logo elektroda
logo elektroda
X
logo elektroda
Adblock/uBlockOrigin/AdGuard mogą powodować znikanie niektórych postów z powodu nowej reguły.

Minimalizacja błędów pomiarowych w multipleksowanych termometrach termistorowych

ghost666 13 Paź 2013 13:59 2271 0
  • Oporowe czujniki temperatury (termistory) używane są do monitorowania temperatury w wielu aplikacjach przemysłowych. W rozproszonych systemach kontrolno-pomiarowych lub w sterownikach PLC jeden moduł akwizycji danych może być wykorzystany do moniatorowania temperatury odczytywanej z szeregu zdalnych czujników termistorowych. W aplikacjach wymagających wysokiej precyzji pomiaru osiąga się ją poprzez dodanie do każdego czujnika niezależnego przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) i układu wzbudzającego, ale takie rozwiązanie powoduje iż moduł akwizycji danych staje się dużym nieporęczny a także drogi w wykonaniu i niezwykle energochłonny. Multipleksowanie wielu czujników pozwala na zmniejszenie systemu i jego kosztów a także zminimalizowanie zużycia mocy przez urządzenie, jednak kosztem precyzji pomiaru. W poniższym artykule autor, Henry He, opisuje w jaki sposób zaprojektować należy multipleksowany system pomiaru temperatury wykorzystujący termistory aby utrata precyzji przez system była minimalna.

    Struktura układu


    Oporowe czujniki temperatury dostępne są w trzech konfiguracjach, różniących się ilością wyprowadzeń. Można je aplikować jako urządzenia wymagające dwóch, trzech lub czterech przewodów, gdzie urządzenia dwuprzewodowe oferują najniższa precyzję, a czteroprzewodowe najwyższą. Najpopularniejsze w zastosowaniach przemysłowych są czujniki termistorowe wyposażone w trzy przewody. Istnieje możliwość wzbudzania tych czujników z wykorzystaniem dwóch identycznych źródeł prądowych w celu wyeliminowania wpływu rezystancji doprowadzeń na odczyt temperatury. Jeśli do pomiaru wykorzystamy precyzyjne oporniki referencyjne wtedy błędy źródeł prądowych nie mają wpływu na błąd pomiaru temperatury. Przetworniki ADC wysokiej jakości, takie jak AD792 lub AD7793, posiadają zintegrowane źródła prądowe w swojej strukturze, co czyni je idealnymi do zastosowania w precyzyjnych pomiarach temperatury z użyciem opisywanych sensorów.

    Poniższa ilustracja pokazuje dwa trzyprzewodowe czujniki oporowe wzbudzane zintegrowanymi z ADC źródłami prądowymi. Termistor z którego prowadzony jest odczyt wybierany jest z pomocą multipleksera, takiego jak na przykład układ ADG5433, produkowany przez firmę Analog Devices. Układ ten składa się z trzech podwójnych przełączników SPDT, jest odporny na zatrzaśnięcie i może pracować z podwyższonym napięciem.

    Minimalizacja błędów pomiarowych w multipleksowanych termometrach termistorowych


    Tyko jeden termistor może być wykorzystywany do pomiaru naraz. S1A, S1B i S1C są zamknięte aby prowadzić pomiar z wykorzystaniem termistora numer jeden, z kolei S2A, S2B oraz S2C są zamknięte gdy pomiar jest prowadzony z wykorzystaniem termistora numer dwa. Pojedynczy układ ADG5433 jest w stanie przełączać dwa układu trójprzewodowych termistorów. Istnieje możliwość dodania większej ilości multiplekserów aby podłączyć do systemu więcej niż dwa sensory. RLXX reprezentuje opór wprowadzony do systemu przez długie przewody pomiędzy termistorem a układem pomiarowym powiększony o rezystancję multipleksera.

    Obliczanie oporu termistora

    Gdy S1A, S1B oraz S1C są zamnięte w celu pomiaru z wykorzystaniem termistora numer jeden jego opór może być wyznaczony w bardzo prosty sposób, mianowicie:

    Minimalizacja błędów pomiarowych w multipleksowanych termometrach termistorowych


    Zatem widać iż pomiar zależy jedynie od wrtości (i dokładności) opornika Rref. Pamiętajmy oczywiście o założeniach iż Iout1 = Iout2, oraz RL1A = RL1B. W rzeczywistym przypadku odstępstwa od tych równań - różne prądy źródeł wbudowanych w układ i różnice w oporze są głównym źródłem błędów pomiarowych w takim systemie.

    Wpływ różnicy prądów i oporów na pomiar

    Przyjmijmy w naszych rozważaniach iż źródła prądowe są niesparowane w sposób taki że Iout2 = (1+x) * Iout1. Rozważmu zatem co następuje:

    http://www.analog.com/library/analogdialogue/archives/47-09/4709-2-EQ02.png


    Należy zwrócić uwagę iż ta różnica powoduje powstanie pewnego offsetu oraz pojawienie się błędów wzmocnienia. Błąd offetu jest związany z różnicą w oporze doprowadzeń, a błąd wzmocnienia wynika z różnych prądów źródeł prądowych wykorzystanych do pomiaru. Jeśli podczas rozważań na temat dokładności opisywanego systemu nie weźmiemy pod uwagę tych zależności dane odczytane z ADC będą niepoprawne.

    Rozważmy zatem termistor o oporze 200 Ω. W poniższej tabeli pokazane są wartości zmierzone bez uwzględnienia efektów opisanych powyżej przy następujących założeniach: Rref = 1kΩ, Iout1 = 1 mA, Iout2 > Iout1 (o wartość umieszczoną w tabeli), RL1A = 10 Ω, RL1C > RL1A, o wartość oporu pokazaną powyżej.

    RL1C – RL1A
    (IOUT2 – IOUT1)/IOUT1
    0.01 Ω0.1 Ω1 Ω
    0.1%199.88199.79198.89
    0.5%199.44199.35198.45
    1.0%198.90198.81197.90


    Minimalizowanie błędu

    Powyższe dane pokazują iż nawet minimalne odstępstwo od idealnych wartości powoduje poważną degradację sygnału, co oznacza iż w systemie powinny być wykorzystywane precyzyjnie obrane źródła prądowe i przełączniki, w celu zapewnienia najlepszych parametrów.

    Funkcja przejścia układu jest liniowa zatem wstępne błędy spowodowane różnym prądem źródeł lub niedopasowaniem oporów mogą być z łatwością skalibrowane, Niestety różnica w tych parametrach jest zależna od temperatury systemu, co czyni ją niezwykle trudną w kompensacji. Wywnioskować z tego można iż niezwykle istotnym jest używanie układów o niskim dryfcie termicznym parametrów.

    Przy IOUT1 ≠ IOUT2 i źródłach prądowych połączonych jak pokazano:

    Minimalizacja błędów pomiarowych w multipleksowanych termometrach termistorowych


    Załóżmy iż zamieniamy Iout1 i Iout2 miejscami tak że Iout2 jest podłączone do Vin-, a Iout2 do Vin+:

    Minimalizacja błędów pomiarowych w multipleksowanych termometrach termistorowych


    Jeśli posumujemy teraz rezultaty konwersji z źródłami prądowymi w oryginalnym podłączeniu z efektem konwersji przy zamienionych miejscami źródłach prądowych otrzymamy następujące wyrażenie:

    Minimalizacja błędów pomiarowych w multipleksowanych termometrach termistorowych


    Zauważmy iż w tym przypadku pomiar jest niezależny od błędów dopasowania źródeł prądowych. Jedyną wadą tego rozwiązania jest spadek szybkości pomiaru - w takiej architekturze efektywnie dwa pomiary (konwersje analogowo-cyfrowe na przetworniku) potrzebne są na każdy termistor,

    Układy AD7792 i AD7793 zostały zaprojektowane z myślą o takim zastosowaniu. Jak pokazano na poniższym schemacie zawierają one w swojej strukturze przełącznik zmieniający połączenia źródeł prądowych co pozwala na programowe sterowanie zamieniania źródeł prądowych miejscami w czasie pomiarów.

    Minimalizacja błędów pomiarowych w multipleksowanych termometrach termistorowych

    Źródła:
    http://www.analog.com/library/analogdialogue/archives/47-09/3_wire_rtd.html

    Fajne? Ranking DIY
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    https://twitter.com/Moonstreet_Labs
    ghost666 napisał 11960 postów o ocenie 10197, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
REKLAMA