应用注7413

通用模拟输入实现灵活的工业控制系统

: Yuriy Kurtsevoy

文摘:

本应用说明提供信息,以帮助系统工程师开发非常精确,高度可配置,多通道工业模拟输入前端利用MAX22005。


介绍

灵活性和对新环境的快速适应是成功经营企业最重要的特征之一。这个表达适用于工业和制造业,从食品加工、纺织生产商到汽车制造商和火车制造商。

MAX22005是一种多通道的工业模拟输入设备,它将模拟前端(AFE)与高压保护和测量元件相结合。MAX22005可以配置为12个单端或6个差分输入通道,允许多达26种不同的配置,并将与任何类型的传感器,无论是电压或电流。MAX22005具有高性能的24位增量- σ模数转换器(ADC),可在所有通道之间共享图1

MAX22005功能框图图1所示。MAX22005功能框图。

本应用笔记提供了一些实际的例子,利用MAX22005的高度灵活的配置,多通道工业输入通常在应用中发现,如可编程逻辑控制器(PLC),可编程自动化控制器(PAC),或分布式控制系统(DCS)。

MAX22005输入三联体

MAX22005的12个输入通道可以配置为12个单端输入或6个差分对。此外,MAX22005提供了一个独特的组合,三个连续的输入组合成一个三重,甚至更大的灵活性。MAX22005可以支持总共四种高度灵活的三联体,使用组合的AI1-AI3, AI4-AI6, AI7-AI9和AI10-AI12。对于单端模拟输入电压模式(AIVM),三胞胎接受从0V到±12.5V的工业信号电平,以及±25V的差分AIVM。

带有外部检测电阻RSENSE(通常范围从50Ω到250Ω), MAX22005接受0mA到±25mA的单端和±25mA的差分模拟输入电流模式(AICM)将电流输入转换为电压输入。整个芯片总共有26种可能的配置。图2显示了MAX22005的三胞胎位置。输入端口有多种可能的配置,包括AI1-AI3三元组。

MAX22005输入端口三联体图2。MAX22005输入端口三联体

单端输入配置

单端输入配置允许最多使用12个输入端口。MAX22005具有>1GΩ的高阻抗输入,允许单端配置在AIVM和AICM模式下工作,而不影响测量精度。单端配置如图3

单端输入配置图3。单端输入配置。

差分输入配置

差分输入允许精确测量,同时忽略导线上的电压降或共模电压,以减少输入通道的数量。MAX22005允许共模范围从0V到±10V。在多功能(又名三元组)配置中,差分输入的总数多达6或8个。差分输入用于AIVM和AICM模式。差分输入连接的例子见图4.图4a中的电压输出传感器可以连接在IN1和IN2之间,也可以连接在IN1和IN3之间。

连接两个差分电压输出传感器和单个共电压VCOM,如图所示图4 b.如图4c所示,与两个不同公共电压的差压输出传感器连接。注意,计算的电压的符号在图4 b正好相反。

MAX22005 AIVM模式差分连接图4a, b, c. MAX22005 AIVM模式差分连接。

图4中的示例允许固定的AIVM或AICM模式配置,这限制了系统设计的灵活性。MAX22005还允许多功能配置来解决这个问题。

使用三元组的多功能输入配置

多功能配置允许系统使用软件在AIVM和AICM模式之间进行选择。这是通过SPI命令和GPIO控制的外部通用模拟开关,如MAX14757.这意味着任何电压输出或电流输出传感器都可以连接到PLC或PAC的相同输入端口,而无需重新布线,并可以使用预先开发的固件与这些传感器一起工作。图5显示连接到MAX22005的电流输出传感器的示例。图6显示连接IN1和IN3输入端口的电压输出传感器。

MAX22005与电流输出传感器连接,实现多功能配置图5。MAX22005与电流输出传感器连接,实现多功能配置。

MAX22005与电压输出传感器连接,实现多功能配置图6。MAX22005与电压输出传感器连接,实现多功能配置。

图5时,输入电流从传感器流过R感觉电阻器和SW1开关到地。它是AI1和AI2之间的差值。模拟开关(SW1)的接通电阻(RON)不重要,因为它不包括在R上测量的电压降中感觉.然而,对于这种应用,建议使用低泄漏开关,如MAX14757或MAX14760。

除电流测量外,系统还可以从AI1-AI3差分测量中确定电压和功耗信息。可以使用低成本的n-MOSFET作为开关,如Nexperia®的2N7002NXAK。可能需要在输入端子上附加一个瞬态电压抑制器(TVS)来保护开关和检测电阻。

在图6中,SW1开关关闭,MAX22005通过AI1-AI3差分测量电压信息。

图7显示了辅助两种不同类型传感器的额外可能性。本例中,电流输出传感器连接在IN1与地之间,电压输出传感器可以连接在IN3与地之间。电流通过AI1-AI2差分输入测量,电压通过AI3单端输入测量。

MAX22005三联连接电压和电流传感器图7。MAX22005三联连接电压和电流传感器。

利用MAX22005和RTD进行温度测量

图8演示了使用电阻式温度探测器(RTD)测量温度的实际实现,该探测器利用MAX22005的一个三极管。在这个例子中,RTD的激励电流是由一个MAX44250运算放大器和2.49kΩ精密电阻实现的电流源产生的。

使用RTD的MAX22005温度测量图8。使用RTD的MAX22005温度测量。

MAX22005的内部电压参考REF_OUT,提供2.5V缓冲输出,通过2.49kΩ电阻创建1mA电流通过RTD和2.49kΩ电阻。MAX22005使用MAX44252四倍运算放大器,最多可以连接四个rtd。

RTD电阻可由式1计算,温度可由式2的Callendar-Van Dusen方程求解。

(方程1)

地点:
VAI1-AI2为AI1和AI2输入之间测量的差压。
VAI1-AI3为AI1和AI3输入之间测量的电压差,表示RTD导线上的电压降。
VAI3是2.49kΩ电阻上的单端电压降。

R(t) = r0 (1 + a × t + b × t2- 100 × c × t3.+ c × t4(公式2)

地点:
R(T) =温度T(°C)时的RTD电阻
R0 = RTD在0°C时的电阻

A, B和C常数由实验确定的参数导出,并由IEC751标准规范。它们也必须由RTD制造商提供。

对于Pt100 RTD和温度电阻系数,α = 0.003850

A = 3.90830 × 10(3)B = -5.77500 × 10(7)
C = -4.18301 × 10-12适用于-200℃≤T≤0℃
当0℃≤T≤+850℃时,C = 0

用MAX22005 EV kit、max44250ev kit和Fluke验证了结果®724温度校准器Pt100 RTD模拟和显示在表1

表1。Pt100仿真测试结果

设定温度
(°C)

仅仅计算电阻
(Ω)

计算温度
(°C)

绝对误差
(°C)

800 375.74 800.12 0.12
600 313.84 600.41 0.41
400 247.20 400.31 0.31
200 175.93 200.20 0.20
One hundred. 138.63 100.33 0.33
50 119.52 50.32 0.32
0 100.18 0.46 0.46
-50年 80.46 -49.61 0.39
-100 60.41 -99.62 0.38
-200年 18.69 -199.61 0.39

完成MAX22005的实现

图9它演示了MAX22005在工业控制系统(如PLC、DSC或PAC)中的实现。它说明了MAX22005能够支持以下组合的多种方式,以及许多其他电流传感器、电压传感器和rtd:

  • 有两根或三根导线的四个电流传感器
  • 有两根或三根导线的四个电压传感器
  • 以上场景的多个组合。例如:
    • 三个电流传感器+一个电压传感器
    • 两个电流传感器+两个电压传感器
    • 一个电流传感器+三个电压传感器
  • 四个高压
  • AI5/AI6 (AI11/AI12)上的两个热电偶(TC)和AI1、AI2、AI3和AI7、AI8、AI9上的两个rtd测量冷结温度

完成了MAX22005在工业控制系统中的应用图9。完成了MAX22005在工业控制系统中的应用。

结论

工业级传感器和MAX22005多通道模拟输入之间的连接方案允许构建精确和经济有效的系统解决方案。MAX22005允许系统工程师开发高度可配置和灵活的工业控制系统,以迎接21世纪的挑战。

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