Obtenga mediciones de temperatura multicanal de alta precisión, independientemente del entorno

Aunque medir la temperatura es un requisito común para muchas aplicaciones, los desarrolladores se enfrentan a desafíos significativos para garantizar resultados altamente precisos. Superar estos desafíos a menudo conduce a diseños complejos y ciclos de diseño extendidos, pero los nuevos dispositivos están reduciendo la complejidad.

Este artículo analiza brevemente los requisitos y desafíos de medición de temperatura asociados con el desarrollo de soluciones precisas. Luego, el artículo presenta el sensor de temperatura LTC2986-1 de Linear Technology, describe cómo enfrenta esos desafíos y concluye con una demostración de cómo los desarrolladores pueden aprovechar esas características en aplicaciones típicas con varios sensores de temperatura, incluidos termopares, RTD y termistores.

Requisitos y técnicas de medición de temperatura

Al construir sistemas sólidos de medición de temperatura, los diseñadores recurren a una variedad de tipos de sensores para cumplir con sus requisitos específicos de costo, precisión y rango de temperatura. Entre los tipos de sensores, los termopares se usan comúnmente en ambientes hostiles con su capacidad de medir temperaturas tan bajas como -265 °C y hasta de más de 1800 °C.

Los termopares generan un voltaje que es una función de la diferencia de temperatura entre la punta y su soldadura en frío: el extremo de dos cables utilizados para crear el termopar. Como resultado, la precisión general de la medición depende de la medición precisa tanto del voltaje del termopar como de la soldadura en frío.

Mientras que los termopares generan gradientes de voltaje debido al efecto Seebeck, otros sensores de temperatura comunes, incluidos los detectores de temperatura de resistencia (RTD), los termistores e incluso los diodos, requieren una corriente de excitación para producir una salida de voltaje dependiente de la temperatura. Como dispositivos resistivos, los RTD y los termistores requieren, además, una resistencia de detección de precisión colocada en serie con la fuente de corriente de excitación. La resistencia de detección crea una red de resistencia con el dispositivo resistivo para la medición radiométrica del voltaje a través del sensor. Finalmente, para cada tipo de sensor, los desarrolladores deben aplicar métodos apropiados para convertir los resultados medidos en datos de temperatura linealizados mediante tablas de búsqueda o ecuaciones.

Además de lidiar con el sensor, los desarrolladores enfrentan múltiples desafíos para garantizar el funcionamiento adecuado del sistema de medición de temperatura. Generalmente, los sensores de temperatura se colocan en ubicaciones expuestas a condiciones difíciles en fábricas, entornos comerciales, edificios y hogares, donde las aplicaciones requieren la capacidad de medir los gradientes de temperatura en el flujo de aire o fluido. En aplicaciones industriales, los tramos de cables largos entre el sensor y las entradas del sistema de medición los exponen a ruido eléctrico, desgaste y fuentes de voltaje externas que pueden dañar tanto los sensores como sus sistemas de medición.

Los ingenieros emplean una variedad de métodos para hacer frente a los diversos factores que pueden afectar el rendimiento en los sistemas de medición de temperatura. A medida que aumenta la necesidad de contar con un mayor número de sensores de temperatura, los enfoques tradicionales suelen dar como resultado una mayor complejidad de diseño que incrementa los costos de implementación y mantenimiento. El LTC2986-1 de Linear Technology enfrenta estos desafíos y brinda mediciones de temperatura precisas de múltiples sensores con un mínimo esfuerzo por parte del desarrollador.

Reducción de la complejidad

Diseñado para simplificar el diseño, el LTC2986-1 de Linear Technology es un sistema de medición de temperatura multicanal con soporte incorporado para la mayoría de los tipos de sensores, incluidos termopares, RTD, termistores, diodos y sensores de temperatura analógicos activos. Debido a que este dispositivo integra rutas de señal completas, conversión, linealización y otras características, los desarrolladores pueden implementar diseños de medición de temperatura altamente precisos con pocos componentes adicionales más allá de los sensores de temperatura en sí (Figura 1). Aunque los miembros anteriores de la serie, como el LTC2984 de Linear Technology, ofrecen más canales de entrada, el LTC2986-1 proporciona modos de funcionamiento adicionales que permiten soluciones únicas para mejorar la precisión, tal como se describe a continuación.

Figura 1: Los diseñadores pueden conectar una amplia variedad de sensores de temperatura al LTC2986-1 de Linear Technology; este proporciona diez canales de entrada, fuentes de corriente programables, tablas de linealización integrada y capacidades de detección de fallas. (Fuente de la imagen: Linear Technology)

Para RTD, termistores y diodos, el dispositivo genera automáticamente corriente de excitación a niveles específicos, mide el voltaje del sensor resultante y genera un resultado linealizado en °C o °F. El LTC2986-1 viene preprogramado con datos de conversión y linealización para la mayoría de los RTD y los termistores. De manera similar, el dispositivo está preconfigurado para casi todos los termopares estándar y admite la compensación por soldadura en frío mediante RTD, termistores, diodos o sensores de temperatura analógicos activos. Para la medición de la temperatura, el dispositivo resuelve automáticamente las ecuaciones polinomiales implicadas en la conversión del voltaje de salida del termopar y las mediciones de la soldadura en frío en una lectura de temperatura útil. Para requisitos de conversión más generales, los desarrolladores pueden usar los convertidores de analógico a digital (ADC) del LTC2986-1 para realizar mediciones de voltaje diferencial o de extremo único, generar resultados de voltaje en bruto o convertir resultados usando una tabla de búsqueda programable.

Además de los datos para dispositivos estándar de la industria, el dispositivo se puede usar con RTD, termopares, diodos, sensores activos y termistores personalizados. Para los dispositivos personalizados, los desarrolladores cargan la memoria con una tabla de búsqueda que contiene hasta 64 puntos de datos que representan los valores de salida del sensor frente a la temperatura. Para los termistores personalizados, los desarrolladores también pueden cargar directamente el dispositivo con hasta seis de los coeficientes de Steinhart-Hart que suelen proporcionar los fabricantes de termistores. Al igual que con los datos incorporados para los sensores estándar, el dispositivo utiliza estos coeficientes y tablas de búsqueda personalizados para la interpolación de temperatura final durante el proceso de conversión, así como para la detección de fallas blandas (Figura 2).

Figura 2: El LTC2986-1 de Linear Technology puede usar tablas de búsqueda creadas por el desarrollador para dispositivos personalizados, lo que genera fallas automáticamente cuando los valores de entrada quedan fuera del rango de datos de entrada proporcionados. (Fuente de la imagen: Linear Technology)

Precisión y protección mejoradas

Para el proceso de conversión, el dispositivo usa ciclos múltiples para proporcionar una mayor precisión. Durante un funcionamiento normal, el dispositivo usa dos ciclos de conversión para compensar los errores de desviación y el ruido antes de producir el resultado de la temperatura final. Los desarrolladores también pueden usar el dispositivo en un modo de tres ciclos, lo que proporciona algunos beneficios a costa de una medición más lenta: aproximadamente 251 milisegundos (ms) en el modo de tres ciclos frente a aproximadamente 167 ms en el modo de dos ciclos.

En el modo de tres ciclos, el dispositivo puede realizar la detección de circuito abierto al generar un pulso de corriente en el primer ciclo, seguido por el proceso de conversión de dos ciclos regular. Si el dispositivo detecta una gran tensión durante los ciclos de conversión subsiguientes, establecerá un bit de estado para reportar una falla grave, lo que indica un posible termopar o cable roto. Además, el dispositivo puedereportar una cantidad de condiciones de falla diferentes, más allá de las fallas duras de los circuitos abiertos (Figura 3).

Figura 3: El LTC2986-1 de Linear Technology genera fallas duras y blandas para todas las lecturas del sensor, con resultados adicionales para las mediciones de soldadura en frío asociadas con los sensores de termopar, como se muestra aquí. (Fuente de la imagen: Linear Technology)

Además de proteger las aplicaciones de las fallas del sensor, los desarrolladores suelen emplear técnicas de diseño destinadas a proteger el sistema de medición en sí. Los sensores de temperatura a menudo se utilizan en entornos hostiles. A menudo, los sensores como los termopares no están blindados, por lo que representan un camino conductivo fácilmente accesible a la entrada del sistema de medición. Incluso con sensores encapsulados como RTD o termistores, los cables pueden dañarse y generar la posibilidad de que los conductores puedan sufrir un cortocircuito a altos voltajes o entre sí. Por último, incluso los operadores y técnicos cuidadosos pueden hacer conexiones de cable incorrectas sin querer, particularmente en aplicaciones diseñadas para funcionar con conexiones de hardware universales para diferentes tipos de sensores.

Para ayudar a proteger el sistema de medición de las condiciones de sobrevoltaje, los desarrolladores colocan generalmente resistencias que limitan la corriente entre el sensor y el canal de entrada en el sistema de medición. Normalmente, los diseñadores agregan capacitores para crear un filtro de paso bajo para atenuar las fuentes de ruido. Estos filtros pueden extender el tiempo de estabilización, lo que es particularmente problemático en métodos que usan impulsos de corriente de excitación, como en el proceso de conversión del LTC2986-1 descrito anteriormente. Además de las complicaciones derivadas del tiempo de estabilización, el uso de resistencias de protección puede afectar la precisión de la medición.

El LTC2986-1 proporciona características y modos de operación diseñados específicamente para mitigar los efectos secundarios adversos de las resistencias de protección. Por ejemplo, para contrarrestar el tiempo de estabilización ampliado debido a filtros más grandes en las entradas del dispositivo, los desarrolladores pueden programar retardos adicionales en el tiempo de conmutación del multiplexor de entrada del dispositivo. Lo que proporciona quizás un mayor impacto en los resultados es que los modos únicos del dispositivo para la corriente de excitación enfrentan el problema más fundamental de la resistencia en serie aumentada asociada con las resistencias de protección.

Aunque son críticas para la seguridad, las resistencias de protección son particularmente problemáticas para cualquier dispositivo resistivo, como un termistor o RTD. En un dispositivo resistivo de dos terminales, la adición de una resistencia de protección afecta la medición de voltaje a medida que la corriente de excitación fluye a través de la resistencia en serie adicional del componente de protección. Debido a que los sensores son resistencias, los desarrolladores generalmente se enfrentan al desafío de separar la resistencia del sensor de la resistencia en serie adicional asociada con las resistencias de protección y sus conductores.

Para abordar este problema, los ingenieros han empleado RTD de 3 cables, mediante el uso de la resistencia entre uno de los terminales RTD y el cable adicional para medir la resistencia del conductor. Por supuesto, este enfoque requiere un emparejamiento cuidadoso de la longitud del conductor y la resistencia en serie para garantizar la precisión. Para evitar el problema de emparejamiento, una solución aún mejor emplea detección de 4 cables o Kelvin, mediante el uso de una resistencia en cada terminal (Figura 4).

Figura 4: Un RTD de 4 cables convencional permite que la corriente evite las resistencias en serie utilizadas para proteger los canales de medición (CH3 y CH4 aquí), por lo que el error de medición es limitado debido a la corriente de fuga muy baja que pasa a través de esos canales. (Fuente de la imagen: Linear Technology)

En esta configuración, la corriente sigue una ruta (CH1 a CH5 en la Figura 4) que no involucra las resistencias de protección en serie en los canales de medición (CH3 y CH4). Cualquier corriente que fluya a través de los canales de medición está limitada a la corriente de fuga del dispositivo. Debido a que la corriente de fuga de entrada para el LTC2986-1 es inferior a 1 nanoamperio (nA), los errores de medición asociados suelen estar muy por debajo de los niveles de resolución requeridos.

Sin embargo, con el LTC2986-1 este enfoque no se limita a RTD de 4 cables. Los ingenieros pueden configurar el dispositivo para realizar detección Kelvin con RTD de 3 cables, RTD de 2 cables y termistores.

Para cada uno de estos tipos de sensores, el LTC2986-1 proporciona un modo de excitación único que utiliza un canal adyacente para la ruta de la corriente. Para implementar este modo, los desarrolladores conectan una resistencia de protección adicional entre cada terminal de sensor y una entrada LTC2986-1 por separado. Luego, habilitan esta ruta de corriente adicional simplemente mediante el establecimiento de un bit en el registro de configuración del LTC2986-1 y la configuración de los canales de entrada de manera apropiada (Figura 5). Al igual que con un dispositivo de 4 cables más convencional, la corriente de excitación evita el canal de medición, lo que, por consiguiente, reduce el error de medición.

Figura 5: Los desarrolladores pueden configurar el LTC2986-1 de Linear Technology para que use un canal adyacente para la ruta de corriente de excitación, y proporcionar así los beneficios de la detección Kelvin a los RTD de 2 cables y termistores. (Fuente de la imagen: Linear Technology)

Independientemente de si los diseñadores usan este modo de excitación alternativo o no, aún deben seguir un protocolo básico para configurar los sensores con el LTC2986-1. Para implementar conexiones de sensores, deben asignar canales y cargar ubicaciones de memoria asociadas con los datos de configuración del sensor (Figura 6). Estos datos de asignación de canal residen en ubicaciones secuenciales en RAM, con una correspondencia uno a uno con cada uno de los diez canales de entrada del dispositivo. Una vez programada la memoria RAM, los desarrolladores pueden conservar la configuración en la memoria programable y borrable de sólo lectura (EEPROM) incorporada del dispositivo para su restauración luego de los siguientes ciclos de pérdida de potencia o reposo.

Figura 6: Para configurar el LTC2986-1 de Linear Technology, los desarrolladores crean bloques de datos de asignación de canal que contienen detalles del sensor asociado. (Fuente de la imagen: Linear Technology)

Dentro de cada bloque de datos de asignación de canal en la memoria, los desarrolladores definen los detalles de la configuración del sensor, incluidos los valores predefinidos para el tipo de sensor, el canal, la configuración del sensor, la corriente de excitación y la información de conversión estándar o personalizada. Se muestra el mapa de memoria para un dispositivo, el RTD PT-100, en la esquina superior izquierda de la Figura 6 (Figura 7).

Figura 7: Los datos de asignación de canal contienen detalles de configuración sobre cada sensor; aquí se muestra el mapa de memoria asociado con el RTD PT-100, que aparece en la esquina superior izquierda de la Figura 6. (Fuente de la imagen: Linear Technology)

La configuración de los mapas de memoria apropiados para cada canal en un complejo sistema de temperatura multisensor requiere una cuidadosa atención a cada detalle. Debido a que el dispositivo tiene soporte integrado para una amplia gama de sensores y tipos de sensores, los desarrolladores deben garantizar la selección del código correcto para su sensor en particular. Es probable que los errores en la configuración comprometan seriamente los resultados.

Para eliminar la configuración manual, Linear Technology ofrece un programa gratuito de demostración del software del LTC2986 basado en Windows ^® que permite a los desarrolladores especificar configuraciones mediante menús desplegables con opciones disponibles para cada canal. Los desarrolladores pueden cargar ejemplos de configuración desde una placa de demostración o desde diagramas específicos que se muestran en la hoja de datos del LTC2986-1 (Figura 8).

Figura 8: El software de demostración LTC2986 de Linear Technology simplifica el uso del dispositivo, al ofrecer una selección desplegable de configuraciones predefinidas para placas de hardware asociadas y de ejemplos en la hoja de datos del LTC2986-1. (Fuente de la imagen: Linear Technology)

Por ejemplo, la configuración RTD de 4 cables mostrada en la Figura 6 anterior se toma de la Figura 22 de la hoja de datos del LTC2986-1. Al seleccionar esa figura del menú desplegable de configuración del programa se producen los ajustes correspondientes para esa configuración (Figura 9).

Figura 9: El software de demostración del LTC2986 de Linear Technology produce configuraciones detalladas que se utilizan a su vez para generar datos de asignación de canales. (Fuente de la imagen: Linear Technology)

Además de simplificar la creación de configuraciones, el programa puede evaluar configuraciones personalizadas para garantizar las asignaciones correctas. Lo más importante es que el programa puede generar un conjunto correspondiente de rutinas de software y cabeceras de lenguaje C que se pueden ejecutar sin mayor esfuerzo en la placa Linduino DC2026 compatible con Arduino de Linear Technology.

Por ejemplo, la generación del código C para la configuración que se muestra en la Figura 9 genera automáticamente una rutina de inicialización que contiene la asignación de software que implementa el mapa de memoria requerido mostrado en la Figura 7. Como se muestra en el Listado 1, el código generado utiliza un conjunto adjunto de constantes definidas para crear declaraciones de asignación de canal apropiadas (Listado 1).

Copy    . . .
void configure_channels() {   uint8_t channel_number;   uint32_t channel_assignment_data;     // ----- Channel 2: Assign Sense Resistor -----   channel_assignment_data =     SENSOR_TYPE__SENSE_RESISTOR |     (uint32_t) 0x9C4000 << SENSE_RESISTOR_VALUE_LSB;            // sense resistor - value: 10000.
assign_channel(CHIP_SELECT, 2, channel_assignment_data);   // ----- Channel 4: Assign RTD PT-100 -----   channel_assignment_data =      SENSOR_TYPE__RTD_PT_100 |     RTD_RSENSE_CHANNEL__2 |     RTD_NUM_WIRES__4_WIRE |     RTD_EXCITATION_MODE__ROTATION_SHARING |     RTD_EXCITATION_CURRENT__100UA |     RTD_STANDARD__ITS_90;   assign_channel(CHIP_SELECT, 4, channel_assignment_data);   // ----- Channel 7: Assign RTD PT-500 -----   channel_assignment_data =     SENSOR_TYPE__RTD_PT_500 |     RTD_RSENSE_CHANNEL__2 |     RTD_NUM_WIRES__4_WIRE |     RTD_EXCITATION_MODE__NO_ROTATION_SHARING |     RTD_EXCITATION_CURRENT__50UA |     RTD_STANDARD__AMERICAN;   assign_channel(CHIP_SELECT, 7, channel_assignment_data);   }    . . .
// -------------- Run the LTC2986 -------------------------------------   void loop() {   measure_channel(CHIP_SELECT, 4, TEMPERATURE);      // Ch 4: RTD PT-100   measure_channel(CHIP_SELECT, 7, TEMPERATURE);      // Ch 7: RTD PT-500 } 

Listado 1: El código generado por el programa de software de demostración del LTC2986 de Linear Technology produce automáticamente declaraciones de asignación de canales, incluida la asignación del canal 4 correspondiente al mapa de memoria que se muestra en la Figura 7. (Fuente código: Linear Technology)

Ya sea que se use la plataforma Linduino u otro hardware, el conjunto de códigos generados demuestra los patrones clave de diseño asociados con el uso del LTC2986-1. Por ejemplo, el fragmento de código del Listado 1 ilustra un bucle básico para la recopilación de datos. Al inspeccionar el código generado, los desarrolladores pueden examinar operaciones detalladas relacionadas con el uso del dispositivo. Por ejemplo, la función de nivel superior x measure_channel que se muestra en el Listado 1 llama a las rutinas de nivel inferior que acceden a los registros del dispositivo para iniciar la conversión, esperar la terminación y leer el resultado (Listado 2). En este caso, los programas generados simplemente imprimen los resultados en la consola, pero los desarrolladores pueden modificar fácilmente el código para sus aplicaciones.

Copy // ***************** // Measure channel // ***************** void measure_channel(uint8_t chip_select, uint8_t channel_number, uint8_t channel_output) {     convert_channel(chip_select, channel_number);     get_result(chip_select, channel_number, channel_output); }     void convert_channel(uint8_t chip_select, uint8_t channel_number) {   // Start conversion   transfer_byte(chip_select, WRITE_TO_RAM, COMMAND_STATUS_REGISTER, CONVERSION_CONTROL_BYTE | channel_number);     wait_for_process_to_finish(chip_select); }      . . .
void wait_for_process_to_finish(uint8_t chip_select) {   uint8_t process_finished = 0;   uint8_t data;   while (process_finished == 0)   {     data = transfer_byte(chip_select, READ_FROM_RAM, COMMAND_STATUS_REGISTER, 0);     process_finished  = data & 0x40;   } }     // ********************************* // Get results // ********************************* void get_result(uint8_t chip_select, uint8_t channel_number, uint8_t channel_output) {   uint32_t raw_data;   uint8_t fault_data;   uint16_t start_address = get_start_address(CONVERSION_RESULT_MEMORY_BASE, channel_number);   uint32_t raw_conversion_result;     raw_data = transfer_four_bytes(chip_select, READ_FROM_RAM, start_address, 0);     Serial.print(F("\nChannel "));   Serial.println(channel_number);     // 24 LSB's are conversion result   raw_conversion_result = raw_data & 0xFFFFFF;   print_conversion_result(raw_conversion_result, channel_output);     // If you're interested in the raw voltage or resistance, use the following   if (channel_output != VOLTAGE)   {     read_voltage_or_resistance_results(chip_select, channel_number);   }     // 8 MSB's show the fault data   fault_data = raw_data >> 24;   print_fault_data(fault_data); } 

Listado 2: El software de demostración del LTC2986 de Linear Technology genera el código listo para Linduino, incluidas las rutinas de soporte, como las que se muestran en este fragmento, para realizar acceso de bajo nivel a los canales del dispositivo. (Fuente código: Linear Technology)

Junto con el software, los desarrolladores pueden comenzar con el desarrollo del hardware de LTC2986-1 rápidamente con la ayuda del kit del DC2608A de Linear Technology. Diseñado para trabajar con Linduino, el kit del DC2618 incluye una placa de demostración que contiene el LTC2986-1 y un tablero de prueba. Utilizado en combinación con el software de demostración del LTC2986, el kit proporciona una plataforma para el desarrollo rápido de aplicaciones de detección de temperatura.

Conclusión

Generalmente requeridos para operar en ambientes hostiles, los sistemas de medición de temperatura ofrecen a los desarrolladores una amplia gama de desafíos, incluidos los conflictos entre los mecanismos de protección y la precisión de la medición. Con ayuda del LTC2986-1 y las herramientas de desarrollo asociadas, los ingenieros ahora pueden implementar rápidamente sistemas capaces de medir la temperatura de manera segura y precisa.