デルタシグマADC活用で石油・ガス・石油化学マルチセンサーシステムに超高精度を実現

石油、ガス、石油化学施設のマルチセンサーアレイは、重要な圧力と温度データを継続的に収集します。これらの環境が要求する広いダイナミックレンジで正確な高分解能読み取りを提供するには、センサーチェーンがコンパクトかつ非常に高精度である必要があります。

従来のマルチセンサーエレクトロニクスは大型、高コスト、現場展開に必要な堅牢性に欠けることが多々あります。ディスクリートアナログコンディショニング回路は、現代のプロセス制御に必要な厳しい公差を満たせず、ドリフトと誤差蓄積を招きます（図1参照）。

図1: 圧力安全弁が配管システムを過圧から保護（出典：Shutterstock）

解決策は、高分解能・マルチチャネルのデルタシグマ（ΔΣ）ADCにあります。熱電対、RTD、圧力トランスデューサーを精密ΔΣ ADCと直接統合することで、石油セクターの堅牢なマルチセンサーシステムに必要なRMSノイズ性能を実現できます。

この記事では、ΔΣ ADCを用いた精密温度・圧力インターフェース構築の主要な課題と解決策を概説します。

圧力センシング

圧力トランスデューサーは、電気励起を必要とするものと、自ら電力を生成するものの2グループに分類されます。一般的な機械式（ベローズ、ダイヤフラム、ブルドン管、マノメーター）は、圧力変化を機械的運動に変換します。

電気励起型センサーはΔΣ ADCとマイクロコントローラーとシームレスに連携します。一般的なタイプには容量式センサー、LVDT、圧電抵抗式デバイスがあります。圧電抵抗式センサーは、そのコンパクトさと高感度から通常好まれます（図2）。

図2: (a) 圧電抵抗式圧力センサーが推奨選択。(b) ブリッジのハイサイドには電圧または電流励起が必要（出典：Maxim Integrated）

図2aでは、センサーの上層がダイヤフラムに接合された抵抗膜です。ブリッジのハイサイド（図2b）は安定した励起（通常数ボルト）を要求します。3.3 Vシステムでは、センサーの差動出力は数ミリボルトから数百ミリボルトの範囲。その後の増幅とADC変換で、このアナログ信号を信頼性の高いデジタル値に変換します。

温度センシングの重要性

圧力トランスデューサーの性能は温度に依存するため、正確な温度測定が不可欠です。システムはKタイプ熱電対とRTDを冷接点補償（CJC）に使用します（図3）。

図3: 2線式Kタイプ熱電対には冷接点補償用のRTDが必要（出典：Maxim Integrated）

熱電対は+1260℃まで耐え、RTDが熱電対の接点で精密測定を行うことで、温度補正された圧力読み取りを確保します。

高分解能ADC：なぜΔΣなのか？

ADC選択には分解能と速度のトレードオフがあります。パイプラインADCは高データレート（数十Gsps）だが最大12ビット。SAR ADCは10 Ksps–10 Mspsで12–18ビット、多くの産業用途に適します。しかし、圧力と温度センシングのようにナノボルトレベルの分解能が必要な場合、ΔΣ ADCのみが必要な性能を発揮します（図4）。

図4: 基本的なΔΣ ADCが入力電圧をΔΣモジュレーターに変換（出典：Maxim Integrated）

ΔΣ ADCはまず、入力をΔΣモジュレーターで1ビットのノイズシェイプドパルストレインに変換。オーバーサンプリングとデジタルフィルタリングにより、最大24ビットのマルチビット出力を生成し、マイクロコントローラーが利用します。

ΔΣモジュレーターの解説

ΔΣモジュレーターはノイズ低減の核心です。図5は第2次構造を示します：フロントエンドのΔ機能に続き、2つの積分器（Σ機能）。積分器の後、1ビットADCが信号をサンプリングし、1ビットDACが積分器にフィードバックします。

図5: 第2次ΔΣモジュレーターはフロントエンドΔ機能と2つの積分器で構成（出典：Maxim Integrated）

1ビットADCによって導入される量子化ノイズは高周波にシフトされます─これをノイズシェイピングと呼びます。図6は結果のノイズスペクトラムを示します。

図6: モジュレーターの出力ノイズが高周波にシェイプされる（出典：Maxim Integrated）

モジュレーターの次数がノイズ分布を決定します。図7は第1次、第2次、第3次モジュレーターを比較し、高次ほどDC付近でのノイズ減衰が増大することを示します。

図7: 第1次、第2次、第3次モジュレーターのノイズシェイピング能力（出典：Maxim Integrated）

デジタルデシメーションフィルタリング

ΔΣモジュレーターの後、デジタル/デシメーションフィルターが高周波ノイズを除去し、ADCの最終データレートF_Dを生成。フィルターのカットオフ周波数が出力サンプルレートを決定します。

完全なΔΣ ADCアーキテクチャ

図8は、モジュレーター、sincフィルター、FIRフィルター、入力マルチプレクサー、PGA、クロックジェネレーター、リファレンスマトリックスを組み込んだ完全なΔΣ ADCブロック図を示し、これらはすべて圧力と温度センシング向けに調整されています。

図8: 圧力・温度センサー入力を持つ完全なΔΣ ADCアーキテクチャ（出典：Maxim Integrated）

sincフィルターはシンプルなローパス形状を提供し、1次は1ワード期間でセトリング、4次（Sinc⁴）は4期間でセトリング。図9は3次sincフィルターの周波数応答を表示。

図9: 3次sincフィルター（Sinc³）の周波数応答（出典：Maxim Integrated）

sincフィルターの丸みを帯びた応答は実装をシンプルにしますが、特に商用電源干渉のシャープな除去にはFIRフィルターが好ましいです。図8のΔΣ ADCは、16サンプル/秒で動作しながら50/60 Hzノッチフィルターで90 dB超の除去を達成します。

MAX11410 ΔΣ ADCの主要性能指標：24ビット分解能、Sinc⁴フィルタリング、160 µA PT100 RTD励起、PGAゲイン128、入力範囲1.234 V～2.837 V、LSBサイズ0.039 µV_RMS、温度精度±100℃、RTD精度約4.7 µ℃/ビット。

まとめると、ΔΣ ADCを圧力、熱電対、RTDセンサーと統合することで、低ノイズ、精密な温度・圧力変換を単一デバイスで実現─石油、ガス、石油化学計測に不可欠です。設計の焦点はノイズ性能、入力マルチプレクシング、BOMコストに置くべきです。

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