RTD de 4 hilos, se puede usar una sola fuente de corriente de excitación con la corriente de excitación dirigida a los diferentes RTD en el sistema. Al colocar el resistor de referencia en el lado inferior del RTD, un solo resistor de referencia puede soportar todas las mediciones del RTD; es decir, el resistor de referencia es compartido por todos los RTD.

Tenga en cuenta que la resistencia de referencia se puede colocar en el lado alto o bajo si la entrada de referencia del ADC tiene un amplio rango de modo común. Por lo tanto, para un solo RTD de 4 hilos, se puede usar la resistencia de referencia en el lado alto o en el lado bajo. Sin embargo, cuando se utilizan varios RTD de 4 hilos en un sistema, es ventajoso colocar la resistencia de referencia en el lado bajo, ya que todos los RTD pueden compartir una resistencia de referencia. Tenga en cuenta que algunos ADC incluyen búferes de referencia.

Estos búferes pueden requerir algo de espacio libre, por lo que se requiere una resistencia de espacio libre si el búfer está habilitado. Habilitar el búfer significa que se puede conectar un filtrado más robusto a los pines de referencia sin causar errores como errores de ganancia dentro del ADC.

La configuración de RTD de 2 hilos es la configuración más simple y se muestra en la Figura 6. Para la configuración de 2 hilos, solo se requiere una fuente de corriente de excitación. Por lo tanto, se utilizan tres pines analógicos del ADC para implementar una única configuración de RTD de 2 hilos: un pin para la corriente de excitación, IOUT, y dos pines como un canal de entrada completamente diferencial (AINP y AINM) que se usa para detectar el voltaje en el RTD. .

Cuando el diseño usa múltiples RTD de 2 hilos, se puede usar una sola fuente de corriente de excitación con la corriente de excitación dirigida a los diferentes RTD en el sistema. Al colocar la resistencia de referencia en el lado inferior del RTD según la configuración de 4 hilos, una sola resistencia de referencia puede admitir todas las mediciones de RTD; es decir, la resistencia de referencia es compartida por todos los RTD.

La configuración de 2 cables es la menos precisa de las tres configuraciones de cableado diferentes, ya que la resistencia real en el punto de medición incluye tanto las resistencias del sensor como los cables conductores RL1 y RL2, lo que aumenta la medición de voltaje en el ADC.

Si el sensor es remoto y el sistema usa un cable muy largo, los errores serán significativos. Por ejemplo, una longitud de 25 pies de un cable de cobre de 24 AWG tendrá una resistencia equivalente de 0,026 Ω/pie (0,08 Ω/metro) × 2 × 25 pies a 1,3 Ω. Por lo tanto, una resistencia del cable de 1,3 Ω produce un error de (1,3/0,385) = 3,38 °C (aproximadamente) debido a la resistencia del cable. La resistencia del cable también cambia con la temperatura, lo que agrega un error adicional.

Figura 5. Mediciones de configuración de entrada analógica RTD de 4 hilos simples y múltiples.

El error significativo debido a las resistencias de los hilos conductores de la configuración de RTD de 2 hilos se puede mejorar significativamente usando una configuración de RTD de 3 hilos. En este artículo, usamos una segunda corriente de excitación (que se muestra en la Figura 7) para cancelar los errores de resistencia del cable conductor producidos por RL1 y RL2. Por lo tanto, se utilizan cuatro pines analógicos del ADC para implementar una configuración de RTD de 3 hilos: dos pines para corrientes de excitación (IOUT0 e IOUT1) y dos pines como un canal de entrada completamente diferencial (AINP y AINM) que se usa para detectar el voltaje a través de el RTD.

Figura 6. Medición de configuración de entrada analógica RTD simple y múltiple de 2 hilos.

Figura 7. Medición de configuración de entrada analógica RTD simple y múltiple de 3 hilos.

Hay dos formas de configurar un circuito RTD de 3 hilos. El método 1 coloca la resistencia de referencia en el lado superior para que la primera corriente de excitación IOUT0 fluya a RREF, RL1 y luego a RTD, y la segunda corriente fluya a través de la resistencia del conductor RL2 y desarrolle un voltaje que cancela el voltaje caído a través de la resistencia del conductor RL1.

Por lo tanto, las corrientes de excitación bien adaptadas anulan completamente el error debido a la resistencia del conductor. Si las corrientes de excitación tienen algún desajuste, el impacto del desajuste se minimiza utilizando esta configuración. La misma corriente fluye hacia el RTD y el RREF; por lo tanto, cualquier discrepancia entre las dos IOUT afecta únicamente al cálculo de la resistencia del conductor. Esta configuración es útil cuando se mide un solo RTD.

Al medir varios RTD de 3 hilos, se recomienda una resistencia de referencia en la parte inferior (Método 2) para que solo se pueda usar una sola resistencia de referencia, lo que minimiza el costo total. Sin embargo, en esta configuración, una corriente fluye a través del RTD mientras que ambas corrientes fluyen a través de la resistencia de referencia.

Por lo tanto, cualquier desajuste en IOUT puede afectar el valor del voltaje de referencia junto con la cancelación de la resistencia del conductor. Cuando existe una discrepancia de corriente de excitación, esta configuración tendrá un error mayor que el Método 1. Hay dos formas posibles de calibrar la discrepancia y la desviación de la discrepancia entre IOUT, lo que mejora la precisión de la segunda configuración. Primero está calibrando cortando (intercambiando) las corrientes de excitación, realizando una medición en cada fase y luego promediando las dos mediciones. Otra solución es medir las propias corrientes de excitación reales y luego usar el desajuste calculado para compensar el desajuste en el microcontrolador. Más detalles sobre estas calibraciones se discuten en CN-0383.

En cuanto a los problemas del diseñador de sistemas, existen diferentes desafíos involucrados en el diseño y la 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 desafío dos es la configuración de la medición, que incluye la configuración del ADC, la configuración de la corriente de excitación, la configuración de la ganancia y la selección de los componentes externos al tiempo que 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, existe 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

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

Figura 8. Configurador de RTD.

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 energía 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 necesita considerar las implicaciones de tiempo para el sistema. Un enfoque alternativo es seleccionar una corriente de excitación más baja que minimice el autocalentamiento.

Ahora se minimiza el tiempo, pero el diseñador debe determinar si el rendimiento del sistema se ve afectado. Todos los escenarios se pueden probar a través de 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 la tensión 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 menos errores de compensación. .

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

La entrada de ADC y las entradas de referencia de un ADC sigma-delta se muestrean continuamente mediante un extremo frontal de condensador 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 grandes de RC pueden causar errores de ganancia en las mediciones, ya que el circuito de entrada no tiene tiempo suficiente para establecerse 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 utiliza una ganancia interna superior a 1, los búferes de entrada analógica se habilitan automáticamente y dado que el PGA se coloca delante de los búfer de entrada, dado que el PGA es de riel a riel, la entrada analógica se también riel a riel. 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 una operación correcta.

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 de 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 de RTD indica si los nuevos valores de corriente de excitación se pueden usar con el sensor RTD seleccionado.

También se sugieren valores adecuados para la resistencia de referencia de precisión y la resistencia de espacio libre 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 esta especificación de cumplimiento.

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

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

Cuando el sistema final se usa en el campo, lidiar con el ruido o la interferencia del entorno en el que opera el sistema puede ser bastante desafiante, especialmente en espacios de aplicación como automatización industrial, instrumentación, control de procesos o control de energía, en donde ser tolerante al ruido y, al mismo tiempo, se requiere no ser ruidoso para 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 principales frecuencias de la fuente de alimentación se generan a 50 Hz y sus múltiplos en Europa, y 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 desean diseñar un sistema universal que rechace simultáneamente 50 Hz y 60 Hz.

La mayoría de los ADC de menor ancho de banda, incluidos 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 tasa de datos de salida, el tiempo de estabilización y el rechazo de 50 Hz y 60 Hz. Cuando se habilitan múltiples canales, se requiere un tiempo de establecimiento para generar una conversión cada vez que se cambia el canal; por lo tanto, seleccionar un tipo de filtro con un tiempo de establecimiento más largo (es decir, sinc4 o sinc3) reducirá la tasa de rendimiento general. En este caso, un post-filtro o filtro FIR es útil para proporcionar un rechazo simultáneo razonable de 50 Hz/60 Hz en tiempos de estabilización más bajos y, por lo tanto, aumentar la tasa de rendimiento.

El consumo actual 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, de modo que se permite un presupuesto actual 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 de 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 mayor y un mayor rendimiento.

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 interfaz y la configuración del ADC cumplirán con la precisión y el rendimiento objetivo general. TheRTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator permite al usuario modificar la configuración del sistema para un rendimiento óptimo. Por ejemplo, la Figura 9 muestra un resumen de todos los errores. El gráfico circular de error 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.

El error debido al ADC no es el factor que más contribuye al error general del sistema. Sin embargo, la contribución de 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 momento del encendido o la inicialización del software para eliminar los errores de compensación y ganancia del ADC. 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 el error de compensación y ganancia del sistema, pero esto puede agregar un costo adicional y puede no ser necesario para la mayoría de las aplicaciones.

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. El diagnóstico integrado en

el AD7124-4/AD7124-8 reduce la necesidad de componentes externos para implementar diagnósticos, lo que da como resultado una solución más pequeña y simplificada que ahorra tiempo y dinero. Los diagnósticos incluyen

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

La Figura 10 muestra algunos datos medidos de la nota 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 hilos da un error más cercano al límite inferior del límite de error, mientras que la implementación de RTD de 3 o 4 hilos tiene un error general que está dentro del límite permitido. El mayor error en la medición de 2 hilos se debe a los errores de resistencia de los conductores descritos anteriormente.

Figura 9. Calculadora de fuentes de error RTD.

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 del circuito (CN-0383) también servirá como un diseño de referencia que ayudará al diseñador del sistema a crear 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 de productos 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 de RTD, ya que abordan problemas como el rechazo de 50 Hz/60 Hz, así como un amplio rango de modo común en el analógico y posiblemente las entradas de referencia. También están altamente integrados y contienen todas las funciones necesarias para el diseño de un sistema RTD. Además, brindan funciones mejoradas, como capacidad de calibración y diagnóstico integrado. 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 el software de la placa de evaluación y el CN-0383 se pueden usar para abordar los diferentes desafíos, como problemas de conectividad y el presupuesto general de errores, y llevar la usuarios al siguiente nivel de su diseño.

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 afectan el rendimiento general del sistema. La herramienta ADI RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator, junto con la herramienta en línea VirtualEval, el hardware y el software de la placa de evaluación y el CN-0383 agilizan el proceso al abordar la conectividad y los problemas generales de presupuesto de errores.

Figura 10. Postfiltro de medición de precisión de temperatura RTD de 2/3/4 hilos en modo de baja potencia a 25 SPS.

Jellenie Rodriguez es ingeniera de aplicaciones en Analog Devices dentro del Precision Converter Technology Group. Su enfoque está en los ADC sigma-delta de precisión para mediciones de CC. Se unió a ADI en 2012 y se graduó de San Sebastian College-Recoletos de Cavite con una licenciatura en ingeniería electrónica en 2011. Puede contactarla en [email protected].

Mary McCarthy es ingeniera 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, centrándose en convertidores sigma-delta de precisión. Mary se graduó con una licenciatura en ingeniería electrónica y eléctrica de University College Cork en 1991. Puede comunicarse con ella en [email protected].