温度測定および制御システムで使用できる温度センサーにはいくつかの種類があります。使用する適切な温度センサーは、測定対象の温度範囲と必要な精度によって異なります。温度システムの精度は、センサーとともに、センサーがインターフェースされるアナログ-デジタル コンバーター (ADC) のパフォーマンスに依存します。
センサーからの信号の大きさは非常に小さく、非常に正確に変換する必要があるため、多くの場合、高解像度のADCが必要になります。 シグマデルタADCは高解像度デバイスであるため、これらのシステムに適しています。 また、温度システムに必要な励起電流や基準バッファなどの追加回路もオンチップに組み込まれています。 この記事では、一般的に使用されている3線式および4線式の抵抗温度検出器 (RTD) について説明します。 センサーをADCに接続するために必要な回路と、ADCに必要なパフォーマンス要件について説明します。
RTD
RTDは、-200 ℃ ～ +800 ℃ の範囲の温度を測定するのに役立ち、この温度範囲でほぼ線形応答を示します。 RTDに使用される一般的な要素はニッケル、銅、プラチナであり、100 Ω および1000 Ω のプラチナRTDが最も一般的です。 RTDは2本、3本、または4本のワイヤで構成されており、最も一般的に使用されるのは3線式と4線式です。これらは出力電圧を生成するために励起電流を必要とするパッシブ センサーです。 このようなRTDの出力電圧レベルは、選択したRTDに応じて数十ミリボルトから数百ミリボルトまで変化します。
3線式RTDインターフェースとビルディングブロック
図1は3線式RTDシステムを示しています。 AD7124-4/AD7124-8は、システムに必要なすべての構成要素を含む、ADIのRTD測定用の統合ソリューションです。このシステムを完全に最適化するには、同一にマッチングした2つの電流源が必要です。これら2つの電流源は、RTDのRL1とRL2によって生成されるリード抵抗誤差をキャンセルするために使用されます。 1つの励起電流は高精度基準抵抗器RREFとRTDの両方を流れ、2番目の電流はリード抵抗RL2を流れ、RL1の両端の電圧降下を打ち消す電圧を発生させます。高精度基準抵抗器で生成された電圧は、ADCへの基準電圧REFIN1(±) として使用されます。1つの励起電流を使用して基準電圧とRTD両端の電圧の両方を生成するため、電流源の精度、不一致、および不一致ドリフトは、ADCの全体的な伝達関数に最小限の影響しか与えません。 AD7124-4/AD7124-8では励起電流値の選択肢が提供されており、ユーザーはシステムを調整してADC入力範囲のほとんどを使用し、パフォーマンスを向上させることができます。
RTDからの低レベル出力電圧は、ADCの入力範囲のほとんどが使用されるように増幅する必要があります。AD7124-4/AD7124-8のPGAはゲイン1 ～ 128の範囲でプログラム可能で、励起電流値とゲインおよびパフォーマンスのバランスを取ることができます。アンチエイリアシングとEMCの目的のため、センサーとADCの間にフィルタリングが必要です。リファレンス バッファでは、フィルタのRコンポーネントとCコンポーネントに無制限の値が許可されます。つまり、これらのコンポーネントは測定の精度に影響を与えません。
ゲインおよびオフセット エラーを排除するために、システムではキャリブレーションも必要です。図1は、内部ゼロスケールおよびフルスケールのキャリブレーション後にこの3線式クラスB RTDで測定された温度誤差を示しています。全体的な誤差は1º Cを大幅に下回っています。 ±
RTDのハイサイドに高精度基準抵抗器を配置すると、単一のRTDを使用するシステムに適しています。複数のRTDが必要な場合は、高精度抵抗器を低圧側に配置し、基準抵抗器をすべてのRTDセンサー間で共有する必要があります。この実装には、より優れた励起電流のマッチングとマッチングドリフトが必要です。 励起電流源の不一致による誤差を最小限に抑えるには、次の2つの手法を使用できます。
1) AD7124-4/AD7124-8のクロス マルチプレクサ機能、高精度リファレンス抵抗、およびADCの内部低ドリフト リファレンスを使用して、2つの個別の電流を測定します。
2) システム チョッピングを実行して、RTDの異なる側に電流を入れ替え、2つの結果の平均を温度の全体的な計算に使用します。
図1. 3線式RTD温度システム
4線式RTDインターフェースとビルディングブロック
4線式RTD測定には、励起電流源が1つだけ必要です。図2は、4線式RTDシステムを示しています。3線式RTDシステムと同様に、使用されるリファレンス入力はREFIN1(±) であり、リファレンス バッファが有効になっているため、無制限のアンチエイリアシングまたはEMCフィルタリングが可能になります。RTDを流れる電流は、ADCの基準電圧を生成するために使用される高精度基準抵抗器RREF にも流れます。この構成により、基準電圧とRTDで生成される電圧の間の比率測定が行われます。レシオメトリック構成により、励起電流値の変動がシステム全体の精度に影響を与えないことが保証されます。図2は、内部ゼロスケールおよびフルスケール校正後の4線式クラスB RTDで測定されたRTD温度誤差を示しています。3線式構成と同様に、記録された全体的な誤差は1º Cよりはるかに小さくなります。 ±
ADC要件
温度システムの場合、測定は主に低速です（通常、1秒あたり最大100サンプル）。したがって、低帯域幅のADCが必要です。ただし、ADCは高解像度である必要があります。シグマデルタADCは、S-Dアーキテクチャを使用して低帯域幅で高解像度のADCを開発できるため、これらのアプリケーションに適しています。
シグマデルタコンバーターでは、アナログ入力が連続的にサンプリングされ、サンプリング周波数は対象帯域よりもかなり高くなります。また、ノイズ シェーピングを使用して、対象帯域のノイズを変換プロセスで使用されていない領域に押し出し、対象帯域のノイズをさらに低減します。デジタル フィルターは、対象帯域外の信号を減衰します。
デジタル フィルターには、サンプリング周波数とサンプリング周波数の倍数での画像があります。したがって、いくつかの外部アンチエイリアシング フィルターが必要になります。ただし、オーバーサンプリングのため、ほとんどのアプリケーションでは単純な1次RCフィルターで十分です。S-Dアーキテクチャにより、最大21.7ビットのp-p解像度 (21.7ビットの安定またはちらつきのないビット) を備えた24ビットADCを開発できます。
フィルタリング（50 Hz / 60 Hz除去）
前述のようにノイズを除去するだけでなく、デジタル フィルターは50/60 Hzの除去にも役立ちます。システムが主電源から動作している場合、50 Hzまたは60 Hzで干渉が発生します。ヨーロッパでは50Hzとその倍数の主電源周波数があり、米国では60Hzとその倍数の主電源周波数があります。低帯域幅ADCは主に、50Hzおよび/または60Hz、ならびに50Hzと60Hzの倍数でノッチを設定するようにプログラムできるsincフィルターを使用し、50/60Hzとその倍数で除去を提供します。低い安定時間のフィルタリング方法を使用して50/60 Hz除去を提供する必要性が高まっています。マルチチャネル システムでは、ADCは有効なすべてのチャネルを順番に処理し、各チャネルで変換を生成します。チャネルが選択されると、有効な変換を生成するためにフィルターの安定化時間が必要になります。セトリング時間が短縮されると、一定時間内に変換されるチャネルの数が増加します。AD7124-4/AD7124-8には、sinc3 またはsinc4 フィルタに比べて低いセトリング時間で50/60 Hzの同時除去を提供するポスト フィルタまたはFIRフィルタが含まれています。図3は、デジタル フィルタのオプションの1つを示しています。このポスト フィルタは、安定時間が41.53 msで、50/60 Hzの同時除去が62 dBです。
図3. 周波数応答、ポストフィルタ、25 sps a) DC ～ 600 Hz、b) 40 Hz ～ 70 Hz
その他のADC要件:
力
システムで消費される電流は、最終アプリケーションによって異なります。工場の温度監視などの一部の産業用アプリケーションでは、センサー、ADC、マイクロコントローラーを含む完全な温度システムが、4～20 mAループから電力を供給されるスタンドアロン ボードに含まれています。したがって、スタンドアロン ボードの電流バジェットは最大4 mAです。鉱山内のガスを分析するために使用されるガス分析装置などのポータブル機器では、ガス分析とともに温度を測定する必要があります。これらのシステムはバッテリーで動作し、バッテリーの寿命を最大限に延ばすことを目的としています。これらのアプリケーションでは、低電力が不可欠ですが、高性能も必要です。プロセス制御アプリケーションでは、通常、システムにさらに多くの電流を許可できます。このタイプのアプリケーションでは、一定レベルのパフォーマンスを達成しながら、一定期間内により多くのチャネル数をシーケンス処理することが求められる場合があります。AD7124-4/AD7124-8には3つの電源モードがあり、レジスタの1つにある2ビットを使用してユーザーが選択できます。選択した電力モードによって、出力データ レートの範囲と、オンチップのアナログ ブロックで消費される電流が決まります。したがって、この部品は、ループ電源またはバッテリ電源システムにおいて中電力モードまたは低電力モードで動作できます。プロセス制御システムでは、部品をフルパワー モードで動作させることができ、電流消費量が増えるとパフォーマンスが向上します。
診断
診断は産業用アプリケーションにおいてますます重要になっています。一般的な診断要件は次のとおりです。
- 電源 / 基準電圧 / アナログ入力の監視
- 断線検出
- 変換 / キャリブレーション チェック
- 信号チェーンの機能チェック
- 読み取り / 書き込みの監視
- レジスタ コンテンツの監視
フェイルセーフ アプリケーション用に設計されているシステムの場合、オンチップ診断により、設計時間、外部コンポーネント、ボード スペース、コストが節約されます。AD7124-4/AD7124-8などの部品には上記の診断機能が含まれています。このデバイスを使用した一般的な温度アプリケーションの故障モード影響および診断分析 (FMEDA) では、IEC 61508に従って90% を超える安全故障率 (SFF) が示されています。通常、このレベルのカバレッジを提供するには、従来のADCが2つ必要です。
結論
温度測定システムのADCとシステム要件は非常に厳格です。 これらのセンサーによって生成されるアナログ信号は小さいため、ゲイン ステージのノイズがセンサーからの信号を圧倒しないように、ノイズの少ないゲイン ステージで増幅する必要があります。 アンプの後には、センサーからの低レベル信号をデジタル情報に変換できるように、高解像度のADCが必要です。 シグマデルタアーキテクチャを使用するADCは、高解像度、高精度のADCを開発できるため、このようなアプリケーションに適しています。 温度システムには、ADCとゲイン ステージに加えて、励起電流やリファレンス バッファなどの他のコンポーネントも必要です。 最後に、最終アプリケーションによって、システムに許可される現在の予算が決まります。ポータブル システムやループ電源システムでは低電力コンポーネントを使用する必要があり、フェイルセーフ システムに冗長性が組み込まれているため、コンポーネントあたりの電流消費許容量がさらに減少します。入力モジュールなどのシステムでは、より高いスループットで一定レベルのパフォーマンスが求められ、チャネル密度が増加します。複数の電源モードを備えたデバイスを使用すると、1つのADCを複数のエンド システムに設計できるため、設計時間が短縮され、ユーザーの負担が軽減されます。
この記事はAnalog Devicesから提供され、Mary McCarthyとAine McCarthyによって執筆されました。