Ste se spraševali, kako razviti natančen sistem za merjenje temperature z visoko elektromagnetno združljivostjo (EMC)?
Ta članek bo razpravljal o načrtovanju sistema za natančno merjenje temperature in o tem, kako izboljšati EMC zmogljivost sistema ob ohranjanju natančnosti merjenja. Predstavili bomo rezultate testov in analizo podatkov, ki nam omogočajo enostavno premikanje od koncepta do prototipa in od koncepta do trga na primeru merjenja temperature z RTD.
*RTD (angl. Resistance Temperature Detector) je oznaka za uporovni temperaturni detektor
Natančno merjenje temperature in EMC izzivi
Merjenje temperature je ena najpogosteje uporabljenih tehnologij zaznavanja, znanih v analognem svetu. Za zaznavanje temperature okolja je na voljo veliko merilnih tehnologij. Termistor je majhna, preprosta 2-žična izvedba s hitrim odzivnim časom, vendar njegova nelinearnost in omejeno temperaturno območje omejujeta njegovo natančnost in uporabo. RTD je najbolj stabilna in najbolj natančna metoda merjenja temperature.
Težava pri načrtovanju RTD je v tem, da zahteva zunanji dražljaj, zapletena vezja in kalibracijsko delo. Inženirji, ki nimajo izkušenj z razvojem sistemov za merjenje temperature, lahko obupajo. Termočlen (TC, angl. thermocouple) lahko zagotovi robustno, poceni rešitev z različnimi razponi, vendar je kompenzacija hladnega spoja (CJC, angl. cold junction compensation) potrebna za celoten sistem. V primerjavi s termistorjem, TC in RTD, lahko novo razvit digitalni temperaturni senzor zagotavlja kalibrirane temperaturne podatke neposredno prek digitalnega vmesnika. Za natančno merjenje temperature so za oblikovanje sistema za merjenje temperature potrebni temperaturni senzorji visoke natančnosti in natančna signalna veriga.
TC, RTD in digitalni temperaturni senzorji imajo najvišjo natančnost. Na voljo so vezja za natančne signalne verige, ki se lahko uporabljajo za zbiranje teh senzorskih signalov in njihovo pretvorbo v absolutno temperaturo. V industrijskem sektorju je naš cilj doseči natančnost 0,1°C. Ta meritev natančnosti ne vključuje napak senzorja. Tabela 1 prikazuje primerjavo različnih tipov temperaturnih senzorjev.
Pri ustvarjanju digitalnega sistema za merjenje temperature, zlasti za aplikacije v zahtevnih okoljih, kot sta industrijska in železniška, nista pomembna le natančnost in težava pri načrtovanju, temveč je tudi EMC zmogljivost ključna značilnost za ohranjanje stabilnosti sistema. Sistem potrebuje dodatna vezja in diskretne komponente za povečanje zaščite pred EMC. Vendar pa več zaščitnih komponent pomeni več virov napak. Zato je zelo zahtevno načrtovati sistem za merjenje temperature z visoko natančnostjo zaznavanja in visoko zaščito pred EMC. EMC zaščita sistema za merjenje temperature določa, ali lahko normalno deluje v določenem elektromagnetnem okolju.
ADI ponuja številne rešitve za merjenje temperature, kot so natančni analogno-digitalni pretvorniki (ADC), vhodni analogni deli (AFE), IC temperaturni senzorji in drugo. Rešitve AFE podjetja ADI zagotavljajo večsenzorski zelo natančen digitalni sistem merjenja temperature za neposredno TC merjenje, neposredno RTD merjenje, neposredno merjenje termistorja in podporo za aplikacije senzorjev po meri. Nekatere posebne konfiguracije lahko pomagajo ohranjati visoko natančnost merjenja, hkrati pa dodajajo komponente za EMC zaščito. Slika 1 prikazuje klasično ratiometrično merilno vezje in enačbo za merjenje temperature.
Naslednja poglavja opisujejo rešitve za zaznavanje temperature za razvijalce sistemov za doseganje najboljše EMC zaščite.
RTD rešitve za merjenje temperature
Za primer vzemite AFE merilnik temperature LTC2983 [1]. Sistemski krmilnik lahko bere kalibrirane temperaturne podatke iz LTC2983 neposredno prek SPI vmesnika z natančnostjo 0,1°C in ločljivostjo 0,001°C. Ko je priključen 4-žilni RTD, lahko funkcija preklapljanja vzbujevalnega toka samodejno odpravi parazitski učinek termoelementa in zmanjša učinek slepega toka signalnega tokokroga. Na podlagi teh funkcij lahko LTC2983 pospeši načrtovanje večkanalnih natančnih sistemov za merjenje temperature in doseže visoko EMC zaščito brez zapletene zasnove vezij, kar vam in vašim strankam daje več zaupanja. Slika 2 prikazuje blok diagram sistema za merjenje temperature LTC2983, zaščitenega pred EMC.
RTD je nedvomno najboljša izbira za visoko natančno merjenje temperature in lahko meri temperaturo v območju od –200°C do +800°C. Najpogostejši so platinasti RTD 100 Ω in 1000 Ω, lahko pa so tudi iz niklja ali bakra.
Najpreprostejši sistem za RTD merjenje temperature je 2-žična konfiguracija, vendar upor vodnikov vnese dodatne sistemske temperaturne napake. 3-žična konfiguracija lahko odpravi napake upornosti vodnika z uporabo dveh ujemajočih se tokovnih virov na RTD, vendar mora biti upor kabla enak. Kelvin konfiguracija ali 4-žična konfiguracija lahko odstrani uravnoteženo ali neuravnoteženo upornost kabla z merjenjem neposredno čez senzor z uporabo Kelvinovega zaznavanja z visoko impedanco. Vendar pa bodo stroški glavna omejitev za 4-žilno konfiguracijo, saj ta konfiguracija potrebuje več kablov, zlasti za daljinsko merjenje temperature. Slika 3 prikazuje različne konfiguracije RTD žic1. Glede na dejanske primere uporabe strank ta članek izbere 3-žilno RTD konfiguracijo in preizkusi njegovo EMC delovanje.
2-žilni in 3-žilni RTD senzorji lahko uporabljajo tudi Kelvinovo konfiguracijo na ploščici tiskanega vezja. Ko moramo signalni povezavi dodati tokovne omejevalne upore in RC filter, da zaščitimo analogne vhodne nožice naprave, bodo ti dodatni upori uvedli velik sistemski odmik. Na primer, zamenjava 2-žilnega zaščitnega vezja s 4-žilno Kelvinovo konfiguracijo lahko pomaga odstraniti ta odmik, ker vzbujevalni tok ne teče skozi te omejevalne upore in RC filter. Napaka, ki jo povzroči zaščitni upor, pa je zanemarljiva (glej sliko 4). Za več podrobnosti glejte podatkovni list LTC2986 [2].
Kakšni so izzivi glede robustnosti sistemov za merjenje temperature?
Tako kot večina IC-jev za merjenje temperature, lahko tudi LTC2983 prenaša HBM ESD raven več kot 2 kV. Toda v industrijski avtomatizaciji, železnicah in drugih težkih elektromagnetnih okoljih, se morajo elektronske naprave soočiti z višjimi ravnmi motenj in bolj zapletenimi EMC dogodki, kot so elektrostatična razelektritev (ESD), hitri električni prehodi (EFT), sevalna občutljivost (RS), prevedena občutljivost (CS) in prenapetosti.
Dodatne diskretne zaščitne komponente so potrebne za zmanjšanje tveganja poškodb naprav, ki se nahajajo na nižji stopnji, in izboljšanje robustnosti sistema.
Trije elementi EMC dogodkov so vir šuma, povezovalna pot in sprejemnik. Kot je prikazano na sliki 5, v tem sistemu za merjenje temperature vir šuma prihaja iz okolja. Pot spojke je senzorski kabel, LTC2983 pa je sprejemnik. Industrijska avtomatizacija in železniške aplikacije vedno uporabljajo dolge senzorske kable za zaznavanje temperature oddaljenih naprav. Dolžina kabla senzorja je lahko nekaj metrov ali celo desetine metrov. Daljši kabli bodo povzročili daljše spojne poti, sistem za merjenje temperature pa se bo soočil z resnejšimi EMI izzivi.
Zaščitna rešitev na sistemski ravni s TVS
Najpogostejše zaščitne komponente so omejevalniki napetosti konice (TVS) in upori za omejevanje toka. Izbira ustreznega TVS in upora za omejevanje toka lahko ne le izboljša robustnost sistema, ampak tudi ohrani visoko merilno zmogljivost sistema. Tabela 2 prikazuje ključne parametre TVS naprave, vključno z delovno konično povratno napetostjo, napetostjo proženja, največjo omejitveno napetostjo in največjim povratnim ničelnim tokom. Delovna vršna povratna napetost mora biti nad najvišjim signalom senzorja, da se zagotovi pravilno delovanje sistema. Prekinitvena napetost ne sme biti veliko večja od signalne napetosti, da se izognete ustvarjanju širokih, nezaščitenih napetostnih razponov. Največja omejitvena napetost določa največjo napetost motenj signala, ki jo lahko TVS zaduši. Povratni ničelni tok bo veliko prispeval k merilni napaki sistema, zato je treba izbrati TVS z najmanjšim možnim povratnim ničelnim tokom.
V normalnih delovnih pogojih se zdi, da ima TVS naprava visoko impedanco glede na zemljo. Ko se na vhod sistema priključi prenapetost, ki je večja od napetosti prekinitve TVS, se napetost na vhodu zaklene takoj, ko se TVS sproži in zagotovi pot z nizko impedanco do ozemljitve, s čimer se prehodni tok preusmeri z vhoda na ozemljitev.
Kot kaže slika 2, je to 3-žilno zaščiteno vezje PT-1000. 3-žilni PT-1000 je na LTC2983 povezan s tremi sosednjimi kanali, ki so zaščiteni s TVS SMAJ5.0A in s 100 Ω uporom za omejevanje toka. Tokovni omejevalni upor in kondenzator v smeri toka tvorita nizkoprepustni filter, ki odstrani čim več VF komponent iz vhodnih vodov, da ohrani ravnovesje izmeničnega signala med vsako linijo in ozemljitvijo ter vzdržuje dovolj visoko vhodno impedanco med pasovno širino meritve, da se izognete obremenitvi vira signala2. Pasovna širina filtra diferencialnega načina pri –3 dB je 7,9 kHz, pasovna širina filtra skupnega načina pri –3 dB pa 1,6 MHz.
Ta sistem za merjenje temperature je bil preizkušen v skladu s standardi IEC 61000-4-2, IEC 61000-4-3, IEC 61000-4-4, IEC 61000-4-5 in IEC 61000-4-6. Pri teh testih mora sistem delovati normalno in zagotavljati natančno merjenje temperature. Testirani senzor je 3-žilni PT-1000 razreda B, ki uporablja žico z opletom dolžine približno 10 m.
V tabeli 3 so navedeni elementi za preskus IEC 61000-4-x odpornosti, ravni preskusa in temperaturna nihanja, ko sistem motijo EMI dogodki. Slika 6 prikazuje krivuljo podatkov o izhodni temperaturi med testiranjem, ki ustreza največjemu temperaturnemu nihanju v tabeli 3.
Natančnost merjenja temperature po zaščiti
TVS in tokovni omejevalni upor pomagata zaščititi sistem za merjenje temperature pred EMC. TVS z najnižjo možno napetostjo sponke lahko bolje zaščiti občutljiva vezja. Vendar pa lahko povzročijo napake v sistemu. Da bi se temu izognili, moramo uporabiti TVS z višjo prevodno napetostjo, ker višja prevodna napetost pomeni, da je pri normalni delovni napetosti manj ničelnega toka. Nižji ničelni tok TVS povzroči manj napak, ki so dodane sistemu.
Ob upoštevanju teh premislekov smo uporabili Littelfuse SMAJ5.0A TVS, ki ga je mogoče kupiti pri večini distributerjev elektronskih komponent, in 100 Ω upor za omejevanje toka z natančnostjo ±0,1 %, da zaščitimo sistem in preprečimo vstavljanje kakršnih koli izjemnih merilnih napak.
Da bi dosegli visoko natančnost merjenja, uporabljamo natančno uporovno matriko za zamenjavo senzorja PT-1000 in simulacijo sprememb temperature. Ta natančna uporovna matrika je bila kalibrirana z multimetrom Keysight Technologies 3458A.
Za lajšanje težav pri odstranjevanju napak ujemajočega se uporovnega kabla uporabljamo 4-žilno konfiguracijo za oceno učinkovitosti točnosti sistema. To je bolj ugodno za odpravo napak senzorja.
Za natančnejši izračun sistemske napake moramo vrednosti upora pretvoriti v temperaturo z uporabo istega standarda kot LTC2983. Tabela za iskanje temperature, ki jo je objavil proizvajalec senzorja, je najbolj natančna metoda pretvorbe. Vendar pa bi bilo nespametno zapisati vsako temperaturno točko v pomnilnik procesorja. Zato za izračun temperaturnih rezultatov uporabimo naslednjo formulo3.
Če je T > 0°C, je enačba sledeča: F1
Izračunajte temperaturo, ki ustreza vrednosti upora: F2
Če je T ≤ 0°C, se uporabi sledeča enačba: F3
Temperaturo dobimo s fitanjem polinomov: F4
kjer je:
- T je RTD temperatura v °C.
- RRTD(T) je RTD upornost v Ω.
- R0 je RTD upornost pri 0°C, R0 = 1000 Ω.
- A = 3.9083 × 10–3
- B = –5.775 × 10–7
- C = –4.183 × 10–12
Slika 7 kaže, da skupna sistemska napaka ne presega ±0,4°C v temperaturnem območju od –134°C do +607°C. V primerjavi s sliko 9, ki prikazuje prispevek napake LTC2983 k merjenju RTD temperature, dodatna zaščitna komponenta doda približno ±0,3°C sistemski napaki, zlasti ničelnemu toku TVS. Vidimo, da se z dvigom temperature sistemska napaka povečuje. Tu nastopijo značilnosti I-V krivulje.
Sistemsko napako je mogoče izračunati z: F5
kjer je:
- Terror je skupna izhodna napaka LTC2983 sistema za merjenje temperature v °C.
- Tcal je izračunana temperatura s preciznim uporom, ki je bil kalibriran s 3458A Keysight Technologies v °C.
- TLTC2983je izhodna temperatura LTC2983 v °C.
Slika 8 nam pove, da skupni sistemski šum od vrha do vrha ne presega ±0,01°C. Ta rezultat ustreza podatkovnemu listu.
Prispevek napak TVS in optimizirana konfiguracija
Karakteristike I-V krivulje TVS najdete v podatkovnem listu naprave. Vendar večina TVS proizvajalcev zagotavlja le tipične vrednosti za parametre naprave – ne vseh podatkov o napetosti, ki jih boste morda potrebovali za izračun prispevka napake TVS pri določeni napetosti, zlasti napake ničelnega toka.
V tej aplikaciji se uporablja Littelfuse SMAJ5.0A TVS. Po testiranju nekaterih vzorcev smo ugotovili, da je tok uhajanja približno 1 μA pri 1 V povratni napetosti, kar je veliko manj od največjega povratnega ničelnega toka v podatkovnem listu TVS. Ta ničelni tok prispeva k precejšnji napaki v sistemu. Če pa je omogočeno vrtenje vzbujevalnega toka LTC2983, se bo učinek napake ničelnega toka močno zmanjšal. Slika 10 prikazuje konfiguracijo vrtenja vzbujevalnega toka in ničelnega toka TVS.
Ko je Rsense enak vzbujalnemu toku, ki teče skozi RTD, se lahko upor RTD, RT, izrazi z4: F6
Pri uporabi konfiguracije vrtenja vzbujevalnega toka za vzbujevalni tok (prikazano na sliki 10(a)), se RDT upornost RRTD1 izračuna z: F7-9
Kjer je:
- Rsense je vrednost realne upornosti senzorskega upora
- RRTD je vrednost realne RTD upornosti v merilnem ciklu
- Vsense1 izmerjena napetost pri senzorskem uporu
- VRTD1 izmerjena napetost pri RTD v vzbujevalnem ciklu, kot kaže slika 10(a).
- RRTD1 izračunana vrednost RTD v vzbujevalnem ciklu
Ko uporabljate konfiguracijo vrtenja vzbujevalnega toka za povratni vzbujevalni tok (prikazano na sliki 10(b)), se RTD upornost RRTD2 izračuna z: F10-12
Kjer je:
- Vsense2 izmerjena napetost na senzorskem uporu.
- VRTD2 izmerjena napetost RTD v povratnem vzbujevalnem ciklu, kot kaže slika 10(b).
- RRTD2 izračunana RTD vrednost v povratnem vzbujevalnem ciklu.
Glede na izmerjene podatke TVS je pri 2 V povratni napetosti razlika med maksimalnim in minimalnim ničelnim tokom v povprečju približno 10 %. Položaj in stopnja ujemanja štirih TVS lahko v veliki meri povzročita sistematično napako. Za prikaz, kje je napaka največja, lahko domnevamo, da je ITVS povprečni ničelni tok in da je ITVS1 = ITVS2 = 0,9 × ITVS, medtem ko je ITVS3 = ITVS4 = 1,1 × ITVS: F13-14
Če ne uporabljate konfiguracije vrtenja vzbujevalnega toka, bosta RRTD1 ali RRTD2 vključevala največji prispevek TVS napake: F14a
Pri uporabi konfiguracije vrtenja vzbujevalnega toka so končni izračunani rezultati: F15-18
Kjer je Error(RRTDROT) = min {Error(RRTD1), Error(RRTD2)}, nato Error (RRTDROT) bo enak Error (RRTD1) ali Error(RRTDROT) bo enak Error(RRTD2). Glede na formule 13 do formule 18, kjer I = 6 × ITVS, bo napaka (RRTDROT) enaka min {Error RRTD1), Error RRTD2 }. Če je Iexc = 6 × ITVS, bo se bo natančnost sistema zmanjšala za 16,7 % zaradi ničelnega toka TVS.
Glede na konfiguracijo in rezultat testa, Iexc> 6 × ITVS, zato
Običajno, Iexc> 100 × ITVS. Slika 11 kaže sistemsko napako kjer:
- RRTDROT je končni rezultat izračunane RTD upornosti z vrtenjem vzbujevalnega toka.
- Error(RRTDROT) je prispevek napake TVS pri uporabi konfiguracije vrtenja vzbujevalnega toka z enotami v °C.
- Error(RRTD1) in Error(RRTD2) so prispevek napake TVS, če ne uporabljate konfiguracije vrtenja, z enotami v °C.
- Zgornja izpeljava nam pove, da lahko konfiguracija vrtenja vzbujevalnega toka zmanjša prispevek napake ničelnega toka TVS. Naslednji rezultati testov potrjujejo našo trditev.
Slika 11 prikazuje sistemske napake pri različnih načinih vzbujevalnega toka in konfiguracijah TVS. Kot je prikazano na sliki, je natančnost sistema približno enaka za vrtljive in nevrtljive konfiguracije, ko TVS ni uporabljen. Vendar pa omogočanje vrtenja vzbujevalnega toka samodejno odpravi učinek parazitskega termoelementa, katerega podrobnejši opis lahko najdete v podatkovnem listu LTC2983 [3]. Ko uporabljate TVS za zaščito sistema, se skupna sistemska napaka poveča. Toda konfiguracija vrtenja vzbujevalnega toka lahko znatno zmanjša vpliv napake ničelnega toka TVS in tako pomaga doseči podobno raven natančnosti kot sistemi, ki niso zaščiteni s TVS, v večini temperaturnega merilnega območja. V primerjavi s sistemom brez TVS je dodatno napako prispevala variacija TVS od naprave do naprave.
Zaključek
Zasnova sistema za merjenje temperature se pogosto ne šteje za težko nalogo. Vendar pa je za večino razvijalcev sistemov razvoj zelo natančnega in robustnega sistema za merjenje temperature izziv. Inteligentni digitalni temperaturni senzor LTC2983 vam lahko pomaga premagati ta izziv in ustvariti izdelek, ki ga je mogoče hitro dati na trg.
Ta zaščiteni sistem za merjenje temperature LTC2983 ima natančnost sistema ±0,4°C. Merilne napake vključujejo napako LTC2983, napako TVS/tokovnega omejevalnega upora in prispevke napake tiskanega vezja.
Konfiguracija LTC2983 vzbujevalnega toka vrtenja lahko znatno zmanjša učinek napake ničelnega toka zaščitnih komponent.
Sistem za merjenje temperature LTC2983 zagotavlja visoko EMC zaščito kljub najpogostejšim zaščitnim ukrepom. Glejte tabelo 3 za rezultate EMI preskusa.
V tem članku so predstavljeni rezultati preskusa EMC točnosti in učinkovitosti za nekatere posebne konfiguracije. Izberete lahko različne TVS naprave in upore za omejevanje toka, da dosežete različno natančnost merjenja in EMC zaščito, ki ustreza vašim proizvodnim zahtevam.
Viri:
1 Logan Cummings. “Robust Industrial Sensing with the Temperature-to-BitsFamily.” Journal of Analog Innovation, Vol. 27, Number 1. Linear Technology, April 2017.
2 Colm Slattery, Derrick Hartmann, and Li Ke. “Simplifying design of industrialprocess-control systems with PLC evaluation boards.” EE Times, August 2009.
3CN0383: Completely Integrated 2-Wire, 3-Wire, or 4-Wire RTD MeasurementSystem Using a Low Power, Precision, 24-Bit ∑-Δ ADC. Analog Devices, Inc., October 2020.
4 Tom Domanski. “Optimize Sense Resistor Cost and Accuracy for RTD TempMeasurement when Using LTC2983 Temp-to-Bits IC.” Analog Devices, Inc.
O avtorju
Jon Geng se je ADI-ju pridružil leta 2018 in je zdaj aplikacijski inženir v kitajskem centralnem aplikacijskem centru. Njegovo strokovno področje so stikala, MXU, referenčni, temperaturni senzorji in zaznavanje dima. Jon je leta 2018 magistriral iz strojništva na univerzi Guizhou in diplomiral iz elektrotehnike leta 2015 na Hebei Normal University. Dosegljiv je na jon.geng@analog.com.
O avtorju
Li Ke je sistemski aplikacijski inženir v poslovni enoti za avtomatizacijo in energijo s sedežem v Limericku na Irskem. Li se je podjetju Analog Devices pridružil leta 2007 kot aplikacijski inženir izdelkov v skupini Precision Converters Group, ki se nahaja v Šanghaju na Kitajskem. Pred tem je štiri leta preživel kot inženir za raziskave in razvoj v skupini za kemijsko analizo pri Agilent Technologies. Leta 2003 je magistriral iz biomedicinskega inženiringa in leta 1999 diplomiral iz elektrotehnike, obe diplomi je prejel na univerzi Xi’an Jiaotong. Dosegljiv je na ke.li@analog.com.
O avtorju
Karl Wei se je ADI-ju pridružil leta 2000 in je zdaj vodja sistemskih aplikacij pri kitajski centralni aplikacijski skupini. Njegovo strokovno področje so natančne signalne verige v industrijskih aplikacijah. Pred tem je 8 let delal v inženirstvu in trženju IC testnega razvoja. Leta 1992 je diplomiral z M.S.E.E. iz Harbin Institute of Technology, Kitajska. Dosegljiv je na karl.wei@analog.com.
Spletni naslovi:
https://www.analog.com/en/products/ltc2983.html
https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/29861fa.pdf
https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/2983fc.pdf
Analog Devices, Inc.
Avtorji: Jon Geng, Li Ke, Karl Wei
