Plusieurs types de capteurs de température peuvent être employés dans les systèmes de mesure et de contrôle de la température. Le modèle à utiliser dépendra de la plage de valeurs de température à mesurer et de la précision requise. La précision d'un système de température dépend non seulement du capteur, mais encore des performances du convertisseur analogique-numérique (ADC) auquel il est connecté.
Un ADC à haute résolution est souvent obligatoire, car l'amplitude du signal transmis par le capteur est relativement faible, et celui-ci doit être converti avec une grande précision. Les ADC du type sigma-delta sont adaptés à ces systèmes, car ce sont des dispositifs à haute résolution. Ils possèdent en outre des circuits supplémentaires intégrés sur puce, tels que des courants d'excitation et des tampons de référence, qui sont obligatoires dans tout système de température. Cet article concerne les capteurs de température à résistance (Resistance Temperature Detectors, RTD) en montage 3 et 4 fils, qui sont les plus fréquemment utilisés. On peut y trouver une description des circuits nécessaires pour établir l'interface entre un capteur et un ADC, ainsi que des performances requises pour l'ADC.
RTD
Les RTD servent à mesurer des températures comprises entre -200C et +800C. Ils offrent une réponse linéaire sur l'ensemble de cette plage de températures. Les éléments normalement utilisés sur les RTD sont le nickel, le cuivre et le platine, mais les RTD à résistance de platine de 100 Ω et 1 000 Ω sont les plus courants. Un RTD peut utiliser un circuit à 2, 3 ou 4 fils, les modèles les plus courants étant ceux à 3 et 4 fils. Il s'agit de capteurs passifs qui nécessitent un courant d'excitation pour produire une tension de sortie. Les niveaux de tension de sortie de ces RTD varient de quelques dizaines à plusieurs centaines de millivolts, selon le modèle choisi.
Interface et composants des RTD à 3 fils
La Figure 1 montre un système RTD à 3 fils. L'AD7124-4/AD7124-8 d'ADI est une solution intégrée pour la mesure par RTD qui contient tous les composants dont le système a besoin. Pour garantir la pleine optimisation de ce système, deux sources de courant appariées de façon identique sont nécessaires. Ces deux sources de courant sont utilisées pour annuler les erreurs dues à la résistance de ligne des fils RL1 et RL2 du RTD. Un courant d'excitation circule à travers la résistance de référence de précision RREF et le RTD. Le second courant circule à travers RL2 pour créer une tension qui annule la chute de tension à travers RL1. La tension générée à travers la résistance de référence de précision sert de tension de référence REFIN1 (±) à l'ADC. Étant donné qu'un seul courant d'excitation est utilisé pour générer à la fois la tension de référence et la tension à travers le RTD, la précision, la désadaptation et la dérive de désadaptation de la source de courant ont un effet négligeable sur la fonction de transfert globale de l'ADC. L'AD7124-4/AD7124-8 fournit un éventail de courants d'excitation permettant à l'utilisateur d'ajuster le système de façon à utiliser la majeure partie de la plage d'entrée de l'ADC, ce qui se traduit par une amélioration des performances.
La tension de sortie niveau faible du RTD a besoin d'être amplifiée, afin d'utiliser la majeure partie de la plage d'entrée de l'ADC. L'amplificateur de gain programmable de l'AD7124-4/AD7124-8 peut être ajusté entre 1 et 128, ce qui permet au client de faire un compromis entre la valeur du courant d'excitation d'une part et le gain et la performance d'autre part. Un filtrage est requis entre le capteur et l'ADC pour assurer un rôle anti-repliement et de compatibilité électromagnétique (EMC). Les tampons de référence permettent des valeurs illimitées pour les composants R et C du filtre, ce qui signifie que ces composants n'ont aucun effet sur la précision de la mesure.
Un étalonnage du système est également obligatoire pour éliminer les erreurs de gain et d'échelle. La Figure 1 montre l'erreur de température mesurée pour ce RTD de classe B à 3 fils après un étalonnage interne du zéro et pleine échelle, l'erreur globale étant nettement inférieure à ±1 ºC.
Le fait d'avoir la résistance de référence de précision du côté haute tension du RTD fonctionne également bien pour les systèmes utilisant un seul RTD. Lorsque plusieurs RTD sont nécessaires, la résistance de précision doit être placée du côté basse tension, de façon à ce que la résistance de référence soit partagée entre les différents capteurs RTD. Dans ce montage, une meilleure désadaptation et une meilleure dérive de désadaptation du courant d'excitation sont nécessaires. Pour minimiser les erreurs dues aux désadaptations dans les sources de courant d'excitation, deux techniques différentes peuvent être utilisées :
1) Mesurer les deux courants individuels en utilisant les fonctions de connexion transversale de multiplexage de l'AD7124-4/AD7124-8, la résistance de référence de précision et la référence de faible dérive interne de l'ADC.
2) Utiliser une technique de hachage pour permuter les courants des différents côtés du RTD et prendre la moyenne des deux résultats pour le calcul global de la température.
Figure 1. Système de mesure de température RTD à 3 fils
Interface et composants des RTD à 4 fils
La mesure des RTD à 4 fils ne requiert qu'une seule source de courant d'excitation. La Figure 2 montre un système RTD à 4 fils. Comme dans le cas du système RTD à 3 fils, l'entrée de référence utilisée est REFIN1(±), et les tampons de référence sont activés pour permettre un filtrage anti-repliement ou EMC illimité. Le courant à travers le RTD circule également à travers la résistance de référence de précision RREF, qui est utilisée pour générer la tension de référence de l'ADC. Cette configuration donne lieu à une mesure ratiométrique entre la tension de référence et la tension générée à travers le RTD. La configuration ratiométrique évite que les variations du courant d'excitation aient une quelconque influence sur la précision globale du système. La Figure 2 montre l'erreur de température pour un RTD de classe B à 4 fils après étalonnage interne du zéro et pleine échelle. Comme dans le cas de la configuration à 3 fils, l'erreur globale enregistrée est nettement inférieure à ±1 ºC.
Exigences relatives aux ADC
Dans les systèmes de température, les mesures sont principalement réalisées à faible vitesse (généralement un maximum de 100 échantillons par seconde). Pour cette raison, l'ADC doit être à faible bande passante, mais il doit aussi avoir une haute résolution. Les ADC sigma-delta sont adaptés à ces applications, dans la mesure où des ADC à faible bande passante et haute résolution peuvent être développés à partir de l'architecture S-D.
Avec les convertisseurs sigma-delta, l'entrée analogique est échantillonnée de façon continue, la fréquence d'échantillonnage étant très supérieure à la bande de fréquences ciblée. Ils utilisent également une distorsion qui repousse le bruit en dehors de la bande de fréquences ciblée, dans une zone non employée dans le processus de conversion, ce qui réduit encore plus le bruit dans cette bande. Le filtre numérique atténue tous les signaux qui n'appartiennent pas à la bande de fréquences ciblée.
Le filtre numérique montre des images à la fréquence d'échantillonnage et aux valeurs multiples de celle-ci. Pour cette raison, des filtres anti-repliement externes sont obligatoires. Quoi qu'il en soit, compte tenu du sur-échantillonnage, un simple filtre RC du premier ordre est suffisant dans la plupart des applications. L'architecture S-D permet des ADC de 24 bits pouvant développer une résolution p-p de jusqu'à 21,7 bits (21,7 bits stables ou sans clignotement).
Filtrage (Rejet 50 Hz / 60 Hz)
Hormis sa capacité à rejeter le bruit tel qu'indiqué précédemment, le filtre numérique est également utile pour rejeter les fréquences 50 Hz/ 60 Hz. Des interférences se produisent à 50 ou 60 Hz lorsque les systèmes sont alimentés par le secteur. En Europe, l'alimentation secteur génère des fréquences à 50 Hz et ses multiples, et aux États-Unis, à 60 Hz et ses multiples. Les ADC à faible bande passante utilisent principalement des filtres sinus-cardinal qui peuvent être programmés pour configurer des bandes d'arrêt étroites à 50 Hz et/ou 60 Hz ainsi qu'aux multiples de ces valeurs, ce qui permet ainsi de rejeter les fréquences 50/60 Hz et leurs multiples. Il existe un besoin croissant de rejeter les fréquences 50/60 Hz à l'aide de méthodes de filtrage à faible temps de stabilisation. Dans un système multicanaux, l'ADC réalise dans l'ordre une conversion sur chacun des canaux actifs. Lorsqu'un canal est sélectionné, un temps de stabilisation doit s'écouler avant de générer une conversion valide. Le nombre de canaux convertis sur un intervalle de temps donné augmente lorsque le temps de stabilisation diminue. L'AD7124-4/AD7124-8 est pourvu de post-filtres ou de filtres FIR qui effectuent un rejet simultané des fréquences 50/60 Hz à des temps de stabilisation inférieurs à ceux d'un filtre sinus-cardinal3 ou sinus-cardinal4. La Figure 3 montre l'option à un filtre numérique : ce post-filtre possède un temps de stabilisation de 41,53 ms et fournit un taux de rejet simultané de 62 dB aux fréquences 50/60 Hz.
Figure 3. Réponse de fréquence, post-Filtre, 25 éch./s a) CC à 600 Hz, b) 40 Hz à 70 Hz
Autres exigences relatives aux ADC :
Alimentation
Le courant consommé par un système dépend de son application finale. Dans certaines applications industrielles, comme la surveillance de la température dans les usines, le système complet de température contenant le capteur, l'ADC et le microcontrôleur sont implantés sur une carte autonome alimentée par une boucle 4-20 mA. Ainsi, la carte autonome possède une capacité de courant maximale de 4 mA. Sur les appareils portatifs comme les analyseurs de gaz, employés pour détecter les gaz présents dans les mines, la température doit être mesurée tout au long de l'analyse. Ces équipements sont alimentés par des batteries, l'objectif étant d'optimiser leur durée de vie. Dans ce type d'applications, une faible consommation est essentielle, mais les hautes performances restent obligatoires. Dans les applications de contrôle de processus, la capacité de courant autorisée pour le système est normalement plus grande. Dans ce genre d'application, il peut être exigé de traiter un plus grand nombre de canaux pendant un intervalle de temps donné tout en garantissant un certain niveau de performance. L'AD7124-4/AD7124-8 propose trois modes de consommation que l'utilisateur peut sélectionner à travers 2 bits dans l'un de ses registres. Le mode de consommation choisi détermine la plage des taux de données de sortie en fonction du courant consommé par les blocs analogiques sur puce. Ainsi, la pièce peut fonctionner en mode de consommation moyenne ou faible dans le cas des systèmes alimentés par une boucle ou une batterie. Dans les systèmes de contrôle de procédés, la pièce peut être ajustée en mode pleine puissance, une consommation de courant supérieure se traduisant par une amélioration des performances.
Diagnostics
Les diagnostics sont de plus en plus importants dans les applications industrielles. Les exigences typiques en matière de diagnostics sont les suivantes :
- Surveillance alimentation / tension de référence / entrée analogique
- Détection de charge ouverte
- Tests de conversion / étalonnage
- Test de la fonctionnalité de la chaîne des signaux
- Surveillance des opérations de lecture/écriture
- Surveillance du contenu du registre
Dans le cas des systèmes conçus pour les applications à sécurité intégrée, les diagnostics sur puce permettent au client d'économiser en temps de conception, en espace occupé par les composants externes sur la carte et en coût. Une pièce comme l'AD7124-4/AD7124-8 effectue les diagnostics précédents. L'analyse des modes de défaillance, de leurs effets et de leur criticité (AMDEC) sur une application de mesure de température typique utilisant ce dispositif a montré une proportion de défaillance en sécurité (SFF) supérieure à 90 % conformément à la norme CEI 61508. Normalement, deux ADC sont nécessaires pour fournir un tel niveau de couverture.
Conclusion
Les exigences relatives aux ADC et aux systèmes destinés aux dispositifs de mesure de température sont assez contraignantes. Les signaux analogiques générés par ces capteurs sont faibles, et doivent être amplifiés par un étage de gain ayant un faible bruit pour s'assurer que celui-ci n'empiète pas sur le signal du capteur. En aval de l'amplificateur, un ADC à haute résolution est obligatoire pour convertir le faible signal transmis par le capteur en informations numériques. Les ADC qui utilisent une architecture sont adaptés à ce type d'application, dans la mesure où des ADC à haute résolution, de haute précision, peuvent être développés à partir de ces architectures. Mis à part un ADC et un étage de gain, un système de température a besoin d'autres composants tels que des courants d'excitation et des tampons de référence. Finalement, c'est l'application finale qui détermine la capacité de courant autorisée pour le système. Les systèmes portatifs ou alimentés par boucle doivent utiliser des composants à faible consommation. Et la marge de consommation de courant par composant sera d'autant plus réduite dans les systèmes à sécurité intégrée qui exigent une redondance. Dans les systèmes tels que les modules d'entrée, le besoin d'un certain niveau de performance aux plus hauts débits conduit à une augmentation de la densité des canaux. L'emploi d'un dispositif à plusieurs modes de consommation facilite la tâche à l'utilisateur, dans la mesure où un même ADC peut être conçu pour plusieurs systèmes finaux, ce qui réduit ainsi le temps de conception.
Cet article fourni par Analog Devices a été rédigé par Mary McCarthy et Aine McCarthy.