LT2983

Цифровая система LTC2983: высокоточное измерение температуры

PDF версия
В статье представлен метод измерения температуры от восемнадцати двухпроводных датчиков, которое выполняется с помощью высокоточной цифровой системы LTC2983.

Микросхема высокоточной цифровой системы для измерения температуры LTC2983 может измерять температуру с использованием самых разнообразных датчиков и в цифровом формате выдавать результат в градусах Цельсия или Фаренгейта, с точностью 0,1 °C и разрешением в 0,001 °C. Система работает практически со всеми стандартными типами сенсоров — B, E, J, K, N, S, R, T или с термопарами пользователя, автоматически компенсирует температуру холодного спая и линеаризует результаты измерения. Данное устройство может измерять температуру со стандартными 2-, 3‑ или 4‑проводными резистивными датчиками температуры RTD (англ. RTD — resistance temperature detector), термисторами и диодами.

Для измерения температуры (рис. 1) всего одна микросхема LTC2983 может поддерживать до 18 двухпроводных RTD-датчиков. Как известно, каждое измерение датчика типа RTD предполагает одновременное считывание двух напряжений — на резисторе RSENSE и на соответствующем RTD-зонде последовательности (RTDх). Эти напряжения создаются протекающим через систему датчиков током IS. Каждое из напряжений является дифференциальным, и в LTC2983 приняты меры для эффективного подавления синфазных помех, при этом общее число последовательно включенных RTD-датчиков не оказывает отрицательного влияния на отдельные измерения.

Выбор типа RTD-датчика зависит от необходимой точности измерения температуры и требований по чувствительности и помехоустойчивости. Например, если выбраны датчики 2‑проводного типа и используются PT‑1000, то такая система может оказаться более устойчивой в присутствии паразитного сопротивления в подключенных проводах.

После того как выбран тип RTD, необходимо определить значения тока IS и номинал резистора RSENSE. Это нужно сделать так, чтобы напряжение на самом верхнем резисторе цепочки (имеется в виду напряжение на входе CH1) не превысило предельное значение максимально допустимого синфазного входного напряжения для микросхемы LTC2983 во всем диапазоне рабочих температур системы. Данное условие описывается следующим выражением:

Формула

где N = 1, 2…18.

Давайте рассмотрим систему, показанную на рис. 1, и примем следующие ограничения: напряжение питания — 5 В, все датчики RTD — это датчики типа PT‑100, а максимально ожидаемая температура — 150 °C. В таблицах 1 и 2 показано слово, описывающее назначение канала для каждого из PT‑100 зондов. Для получения большей информации обратитесь к разделу Channel Assignment Memory Map («Назначение каналов в карте распределения памяти») в техническом описании LTC2983. В этом примере датчик RTD1 подключается к каналу СН3, датчик RTD2 — к каналу СН4 и т. д.

Система измерения температуры для 18 RTD-датчиков, выполненная на LTC2983

Рис. 1. Система измерения температуры для 18 RTD-датчиков, выполненная на LTC2983

Таблица 1. Слово назначения канала RTD от CH2 до CH20

Функция

Битовое поле

Значение

Описание

Тип датчика

31:27

01100

PT-100

Канал подключения датчика

26:22

00010

CH2

Конфигурация датчика

21:18

0001

2-проводной

Ток через датчик

17:14

1000

1 мА

Характеристика зависимости сопротивления RTD от температуры

13:12

01

По американской кривой

Данные для RTD пользователя

Адрес

11:6

000000

Длина

5:0

000000

Таблица 2. Слово назначения канала резистора RSENSE

Функция

Битовое поле

Значение

Описание

Тип датчика

31:27

11101

Сенсорный резистор (29)

Номинал сенсорного резистора

Целое число

26:10

000000 1111101000

1 кОм

Дробная часть

9:0

0000000000

 

 

Время установления для последовательно включенных RTD-датчиков

После того как источник тока возбуждения включен, для завершения переходного процесса, связанного с зарядом эквивалентной суммарной емкости С через эквивалентный суммарный резистор R, ему требуется некоторое конечное время установления tS. Оно зависит от общего числа количества и номинала отдельных резисторов (RSENSE и суммарного сопротивления всех подключенных RTD) и конденсаторов на каждом входном узле. Верхняя граница tS может быть оценена путем укрупнения общего RC, но это дает чересчур пессимистичный результат. Другой способ получения tS — обращение к простой схеме, которую можно использовать для компьютерного моделирования (рис. 2).

Модель линии задержки для последовательно соединенных RTD-датчиков

Рис. 2. Модель линии задержки для последовательно соединенных RTD-датчиков

Результаты моделирования показаны на рис. 3. Здесь все конденсаторы выбраны номиналом 100 нФ, а номинал резистора RSENSE равен 1 кОм. Каждый график показывает время установления tS с точностью до 0,1% от величины напряжения на последнем RTD-датчике последовательности. Для каждого графика применялись RTD одного типа.

Результаты компьютерного моделирования времени установления для последовательности RTD-датчиков разных типов

Рис. 3. Результаты компьютерного моделирования времени установления для последовательности RTD-датчиков разных типов

По умолчанию для системы LTC2983 время задержки между включением источника тока возбуждения и началом преобразования АЦП tDELAY = 1 мс. Однако этого значения при использовании более чем двух датчиков PT‑100 в последовательно включенных RTD уже недостаточно (рис. 3).

Время tDELAY может быть увеличено установкой необходимого значения 0x0ff в регистре конфигурации MUX. По умолчанию регистр очищается. Каждая единица младшего разряда (LSB) регистра имеет значение, равное 100 мкс, и добавляется к заданному по умолчанию времени tDELAY. Для получения дополнительной информации о задержке MUX обратитесь к разделу Supplemental Information («Дополнительная информация») в техническом описании. Например, если вы написали 0х10 в 0x0ff, это приводит к следующему значению:

tDELAY = 1 мс+0×10×100 мкс = 2,6 мс.

Максимальное значение программируемой задержки составляет 26,5 мс, этого вполне достаточно для использования до шести датчиков типа PT‑1000, учитывая C = 100 нФ (рис. 3).

Время задержки tDELAY устанавливается для каждого отдельного цикла АЦП. Но поскольку каждое измерение RTD требует двух циклов АЦП, то общее время преобразования для всех RTD приблизительно будет равно:

tTOTAL = (2tDELAY +tCONV)N.

Когда tDELAY программируется пользователем, для этого в техническом описании дается значение tCONV. Оно приведено в таблице Complete System Electrical Characteristics («Полные электрические характеристики системы») как типовое значение в 164 мс, которое включает установленную по умолчанию задержку MUX, а N — это число RTD, которые должны быть опрошены и измерены.

 

Заключение

Система LTC2983 поддерживает до 18 двух-проводных RTD-датчиков, но при этом необходимо обязательно учитывать задержку установления, которую вносит RC системы. Задача может усложниться в зависимости от числа и типа используемых в каждом конкретном случае RTD-датчиков. Проблемы, вызванные задержкой, могут быть исследованы с помощью представленной в данной статье модели и компьютерного моделирования.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *