RTD温度検知システムの最適化：設計
測温抵抗体（RTD）センシングシステムの最適化に関するこの2番目の記事では、RTDシステムの最適化、外部コンポーネントの選択、および最終的なRTDシステムの評価方法について説明します。
RTDに関するこの3部構成のシリーズの最初の記事では、温度測定の課題、RTDタイプ、さまざまな構成、およびRTD構成回路について説明しました。 2番目の記事では、2線式、3線式、および4線式の3つの異なるRTD構成の概要を説明しました。シリーズのこの最後の記事では、RTDシステムの最適化、外部コンポーネントの選択、および最終的なRTDシステムの評価方法について説明します。
RTDシステムの最適化
システム設計者の問題を見ると、RTDアプリケーションソリューションの設計と最適化にはさまざまな課題があります。課題1は、前のセクションで説明したセンサーの選択と接続図です。課題2は、ADC構成、励起電流の設定、ゲインの設定、および外部コンポーネントの選択を含む測定構成であり、システムの最適化とADC仕様内での動作を保証します。そして最後に、最も重要な問題は、目標のパフォーマンスを達成する方法と、システム全体のエラーの原因となるエラーの原因は何かということです。
幸いなことに、新しいRTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculatorがあり、コンセプトからプロトタイピングまで、RTD測定システムの設計と最適化に実践的なソリューションを提供します。
ツール：
- 正しい構成、配線、回路図を理解できるようにします
- さまざまなエラーソースの理解を支援し、設計の最適化を可能にします
このツールは、AD7124-4 / AD7124-8を中心に設計されています。これにより、お客様は励起電流、ゲイン、外付け部品などの設定を調整できます（図1）。これは、最終的なソリューションがADCの仕様の範囲内にあることを保証するために、範囲外の条件を示します。
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図1.RTDコンフィギュレーター。 （出典：Analog Devices）
励起電流、ゲイン、および外部コンポーネントの選択
理想的には、より高い出力電圧を生成し、ADC入力範囲を最大化するために、より大きな励起電流を選択する傾向があります。ただし、センサーは抵抗性であるため、設計者は、大きな値の励起電流による電力損失または自己発熱の影響が測定結果に影響を与えないことも確認する必要があります。システム設計者は、高い励起電流を選択できます。ただし、自己発熱を最小限に抑えるには、測定の合間に励起電流をオフにする必要があります。設計者は、システムのタイミングへの影響を考慮する必要があります。別のアプローチは、自己発熱を最小限に抑えるより低い励起電流を選択することです。タイミングは最小化されましたが、設計者はシステムパフォーマンスが影響を受けるかどうかを判断する必要があります。すべてのシナリオは、RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculatorを介してテストできます。このツールを使用すると、ユーザーは励起電流、ゲイン、および外部コンポーネントの選択のバランスを取り、アナログ入力電圧を最適化するとともに、ADCのゲインと速度を調整して、分解能とシステムパフォーマンスを向上させることができます。より低いオフセットエラー。
結果のフィルタープロファイルを理解するため、または変換のタイミングをより深く理解するために、VirtualEvalオンラインツールがこの詳細を提供します。
シグマデルタADCのADC入力とリファレンス入力は両方ともスイッチトキャパシタフロントエンドによって連続的にサンプリングされます。説明しているRTDシステムの場合、リファレンス入力も外部リファレンス抵抗によって駆動されます。アンチエイリアシングの目的で、シグマデルタADCのアナログ入力に外部RCフィルターを使用することをお勧めします。 EMCの目的で、システム設計者はアナログ入力とリファレンス入力の両方で大きなR値とC値を使用する場合があります。フロントエンド回路にはサンプリングの瞬間の間で安定するのに十分な時間がないため、RC値が大きいと、測定でゲインエラーが発生する可能性があります。アナログ入力とリファレンス入力をバッファリングすることで、これらのゲインエラーを防ぎ、無制限のR値とC値を使用できます。
AD7124-4 / AD7124-8の場合、1より大きい内部ゲインを使用すると、アナログ入力バッファが自動的に有効になり、PGAがレールツーレールであるため、PGAが入力バッファの前に配置されるため、アナログ入力が有効になります。レールツーレールでもあります。ただし、リファレンスバッファの場合、またはアナログ入力バッファを有効にしてゲイン1でADCを使用する場合は、正しく動作するために必要なヘッドルームが満たされていることを確認する必要があります。
Pt100からの信号は低レベルです。それらは数百mVのオーダーです。最適なパフォーマンスを得るには、ダイナミックレンジの広いADCを使用できます。あるいは、ゲインステージを使用して、ADCに適用する前に信号を増幅することもできます。 AD7124-4 / AD7124-8は、1〜128のゲインをサポートしているため、広範囲の励起電流に対して最適化された設計が可能です。 PGAゲインの複数の許可されたオプションにより、設計者は励起電流値とゲイン、外部コンポーネント、およびパフォーマンスをトレードオフすることができます。 RTD configuratorツールは、選択したRTDセンサーで新しい励起電流値を使用できるかどうかを示します。高精度リファレンス抵抗とリファレンスヘッドルーム抵抗の適切な値も提案されています。このツールは、ADCが仕様の範囲内で使用されることを保証することに注意してください。これは、構成をサポートする可能性のあるゲインを表示します。 AD7124の励起電流には出力コンプライアンスがあります。つまり、励起電流を供給するピンの電圧には、AVDDからのヘッドルームが必要です。このツールは、このコンプライアンス仕様が満たされていることも確認します。
RTDツールを使用すると、システム設計者は、ADCおよびRTDセンサーの動作制限内にあるシステムを保証できます。基準抵抗などの外付け部品の精度とシステムエラーへの寄与については、後で説明します。
フィルタリングオプション（アナログおよびデジタル50 Hz / 60 Hz拒否）
前に説明したように、アンチエイリアシングフィルターはシグマデルタコンバーターで推奨されます。埋め込まれたフィルターはデジタルであるため、周波数応答はサンプリング周波数の周りに反映されます。アンチエイリアシングフィルタリングは、変調器周波数およびこの周波数の倍数での干渉を適切に減衰させるために必要です。シグマデルタコンバーターはアナログ入力をオーバーサンプリングするため、アンチエイリアシングフィルターの設計が大幅に簡素化され、必要なのは単純な単極RCフィルターだけです。
最終的なシステムを現場で使用する場合、システムが動作している環境からのノイズや干渉に対処することは、特に産業用自動化、計装、プロセス制御、電力制御などの許容範囲内のアプリケーションスペースでは非常に困難な場合があります。ノイズを発生させると同時に、隣接するコンポーネントにノイズを発生させないようにする必要があります。ノイズ、トランジェント、またはその他の干渉源は、システムの精度と分解能に影響を与える可能性があります。システムが主電源から電力を供給されている場合にも、干渉が発生する可能性があります。主電源周波数は、ヨーロッパでは50 Hzとその倍数、米国では60 Hzとその倍数で生成されます。したがって、RTDシステムを設計するときは、50 Hz / 60Hzの除去を備えたフィルタリング回路を考慮する必要があります。多くのシステム設計者は、50Hzと60Hzの両方を同時に拒否するユニバーサルシステムを設計したいと考えています。
AD7124-4 / AD7124-8を含むほとんどの低帯域幅ADCは、50 Hz / 60Hzでノッチを設定するようにプログラムできるさまざまなデジタルフィルタリングオプションを提供します。選択したフィルターオプションは、出力データレート、整定時間、および50Hzと60Hzの除去に影響します。複数のチャネルが有効になっている場合、チャネルが切り替わるたびに変換を生成するために整定時間が必要です。したがって、整定時間が長いフィルタータイプ（つまり、sinc4またはsinc3）を選択すると、全体的なスループット率が低下します。この場合、ポストフィルターまたはFIRフィルターは、より短い整定時間で合理的な同時50 Hz / 60 Hz除去を提供し、スループット率を向上させるのに役立ちます。
電力に関する考慮事項
システムの現在の消費量または電力バジェットの割り当ては、エンドアプリケーションに大きく依存します。 AD7124-4 / AD7124-8には、パフォーマンス、速度、および電力の間のトレードオフを可能にする3つの電力モードが含まれています。ポータブルまたはリモートアプリケーションでは、低電力のコンポーネントと構成を使用する必要があります。一部の産業用自動化アプリケーションでは、システム全体に4mAから20mAのループで電力が供給されるため、最大4mAの電流バジェットが許可されます。このタイプのアプリケーションの場合、デバイスは中電力モードまたは低電力モードでプログラムできます。速度ははるかに遅いですが、ADCは依然として高性能を提供します。アプリケーションが主電源から電力を供給されるプロセス制御である場合、はるかに高い電流消費が許可されるため、デバイスをフルパワーモードでプログラムでき、このシステムははるかに高い出力データレートとパフォーマンスの向上を実現できます。
エラーの原因とキャリブレーションオプション
必要なシステム構成を知ったら、次のステップは、ADCに関連するエラーとシステムエラーを推定することです。これらは、システム設計者がフロントエンドとADC構成が全体的な目標精度とパフォーマンスを満たすかどうかを理解するのに役立ちます。 RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculatorを使用すると、ユーザーはシステム構成を変更して最適なパフォーマンスを得ることができます。たとえば、図2は、すべてのエラーの要約を示しています。システムエラーの円グラフは、外部基準抵抗の初期精度とその温度係数が、システムエラー全体の主なエラーの原因であることを示しています。したがって、より高い精度とより優れた温度係数を備えた外部基準抵抗の使用を検討することが重要です。
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図2.RTDエラーソース計算機。 （出典：Analog Devices）
ADCによるエラーは、システムエラー全体の最も重大なエラーの原因ではありません。ただし、ADCからのエラーの影響は、AD7124-4 / AD7124-8の内部キャリブレーションモードを使用してさらに減らすことができます。電源投入時またはソフトウェアの初期化時に、ADCゲインおよびオフセットエラーを除去するための内部キャリブレーションをお勧めします。これらのキャリブレーションでは、外部回路によって作成されたエラーは削除されないことに注意してください。ただし、ADCはシステムのキャリブレーションもサポートできるため、システムのオフセットとゲインの誤差を最小限に抑えることができますが、これにより追加のコストが発生する可能性があり、ほとんどのアプリケーションでは必要ない場合があります。
障害検出
過酷な環境や安全性が優先されるアプリケーションでは、診断が業界の要件の一部になりつつあります。 AD7124-4 / AD7124-8に組み込まれた診断により、診断を実装するための外部コンポーネントの必要性が減り、時間とコストを削減するソリューションがより小さく、簡素化されます。
診断には以下が含まれます：
- アナログピンの電圧レベルをチェックして、指定された動作範囲内にあることを確認します
- シリアルペリフェラルインターフェイス（SPI）バスの巡回冗長検査（CRC）
- メモリマップ上のCRC
- シグナルチェーンチェック
これらの診断は、より堅牢なソリューションにつながります。典型的な3線式RTDアプリケーションの故障モード、影響、および診断分析（FMEDA）は、IEC 61508に従って90％を超える安全故障率（SFF）を示しています。
RTDシステムの評価
図3は、回路ノートCN-0383からのいくつかの測定データを示しています。この測定データは、2線式、3線式、および4線式RTDのデモモードを含むAD7124-4 / AD7124-8評価ボードでキャプチャされ、対応する摂氏値を計算しました。結果は、2線式RTD実装ではエラー境界の下限に近いエラーが発生するのに対し、3線式または4線式RTD実装では、許容範囲内の全体的なエラーが発生することを示しています。 2線式測定の誤差が大きいのは、前述のリード抵抗誤差が原因です。
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図3.25SPSの低電力モードでの2- / 3- / 4-ワイヤーRTD温度精度測定ポストフィルター。 （出典：Analog Devices）
これらの例が示すのは、上記のRTDガイドラインに従うと、AD7124-4 / AD7124-8などのADIの低帯域幅シグマデルタADCと組み合わせて使用すると、高精度で高性能な設計につながることです。回路ノート（CN-0383）は、システム設計者がプロトタイピングを迅速に開始するのに役立つリファレンスデザインとしても機能します。評価ボードを使用すると、ユーザーは各サンプル構成デモモードを使用できるシステムパフォーマンスを評価できます。今後、さまざまなRTD構成のファームウェアは、AD7124-4 / AD7124-8製品ページから入手できるADIで生成されたサンプルコードを使用して簡単に開発できます。
AD7124-4 / AD7124-8などのシグマデルタアーキテクチャを使用するADCは、50 Hz / 60 Hzの除去や、アナログおよび場合によってはリファレンス入力。また、高度に統合されており、RTDシステム設計に必要なすべての機能が含まれています。さらに、キャリブレーション機能や組み込み診断などの拡張機能を提供します。このレベルの統合と、完全なシステム担保またはエコシステムにより、システム全体の設計、コスト、およびコンセプトからプロトタイピングまでの設計サイクルが簡素化されます。
システム設計者の旅を容易にするために、RTD_Configurator_and_Error_Budget_CalculatorツールとオンラインツールVirtualEval、評価ボードのハードウェアとソフトウェア、およびCN-0383を使用して、接続の懸念や全体的なエラーバジェットなどのさまざまな課題に対処し、ユーザーをデザインの次のレベルに引き上げます。
結論
この記事では、RTD温度測定システムの設計が困難な多段階プロセスであることを示しました。さまざまなセンサー構成、ADCの選択、最適化、およびそれらの決定がシステム全体のパフォーマンスにどのように影響するかを選択する必要があります。 ADI RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculatorツール、オンラインツールVirtualEval、評価ボードのハードウェアとソフトウェア、およびCN-0383は、接続性と全体的なエラーバジェットの懸念に対処することでプロセスを合理化します。
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ジェレニーロドリゲス Precision Converter TechnologyGroup内のAnalogDevicesのアプリケーションエンジニアです。彼女の焦点は、DC測定用の高精度シグマデルタADCです。彼女は2012年にADIに参加し、2011年に電子工学の学士号を取得してSan Sebastian College-Recoletos deCaviteを卒業しました。連絡先は[email protected]です。 
メアリーマッカーシー アナログ・デバイセズのアプリケーションエンジニアです。彼女は1991年にADIに参加し、アイルランドのコークにある線形および精密技術アプリケーショングループで働いており、精密シグマデルタコンバータに焦点を当てています。メアリーは、1991年にコーク大学コーク校で電子および電気工学の学士号を取得して卒業しました。連絡先は[email protected]です。 >
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