I trasmettitori per sensori sono ampiamente utilizzati nelle industrie di processo per il controllare parametri quali temperatura, pressione o flusso. I trasmettitori di temperatura per esempio sono presenti in un gran numero di applicazioni nei settori alimentare, farmaceutico, del trattamento delle acque reflue e nei processi di controllo ambientale. Nel caso dell'industria chimica tali trasmettitori vengono impiegati per assicurare che la soluzione all'interno del reattore chimico si mantenga a temperatura costante. Un trasmettitore espleta tre differenti compiti: raccolta dei dati provenienti dal sensore, isolamento del sensore dal controllore centrale e invio della corrente lungo l'anello di corrente (current loop) 4-20 mA che rappresenta la quantità desiderata. Tutti coloro che sono impegnati nello sviluppo di trasmettitori devono spendere tempo e risorse preziose nella realizzazione di progetti che richiedono la configurazione e l'implementazione di caratteristiche specifiche per ciascun tipo di sensore. In questo articolo verrà esaminato il principio di funzionamento base dei trasmettitori di temperatura, inclusi il principio di rilevamento e la trasmissione attraverso l'anello di corrente 4-20 mA e saranno spiegati i numerosi vantaggi legati all'utilizzo della soluzione di Texas Instruments in fase di progettazione.
Trasmettitore di temperatura: principi di base
Un trasmettitore di temperatura viene utilizzato per leggere i dati provenienti da un elemento sensibile alla temperatura (PT100, PT1000, termocoppie e così via) e trasmettere le informazioni attraverso un cavo molto lungo sfruttando l'anello di corrente 4-20 mA. Diversi sensori di temperatura possono essere collegati a LMP90100. Questo circuito integrato multicanale è un front-end analogico per sensori a 24 bit che effettua le operazioni di condizionamento e acquisizione del segnale del sensore. Le informazioni vengono quindi trasferite a un microcontrollore per l'elaborazione dei segnali e inviate sotto forma di corrente lungo l'anello. Il trasmettitore di temperatura è alimentato dall'anello stesso: in ogni caso è indispensabile minimizzare i consumi senza compromettere l'accuratezza.
Applicazioni di rilevamento della temperatura
Per misurare la temperatura sono disponibili diversi tipi di sensori, come ad esempio Rtd (Resistance Temperature Detector - termoresistori) e termocoppie. La resistenza di un Rtd varia con la temperatura e il materiale più comune utilizzato per la realizzazione di questi sensori e il platino. Gli Rtd sono disponibili in vari modelli caratterizzati da differenti valori di impedenza. In campo industriale vengono solitamente utilizzati tre valori standard tra cui PT100 (100 Ohm), PT500 (500 Ohm) e PT1000 (1000 Ohm) in applicazioni dove sono previste temperature comprese tipicamente tra -200 e +800 °C. Le termocoppie sono formate da due metalli differenti connessi tra di loro. Nel punto di giunzione si produce una tensione che è funzione della temperatura. La tensione della giunzione viene confrontata con una tensione di riferimento - tensione della giunzione fredda. Tutte le termocoppie richiedono un riferimento di questo tipo. Un sensore sulla giunzione fredda viene utilizzata per monitorare la temperatura di quest'ultima: per questo scopo è possibile utilizzare il sensore di temperatura analogico LM94022. La temperatura alla giunzione della termocoppia viene calcolata sommando la tensione della termocoppia e la tensione della giunzione fredda. Le termocoppie vengono utilizzate in parecchie delle applicazioni tipiche degli Rtd. Rispetto a questi ultimi le termocoppie sono meno accurate, ma assicurano una notevole affidabilità e la possibilità di operare in intervalli di temperatura molto estesi (da -270 a +2300 °C). Il componente LMP90100 è una soluzione completa che permette di implementare il percorso del segnale tra il sensore e il microcontrollore. Esso dispone di un multiplexer di ingresso flessibile in modo da consentire il collegamento di ciascun pin di ingresso all'ingresso del convertitore A/D, assicurando in tal modo l'interfacciamento con un'ampia gamma di sensori tra cui termocoppie, Rtd a 2, 3, 4 fili, termistori e così via. Questo Afe per sensori dispone di due generatori corrente adattati programmabili regolabili in passi di 100 μA fino a un valore massimo di corrente di 1 mA per supportare sensori resistivi come gli Rtd. Il guadagno è regolabile da 1 a 128 (in modo binario) e il progettista può selezionare la velocità di trasferimento dati di uscita mediante un'impostazione su un ciclo singolo (sono disponibili otto valori compresi tra 1,6775 e 214,65 sps), in modo da ottenere il miglior compromesso possibile tra velocità e consumi. LMP90100 fa parte della famiglia LMP90xxx che comprende altri sette modelli di Afe per sensori a 16 e 24 bit tutti compatibili tra loro a livello di piedinatura. I progettisti possono così utilizzare il medesimo layout e ottimizzare il design tramite la scelta di differenti caratteristiche - risoluzione a 16 o 24 bit, 2/4 canali differenziali, possibilità di integrare generatori di corrente. Tutti i componenti la serie si distinguono per la presenza di caratteristiche uniche quali calibrazione in background e diagnostica del sensore. La calibrazione viene eseguita in background senza alcuna interruzione della conversione e senza disturbare il percorso del segnale. Questa calibrazione continua, oltre a migliorare le prestazioni durante l'intera vita operativa del prodotto, contribuisce a ridurre i tempi di fermo necessari per la calibrazione sul campo che altre soluzioni invece richiedono. Per ciascuna configurazione del percorso del segnale del sensore è possibile specificare valori unici di guadagno e velocità di campionamento. Anche la diagnostica del sensore viene eseguita in background, senza interferire sulle prestazioni del percorso del segnale complessivo: grazie ad essa è possibile rilevare la presenza di circuiti chiusi, aperti e di segnale che eccedono i limiti impostati. LMP90100 dispone inoltre di un'interfaccia Spi (Serial Peripheral Interface) con correzione di tipo Crc (Controllo ciclico di ridondanza) per assicurare l'integrità del trasferimento dati. L'abbinamento tra la verifica Crc e le funzioni di diagnostica contribuisce a migliorare l'affidabilità del sistema complessivo. Per accelerare la fase di realizzazione la linea di prodotti LMP90xxx sono supportati dal tool di progettazione Webench Sensor Afe Designer che consente a un progettista di selezionare un sensore, realizzare e configurare la soluzioni e trasferire i dati di configurazione al circuito Afe del sensore per la validazione. Il tool permette inoltre di esportare la configurazione dell'Afe e utilizzarla per il codice del microcontrollore. Nel caso vengano modificati alcuni parametri di configurazione del dispostivo - ad esempio il guadagno o la velocità di campionamento - la tabella della stima delle prestazioni verrà aggiornata automaticamente per riportare le nuove performance. Oltre a ciò, una piattaforma di sviluppo hardware consente ai progettisti di validare i loro design sul banco. Esso permette ai progettisti di connettere i sensori, modificare un design, caricare i dati di configurazione nell'Afe del sensore e valutare la soluzione completa.
Progetto del trasmettitore ad anello di corrente
Il termine anello di corrente (current loop) fa riferimento a uno standard industriale utilizzato per la trasmissione di misure analogiche su lunghe distanze: i trasduttori a due fili utilizzano la corrente per rappresentare il valore misurato nell'intervallo compreso tra 4 e 20 mA. La trasmissione mediante anello di corrente viene comunemente impiegata in ambito industriale grazie alla sua elevata insensibilità alle interferenze, fatto questo che la rende idonea alla trasmissione su lunghe distanze. Senza dimenticare che si tratta di una soluzione estremamente economica che può essere anche impiegata in area a rischio di esplosione. Un componente come il convertitore DAC161P997 semplifica notevolmente il progetto in quanto integra tutti gli elementi di precisione a bordo del chip, ospitato in un package Llp a 16 pin di ridotte dimensioni. Per realizzare un trasmettitore industriale di tipo 4-20 mA di precisione e a basso consumo è richiesto un numero veramente ridotto di componenti esterni. Il DAC161P997 è dotato di un'interfaccia a singolo filo che rappresenta una soluzione robusta per la trasmissione di dati digitali e assicura la massima semplicità di implementazione dell'isolamento galvanico rispetto alle soluzioni con interfaccia Spi. Grazie all'uso del formato dati digitale non si verificano perdite di informazioni. La perdita di risoluzione può rappresentare un problema nel caso si utilizzino schemi Pwm (Pulse Width Modulation). La corrente di uscita erogata dal pin Out del dispositivo è espressa dalla formula:
DACCODE
ILOOP = ( --------------------- ) x 24 mA
216
Il range DACCODE valido è l'intero spazio del codice a 16 bit (da 0x0000 a 0xFFFF).
Come si può evincere dallo schema a blocchi, DAC161P997 non può interfacciarsi direttamente a un anello 4-20 mA a causa dell'elevata tensione di alimentazione dell'anello. La tensione deve dunque essere abbassata a 3,3V: questa operazione può essere effettuata mediante un regolatore lineare con corrente di riposo estremamente ridotta (come ad esempio LM2936) o un regolatore a commutazione a basso consumo come LM2840. Il progettista deve tener presente che la corrente di riposo del regolatore influenza direttamente il minimo valore ottenibile della corrente d'anello. Come menzionato in precedenza, poiché il trasmettitore di temperatura è alimentato dall'anello stesso, il consumo di corrente dei vari circuiti integrati deve essere il più ridotto possibile per rispettare il budget di 3,5 mA del sistema complessivo. DAC161P997 rappresenta la soluzione ideale grazie a un consumo inferiore a 190 μA, a fronte di caratteristiche quali precisione a 16 bit, coefficiente di temperatura della corrente di uscita di 29ppm/°C e deriva sul lungo termine della corrente di uscita di 90 ppmFS. Grazie a componenti quali LMP90xxx e DAC161P997 Texas Instruments mette a disposizione soluzioni integrare tese a semplificare il progetto di trasmettitori e a ridurre contemporaneamente numero di componenti e ingombri sulla scheda. I componenti la serie LMP90xxx possono essere impiegati per l'interfacciamento con differenti tipi di sensori (di temperatura, di pressione o altri rilevatori di tensione di uscita) presenti in dispostivi quali trasmettitori temperatura e pressione, interfacce per estensimetri, controllo di processi industriali, misuratori di flusso termico e così via. Tutta questa famiglia di prodotti è supportata da Webench Sensor Afe Designer e da una piattaforma di sviluppo da banco che permettono di progettare e valutare una soluzione in tempi rapidi. Al fine di supportare un numero sempre più ampio di soluzioni, sono disponibili diversi circuiti Afe - come LMP91000 per sensori di gas tossici - mentre altri sono in fase avanzata di sviluppo.
