Kondycjonowanie sygnału analogowego pochodzącego z konkretnych rodzajów sensorów
Aby osiągnąć możliwie najlepsze rezultaty pomiaru, konieczne jest zrozumienie potrzeb każdego z rodzaju sygnałów analogowych, generowanych przez te sensory. Zależnie od rodzaju konkretnego sensora i jego aplikacji, wymagany jest konkretny rodzaj kondycjonowania sygnału w torze analogowym, tak aby zapewnić sobie optymalny pomiar. W tabeli pierwszej, poniżej, zaprezentowano podsumowanie jakie rodzaje kondycjonowania sprawdzą się z jakim sensorem analogowym.
Sensory temperatury
Najczęściej wykorzystywanymi sensorami temperatury są termopary, termistory i diody RTD. Tego rodzaju sensory analogowe charakteryzują się wyjściem napięciowym z napięciami zazwyczaj w zakresie miliwoltów. Wartość napięcia wyjściowego tych sensorów jest zbyt mała, aby podawać je bezpośrednio na przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC) i otrzymać odpowiednio precyzyjny pomiar. Na przykład termopara daje typowo amplitudę sygnału wyjściowego na poziomie ? 80 mV. Jeśli chcemy sprząc ten sensor z przetwornikiem o rozdzielczości 16 bitów i zakresie napięć wejściowych równym ?10 V, to przy tej amplitudzie wykorzystamy zaledwie 0,8% zakresu wejściowego ADC. Aby rozwiązać ten problem konieczne jest wzmocnienie sygnału z sensora, tak aby zakres napięć był zbliżony do zakresu napięć wejściowych przetwornika.
Rys.1. Autozero, czyli automatyczna kompensacja napięcia offsetu.
Jak napisano powyżej, sensory temperatury charakteryzują się niewielkim sygnałem napięciowym, bliskim 0 V, co sprawia, że błędy wynikające z pojawiania się offsetu napięciowego w sygnale mają ogromny wpływ na docelową dokładność układu pomiarowego. Offsetem w tym przypadku nazwać możemy odchylenie zmierzonej temperatury od wartości prawdziwej. Wiele układów pomiarowych ma wbudowaną funkcję autozero (patrz rysunek pierwszy), która pozwala na automatyczny pomiar i odjęcie offsetu napięciowego z sygnału z sensora. Jest to realizowane automatycznie, zanim układ przystąpi do pomiaru temperatury. Jeśli jednakże układ pomiarowy nie jest wyposażony w tą funkcję, zapewnić należy regularną kalibrację układu pomiarowego, zapewniającą minimalizację błędów, wynikających z pojawiania się offsetu napięciowego. Dodatkowo należy skonsultować się z dokumentacją sensora i układu, aby wyznaczyć jak znany offset wpływa na dokładność pomiaru.
Jako że pomiary temperatury prowadzone są najczęściej powoli, z niewielką częstotliwością próbkowania, są one podatne na zakłócenia wynikające z szumu o wysokiej częstotliwości. Często wykorzystuje się w torze sygnałowym dla tego rodzaju sensorów filtry dolnoprzepustowe, mające za zadanie usunąć składową związaną z szumem o wysokiej częstotliwości, a także zakłócenia o częstotliwości sieci (50 Hz lub 60 Hz), które bardzo często przenikają do tego rodzaju sygnałów i obecne są w większości środowisk tak laboratoryjnych jak i przemysłowych.
Termopara
Termopary, oprócz tego co napisano powyżej, mają bardzo specyficzne wymagania odnośnie kondycjonowania sygnałów. Z uwagi na formowanie się tzw. zimnego złącza, na styku drutu termoparowego i przewodu, np. miedzianego konieczna jest kompensacja powstającego tam napięcia, które inaczej doda się nam do napięcia zmierzonego na termoparze. Na przykład w systemie pokazanym na rysunku drugim (poniżej) zamiast mierzyć jedynie napięcie powstające na złączu AB, zmierzymy w rzeczywistości napięcie będące sumą AB + AC + BC. Dodatkowe złącza, nazywane zimnymi, będą generowały napięcie tak samo jak złącze termoparowe. Aby wyeliminować ten problem konieczny jest pomiar temperatury złączy AC i BC i odjęcie znanego napięcia od napięcia zmierzonego na całym układzie. Tego rodzaju zabieg nazywany jest kompensacją zimnego złącza (CJC). Większość systemów obsługujących termopary ma wbudowany tego rodzaju układ i automatycznie przeskalowuje pomiary w oprogramowaniu. Jeśli jednakże nasz system nie ma wbudowanej kompensacji tego rodzaju, to konieczny jest zewnętrzny pomiar temperatury zimnego złącza i odjęcie odpowiednich napięć w programie.
Rys.2. Błąd zimnego złącza dodaje dodatkowe napięcie do napięcia termopary
Jakkolwiek CJC pomaga zmniejszyć błędy, powodowane zimnym złączem, to sam układ może też dodatkowo dokładać błędy do pomiaru. Zależne to jest od tego w jaki sposób został on zaimplementowany. Sumaryczny błąd układu CJC zależny jest od sensora wykorzystanego do kompensacji CJC, błędu układu mierzącego temperaturę zimnego złącza oraz gradientu temperatury pomiędzy zimnym złączem, a miejscem gdzie umieszczony jest sensor. Zazwyczaj najważniejszym czynnikiem spośród wymienionych jest gradient temperatury, dlatego też umieszczenie układu kompensującego blisko rzeczywistego miejsca gdzie znajduje się zimne złącze jest kluczowe. Aby dalej zmniejszyć błąd kompensacji wykorzystać należy precyzyjny sensor temperatury ? może to być dyskretny termistor lub dioda, albo scalony sensor temperatury, o zakresie pracy takim jakie przyjmuje zimne złącze. Aby osiągnąć najlepsze rezultaty warto zainwestować środki w odpowiedni element do pomiaru temperatury, a także odpowiednio go skalibrować, tak aby pomiar temperatury zimnego złącza był możliwie precyzyjny.
Rys.3. Typowy układ pomiarowy współpracujący z termoparą
Kolejnym źródłem szumu w pomiarach z termoparą jest zanurzanie jej w wodzie lub też bezpośredni montaż na przewodzącym podłożu. Gdy termoparę zamontuje się w ten sposób, jest ona podatna na szum współbieżny i powstawanie pętli masy. Izolacja sygnału pomaga na usunięcie tych zakłóceń z sygnału analogowego z sensora.
Termistory i diody RTD
Termistory i RTD są aktywnymi sensorami temperatury, które wymagają wzbudzenia napięciem lub prądem. Istotne jest aby być świadomym, że duży prąd wzbudzenia ma wpływ na samoogrzewanie się tych sensorów, co może mieć poważny wpływ na dokładność pomiaru. Jeśli nie jest możliwe rozpraszanie ciepła z tego elementu, warto spróbować zmniejszyć prąd wzbudzenia. Wykorzystując termistory i diody do pomiaru temperatury, koniecznym jest także wykorzystanie omówionych powyżej bloków toru analogowego ? filtracji i wzmocnienia, aby usunąć z sygnału szum.
Tensometry
Tego rodzaju sensory pod wpływem naprężenia delikatnie zmieniają swoją rezystancję. Konieczny jest odpowiedni dobór mostka i kondycjonowania sygnału, aby umożliwić precyzyjny pomiar naprężenia. Trzy typowe architektury pomiaru ? ćwierć-, pół- i pełen mostek. Nazwy te dotyczą tego ile z ramion mostka Wheatstona złożonych jest z elementów aktywnych. Dla architektury pół- i ćwierć mostka konieczne jest aktywne kompletowanie mostka. Typowe układy kondycjonujące mostki Wheatstona dedykowane są do półmostków. Jeśli wykorzystuje się ćwierćmostek, konieczne jest dodanie trzeciego mostka do sensora. Podobnie jak przy pomiarze temperatury konieczne jest wzmocnienie niewielkiego napięcia z mostka (zazwyczaj poniżej 100 mV). Tak niskie napięcie wyjściowe jest podatne na zewnętrzne zakłócenia, dlatego sugeruje się dodanie do toru analogowego odpowiednich filtrów, umożliwiających usunięcie z sygnału szumu.
Rys.4. Zdalny pomiar napięcia wzbudzenia mostka
Mostki pomiarowe wymagają wzbudzenia napięciem z zakresu od 2,5 V do 10 V. Zmiana naprężenia przykładanego do tensometru powoduje zmianę proporcjonalną do napięcia wzbudzającego. Jakkolwiek wzbudzenie mostka większym napięciem powoduje zwiększenie napięcia wyjściowego z mostka, co powoduje zwiększenie stosunku sygnału do szumu (SNR), to może powodować także zwiększenie błędów pomiarowych z uwagi na samoogrzewanie się oporników i tensometrów w mostku. Zjawisko to powoduje zmianę rezystancji elementów mostka i zmianę czułości tensometrów, a także parametrów mechanicznych układu, wprowadza gradienty temperatury pomiędzy elementami etc. Ma to poważny wpływ na pomiar, szczególnie w przypadku gdy struktura do której przymocowany jest mostek nie zapewnia dobrego odprowadzania ciepła. Można zmniejszyć efekty samoogrzewania się elementów poprzez odpowiednich ich dobór ? zwiększenie powierzchni ? albo zmniejszenie napięcia wzbudzenia mostka.
Jeśli mostek umieszczony jest daleko od układu pomiarowego i źródła wzbudzenia, rezystancja przewodów doprowadzających napięcie wzbudzenia może zmniejszać jego wartość na mostku. Aby skompensować ten efekt można mierzyć zdalnie napięcie na doprowadzeniach do mostka, jak pokazano to na rysunku czwartym (powyżej). Jeśli układ ten połączy się z zasilaczem stabilizującym napięcie wzbudzenia mostka, możliwe jest takie sterowanie nim, dzięki sprzężeniu zwrotnemu, aby napięcie na mostku było dokładnie takie, jak wymagane, dzięki kompensacji strat na doprowadzeniach.
Po zainstalowaniu i podłączeniu do układu pomiarowego mostka Wheatstona mało prawdopodobnym jest, aby zero woltów przypadało na zerowe naprężenia. Niedokładności wykonania tensometrów, doprowadzenia etc. mają na to wpływ. W takim wypadku konieczne jest odjęcie offsetu od zmierzonego napięcia, co można zrealizować sprzętowo lub programowo. Jeśli realizujemy to z pomocą software, to można odjąć od mierzonych wartości pierwszy z pomiarów, wykonany bez przyłożonego naprężenia. Jest to bardzo prosta metoda, nie wymagająca ręcznych zabiegów, jednakże z uwagi na duży offset napięciowy, metoda ta zmniejsza zakres mierzalnych napięć. Inną metodą jest wykorzystanie sprzętowego balansowania mostka w torze analogowym wykorzystując do tego potencjometr do dostosowania napięcia offsetu. Reguluje się napięcie to z pomocą potencjometru tak długo, aż w warunkach bez naprężenia uzyska się zero woltów na wyjściu mostka.
Rys.5. Kalibracja offsetu i nachylenia krzywej pozwala zredukować błędy pomiaru.
Obciążenie, ciśnienie i skręt
Najczęstszymi sensorami do pomiaru tych wartości są tensometry w pełnym mostku Wheatstona, gdzie każdy z elementów mostka jest elementem aktywnym. Dzięki temu nie jest wymagane kompletowanie mostka. Zależnie od napięcia wzbudzenia wyjście z takiego sensora może być nisko- lub wysokonapięciowe.
Elementy te zazwyczaj wzbudzane są przez układ pomiarowy i dają napięcie wyjściowe w zakresie od miliwoltów do woltów, jednakże te ostatnie wymagają zasilania dedykowanymi zasilaczami o wysokim napięciu wyjściowym. Wyjście napięciowe może być w jednym ze standardów, przyjętych w przemyśle, takich jak ?5 V, ?10 V lub 4?20 mA. Jako że jest to pomiar w pełnym mostku stosuje się do tego wszystkie zalecenia odnośnie pomiaru i kondycjonowania sygnału oraz zdalnego pomiaru napięcia wzbudzającego, jakie opisano powyżej.
Akcelerometry i mikrofony
Pomiary dźwięku i wibracji są ze sobą mocno związane. Zasadniczo oba z wymienionych sensorów mierzą wibracje otoczenia, a różne jest tylko medium. Dlatego też kondycjonowanie sygnału z obu rodzajów sensorów jest bardzo podobne. To jakie elementy muszą znaleźć się w torze analogowym, zależne jest od tego czy sensor ma wbudowany wzmacniacz. Jeśli nie to koniecznie pamiętać trzeba, że sygnał produkowany przez tego rodzaju sensory jest niewielki i podatny na szum. Należy go wzmocnić, a także odpowiednio odfiltrować, aby usunąć zakłócenia.
Rys.6. Sprzężenie AC sygnału usuwa z niego składową stałą, co pozwala na zwiększenie rozdzielczości pomiaru.
Zintegrowane sensory piezoelektryczne (IEPE) łączą w swojej strukturze oprócz sensora także dedykowany wzmacniacz, co powoduje lepsze parametry sygnału wyjściowego i mniejszą podatność na zakłócenia. Kondycjoner sygnału do tego rodzaju układu musi być w stanie podać zasilanie ze źródła prądowego na wejście tego sensora, aby uaktywnić wzmacniacz. Jako że IEPE są źródłami o wysokiej impedancji, konieczne jest zaprojektowanie toru analogowego pozwalające na wzmocnienie generowanego ładunku z niskim szumem, układ taki musi mieć odpowiednio wysoką impedancję wejściową. Podobnie jak akcelerometry, mikrofony także mogą być zdalnie zasilane. Zewnętrznie polaryzowany mikrofon elektretowy wymaga zasilania rzędu 200 V podawanego z zewnętrznego zasilacza. Mikrofony typu IEPE wymagają podawania stałego prądu do zasilenia wbudowanego wzmacniacza.
Jeśli włączony jest wzmacniacz w układzie IEPE na wejściu obserwuje się offset DC, zależny od przyłożonego prądu i impedancji sensora. Sygnał zbierany z sensora tego rodzaju zawiera w sobie składową stałą i zmienną, gdzie składowa stała przesuwa sygnał AC względem 0 V. Może to powodować obniżenie efektywnej rozdzielczości pomiaru, dlatego też zaleca się usuwanie składowej stałej z sygnału poprzez sprzężenie AC sygnału z wykorzystaniem kondensatora wstawionego szeregowo w torze analogowym, który pozwala usunąć z niego składową DC.
LVDT i RVDT
Liniowe zmienne transformatory (LVDT) i obrotowe zmienne transformatory (RVDT) to popularne sensory pozycji w aplikacjach przemysłowych. Sensory te składają się ze stacjonarnej cewki i ruchomego rdzenia. Dzięki asocjacji wyjścia z konkretnym położeniem rdzenia, możliwy jest pomiar jego położenia, mierząc sygnał wyjściowy. Konieczne jest oczywiście odpowiednie kondycjonowanie sygnału, aby pomiar był w ogóle możliwy.
Sensor tego rodzaju musi zostać wzbudzony poprzez podanie przebiegu sinusoidalnego na uzwojenie pierwotne. Sygnał ten ma częstotliwość od 400 Hz do 10 kHz, powinna ona być przynajmniej 10 razy większa od największej częstotliwości ruchu, jaką spodziewamy się mierzyć. Wyjście z uzwojenia wtórnego demoduluje się tym samym sygnałem, który wzbudza sensor. Dodatkowo w torze analogowym umieszcza się filtr dolnoprzepustowy, mający za zadanie usunąć szum i zakłócenia. Rezultatem tych operacji jest napięcie DC, które proporcjonalne jest do przemieszczenia rdzenia w sensorze.
Źródło:
http://download.ni.com/evaluation/signal_conditioning/20712_Benefits_of_Integrated_SC_WP_HL.pdf
Aby osiągnąć możliwie najlepsze rezultaty pomiaru, konieczne jest zrozumienie potrzeb każdego z rodzaju sygnałów analogowych, generowanych przez te sensory. Zależnie od rodzaju konkretnego sensora i jego aplikacji, wymagany jest konkretny rodzaj kondycjonowania sygnału w torze analogowym, tak aby zapewnić sobie optymalny pomiar. W tabeli pierwszej, poniżej, zaprezentowano podsumowanie jakie rodzaje kondycjonowania sprawdzą się z jakim sensorem analogowym.
Tabela 1. Wymagania poszczególnych sensorów odnośnie kondycjonowania sygnałów analogowych
| Wzmocnienie | Tłumienie | Izolacja | Filtrowanie | Wzbudzenie | Linearyzacja | Kompensacja zimnego złącza | Kompletowanie mostka | |
| Termopara | TAK | NIE | TAK | TAK | NIE | TAK | TAK | NIE |
| Termistor | TAK | NIE | TAK | TAK | TAK | TAK | NIE | NIE |
| RTD | TAK | NIE | TAK | TAK | TAK | TAK | NIE | NIE |
| Tensometr | TAK | NIE | TAK | TAK | TAK | TAK | NIE | TAK |
| Obciążenie, ciśnienie, skręt | TAK | NIE | TAK | TAK | TAK | TAK | NIE | NIE |
| Akcelerometr | TAK | NIE | TAK | TAK | TAK | TAK | NIE | NIE |
| Mikrofon | TAK | NIE | NIE | TAK | TAK | TAK | NIE | NIE |
| LVDT/RCDT | TAK | NIE | TAK | TAK | TAK | TAK | NIE | NIE |
| Wysokie napięcie | NIE | TAK | TAK | NIE | NIE | NIE | NIE | NIE |
Sensory temperatury
Najczęściej wykorzystywanymi sensorami temperatury są termopary, termistory i diody RTD. Tego rodzaju sensory analogowe charakteryzują się wyjściem napięciowym z napięciami zazwyczaj w zakresie miliwoltów. Wartość napięcia wyjściowego tych sensorów jest zbyt mała, aby podawać je bezpośrednio na przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC) i otrzymać odpowiednio precyzyjny pomiar. Na przykład termopara daje typowo amplitudę sygnału wyjściowego na poziomie ? 80 mV. Jeśli chcemy sprząc ten sensor z przetwornikiem o rozdzielczości 16 bitów i zakresie napięć wejściowych równym ?10 V, to przy tej amplitudzie wykorzystamy zaledwie 0,8% zakresu wejściowego ADC. Aby rozwiązać ten problem konieczne jest wzmocnienie sygnału z sensora, tak aby zakres napięć był zbliżony do zakresu napięć wejściowych przetwornika.
Rys.1. Autozero, czyli automatyczna kompensacja napięcia offsetu.
Jak napisano powyżej, sensory temperatury charakteryzują się niewielkim sygnałem napięciowym, bliskim 0 V, co sprawia, że błędy wynikające z pojawiania się offsetu napięciowego w sygnale mają ogromny wpływ na docelową dokładność układu pomiarowego. Offsetem w tym przypadku nazwać możemy odchylenie zmierzonej temperatury od wartości prawdziwej. Wiele układów pomiarowych ma wbudowaną funkcję autozero (patrz rysunek pierwszy), która pozwala na automatyczny pomiar i odjęcie offsetu napięciowego z sygnału z sensora. Jest to realizowane automatycznie, zanim układ przystąpi do pomiaru temperatury. Jeśli jednakże układ pomiarowy nie jest wyposażony w tą funkcję, zapewnić należy regularną kalibrację układu pomiarowego, zapewniającą minimalizację błędów, wynikających z pojawiania się offsetu napięciowego. Dodatkowo należy skonsultować się z dokumentacją sensora i układu, aby wyznaczyć jak znany offset wpływa na dokładność pomiaru.
Jako że pomiary temperatury prowadzone są najczęściej powoli, z niewielką częstotliwością próbkowania, są one podatne na zakłócenia wynikające z szumu o wysokiej częstotliwości. Często wykorzystuje się w torze sygnałowym dla tego rodzaju sensorów filtry dolnoprzepustowe, mające za zadanie usunąć składową związaną z szumem o wysokiej częstotliwości, a także zakłócenia o częstotliwości sieci (50 Hz lub 60 Hz), które bardzo często przenikają do tego rodzaju sygnałów i obecne są w większości środowisk tak laboratoryjnych jak i przemysłowych.
Termopara
Termopary, oprócz tego co napisano powyżej, mają bardzo specyficzne wymagania odnośnie kondycjonowania sygnałów. Z uwagi na formowanie się tzw. zimnego złącza, na styku drutu termoparowego i przewodu, np. miedzianego konieczna jest kompensacja powstającego tam napięcia, które inaczej doda się nam do napięcia zmierzonego na termoparze. Na przykład w systemie pokazanym na rysunku drugim (poniżej) zamiast mierzyć jedynie napięcie powstające na złączu AB, zmierzymy w rzeczywistości napięcie będące sumą AB + AC + BC. Dodatkowe złącza, nazywane zimnymi, będą generowały napięcie tak samo jak złącze termoparowe. Aby wyeliminować ten problem konieczny jest pomiar temperatury złączy AC i BC i odjęcie znanego napięcia od napięcia zmierzonego na całym układzie. Tego rodzaju zabieg nazywany jest kompensacją zimnego złącza (CJC). Większość systemów obsługujących termopary ma wbudowany tego rodzaju układ i automatycznie przeskalowuje pomiary w oprogramowaniu. Jeśli jednakże nasz system nie ma wbudowanej kompensacji tego rodzaju, to konieczny jest zewnętrzny pomiar temperatury zimnego złącza i odjęcie odpowiednich napięć w programie.
Rys.2. Błąd zimnego złącza dodaje dodatkowe napięcie do napięcia termopary
Jakkolwiek CJC pomaga zmniejszyć błędy, powodowane zimnym złączem, to sam układ może też dodatkowo dokładać błędy do pomiaru. Zależne to jest od tego w jaki sposób został on zaimplementowany. Sumaryczny błąd układu CJC zależny jest od sensora wykorzystanego do kompensacji CJC, błędu układu mierzącego temperaturę zimnego złącza oraz gradientu temperatury pomiędzy zimnym złączem, a miejscem gdzie umieszczony jest sensor. Zazwyczaj najważniejszym czynnikiem spośród wymienionych jest gradient temperatury, dlatego też umieszczenie układu kompensującego blisko rzeczywistego miejsca gdzie znajduje się zimne złącze jest kluczowe. Aby dalej zmniejszyć błąd kompensacji wykorzystać należy precyzyjny sensor temperatury ? może to być dyskretny termistor lub dioda, albo scalony sensor temperatury, o zakresie pracy takim jakie przyjmuje zimne złącze. Aby osiągnąć najlepsze rezultaty warto zainwestować środki w odpowiedni element do pomiaru temperatury, a także odpowiednio go skalibrować, tak aby pomiar temperatury zimnego złącza był możliwie precyzyjny.
Rys.3. Typowy układ pomiarowy współpracujący z termoparą
Kolejnym źródłem szumu w pomiarach z termoparą jest zanurzanie jej w wodzie lub też bezpośredni montaż na przewodzącym podłożu. Gdy termoparę zamontuje się w ten sposób, jest ona podatna na szum współbieżny i powstawanie pętli masy. Izolacja sygnału pomaga na usunięcie tych zakłóceń z sygnału analogowego z sensora.
Termistory i diody RTD
Termistory i RTD są aktywnymi sensorami temperatury, które wymagają wzbudzenia napięciem lub prądem. Istotne jest aby być świadomym, że duży prąd wzbudzenia ma wpływ na samoogrzewanie się tych sensorów, co może mieć poważny wpływ na dokładność pomiaru. Jeśli nie jest możliwe rozpraszanie ciepła z tego elementu, warto spróbować zmniejszyć prąd wzbudzenia. Wykorzystując termistory i diody do pomiaru temperatury, koniecznym jest także wykorzystanie omówionych powyżej bloków toru analogowego ? filtracji i wzmocnienia, aby usunąć z sygnału szum.
Tensometry
Tego rodzaju sensory pod wpływem naprężenia delikatnie zmieniają swoją rezystancję. Konieczny jest odpowiedni dobór mostka i kondycjonowania sygnału, aby umożliwić precyzyjny pomiar naprężenia. Trzy typowe architektury pomiaru ? ćwierć-, pół- i pełen mostek. Nazwy te dotyczą tego ile z ramion mostka Wheatstona złożonych jest z elementów aktywnych. Dla architektury pół- i ćwierć mostka konieczne jest aktywne kompletowanie mostka. Typowe układy kondycjonujące mostki Wheatstona dedykowane są do półmostków. Jeśli wykorzystuje się ćwierćmostek, konieczne jest dodanie trzeciego mostka do sensora. Podobnie jak przy pomiarze temperatury konieczne jest wzmocnienie niewielkiego napięcia z mostka (zazwyczaj poniżej 100 mV). Tak niskie napięcie wyjściowe jest podatne na zewnętrzne zakłócenia, dlatego sugeruje się dodanie do toru analogowego odpowiednich filtrów, umożliwiających usunięcie z sygnału szumu.
Rys.4. Zdalny pomiar napięcia wzbudzenia mostka
Mostki pomiarowe wymagają wzbudzenia napięciem z zakresu od 2,5 V do 10 V. Zmiana naprężenia przykładanego do tensometru powoduje zmianę proporcjonalną do napięcia wzbudzającego. Jakkolwiek wzbudzenie mostka większym napięciem powoduje zwiększenie napięcia wyjściowego z mostka, co powoduje zwiększenie stosunku sygnału do szumu (SNR), to może powodować także zwiększenie błędów pomiarowych z uwagi na samoogrzewanie się oporników i tensometrów w mostku. Zjawisko to powoduje zmianę rezystancji elementów mostka i zmianę czułości tensometrów, a także parametrów mechanicznych układu, wprowadza gradienty temperatury pomiędzy elementami etc. Ma to poważny wpływ na pomiar, szczególnie w przypadku gdy struktura do której przymocowany jest mostek nie zapewnia dobrego odprowadzania ciepła. Można zmniejszyć efekty samoogrzewania się elementów poprzez odpowiednich ich dobór ? zwiększenie powierzchni ? albo zmniejszenie napięcia wzbudzenia mostka.
Jeśli mostek umieszczony jest daleko od układu pomiarowego i źródła wzbudzenia, rezystancja przewodów doprowadzających napięcie wzbudzenia może zmniejszać jego wartość na mostku. Aby skompensować ten efekt można mierzyć zdalnie napięcie na doprowadzeniach do mostka, jak pokazano to na rysunku czwartym (powyżej). Jeśli układ ten połączy się z zasilaczem stabilizującym napięcie wzbudzenia mostka, możliwe jest takie sterowanie nim, dzięki sprzężeniu zwrotnemu, aby napięcie na mostku było dokładnie takie, jak wymagane, dzięki kompensacji strat na doprowadzeniach.
Po zainstalowaniu i podłączeniu do układu pomiarowego mostka Wheatstona mało prawdopodobnym jest, aby zero woltów przypadało na zerowe naprężenia. Niedokładności wykonania tensometrów, doprowadzenia etc. mają na to wpływ. W takim wypadku konieczne jest odjęcie offsetu od zmierzonego napięcia, co można zrealizować sprzętowo lub programowo. Jeśli realizujemy to z pomocą software, to można odjąć od mierzonych wartości pierwszy z pomiarów, wykonany bez przyłożonego naprężenia. Jest to bardzo prosta metoda, nie wymagająca ręcznych zabiegów, jednakże z uwagi na duży offset napięciowy, metoda ta zmniejsza zakres mierzalnych napięć. Inną metodą jest wykorzystanie sprzętowego balansowania mostka w torze analogowym wykorzystując do tego potencjometr do dostosowania napięcia offsetu. Reguluje się napięcie to z pomocą potencjometru tak długo, aż w warunkach bez naprężenia uzyska się zero woltów na wyjściu mostka.
Rys.5. Kalibracja offsetu i nachylenia krzywej pozwala zredukować błędy pomiaru.
Obciążenie, ciśnienie i skręt
Najczęstszymi sensorami do pomiaru tych wartości są tensometry w pełnym mostku Wheatstona, gdzie każdy z elementów mostka jest elementem aktywnym. Dzięki temu nie jest wymagane kompletowanie mostka. Zależnie od napięcia wzbudzenia wyjście z takiego sensora może być nisko- lub wysokonapięciowe.
Elementy te zazwyczaj wzbudzane są przez układ pomiarowy i dają napięcie wyjściowe w zakresie od miliwoltów do woltów, jednakże te ostatnie wymagają zasilania dedykowanymi zasilaczami o wysokim napięciu wyjściowym. Wyjście napięciowe może być w jednym ze standardów, przyjętych w przemyśle, takich jak ?5 V, ?10 V lub 4?20 mA. Jako że jest to pomiar w pełnym mostku stosuje się do tego wszystkie zalecenia odnośnie pomiaru i kondycjonowania sygnału oraz zdalnego pomiaru napięcia wzbudzającego, jakie opisano powyżej.
Akcelerometry i mikrofony
Pomiary dźwięku i wibracji są ze sobą mocno związane. Zasadniczo oba z wymienionych sensorów mierzą wibracje otoczenia, a różne jest tylko medium. Dlatego też kondycjonowanie sygnału z obu rodzajów sensorów jest bardzo podobne. To jakie elementy muszą znaleźć się w torze analogowym, zależne jest od tego czy sensor ma wbudowany wzmacniacz. Jeśli nie to koniecznie pamiętać trzeba, że sygnał produkowany przez tego rodzaju sensory jest niewielki i podatny na szum. Należy go wzmocnić, a także odpowiednio odfiltrować, aby usunąć zakłócenia.
Rys.6. Sprzężenie AC sygnału usuwa z niego składową stałą, co pozwala na zwiększenie rozdzielczości pomiaru.
Zintegrowane sensory piezoelektryczne (IEPE) łączą w swojej strukturze oprócz sensora także dedykowany wzmacniacz, co powoduje lepsze parametry sygnału wyjściowego i mniejszą podatność na zakłócenia. Kondycjoner sygnału do tego rodzaju układu musi być w stanie podać zasilanie ze źródła prądowego na wejście tego sensora, aby uaktywnić wzmacniacz. Jako że IEPE są źródłami o wysokiej impedancji, konieczne jest zaprojektowanie toru analogowego pozwalające na wzmocnienie generowanego ładunku z niskim szumem, układ taki musi mieć odpowiednio wysoką impedancję wejściową. Podobnie jak akcelerometry, mikrofony także mogą być zdalnie zasilane. Zewnętrznie polaryzowany mikrofon elektretowy wymaga zasilania rzędu 200 V podawanego z zewnętrznego zasilacza. Mikrofony typu IEPE wymagają podawania stałego prądu do zasilenia wbudowanego wzmacniacza.
Jeśli włączony jest wzmacniacz w układzie IEPE na wejściu obserwuje się offset DC, zależny od przyłożonego prądu i impedancji sensora. Sygnał zbierany z sensora tego rodzaju zawiera w sobie składową stałą i zmienną, gdzie składowa stała przesuwa sygnał AC względem 0 V. Może to powodować obniżenie efektywnej rozdzielczości pomiaru, dlatego też zaleca się usuwanie składowej stałej z sygnału poprzez sprzężenie AC sygnału z wykorzystaniem kondensatora wstawionego szeregowo w torze analogowym, który pozwala usunąć z niego składową DC.
LVDT i RVDT
Liniowe zmienne transformatory (LVDT) i obrotowe zmienne transformatory (RVDT) to popularne sensory pozycji w aplikacjach przemysłowych. Sensory te składają się ze stacjonarnej cewki i ruchomego rdzenia. Dzięki asocjacji wyjścia z konkretnym położeniem rdzenia, możliwy jest pomiar jego położenia, mierząc sygnał wyjściowy. Konieczne jest oczywiście odpowiednie kondycjonowanie sygnału, aby pomiar był w ogóle możliwy.
Sensor tego rodzaju musi zostać wzbudzony poprzez podanie przebiegu sinusoidalnego na uzwojenie pierwotne. Sygnał ten ma częstotliwość od 400 Hz do 10 kHz, powinna ona być przynajmniej 10 razy większa od największej częstotliwości ruchu, jaką spodziewamy się mierzyć. Wyjście z uzwojenia wtórnego demoduluje się tym samym sygnałem, który wzbudza sensor. Dodatkowo w torze analogowym umieszcza się filtr dolnoprzepustowy, mający za zadanie usunąć szum i zakłócenia. Rezultatem tych operacji jest napięcie DC, które proporcjonalne jest do przemieszczenia rdzenia w sensorze.
Źródło:
http://download.ni.com/evaluation/signal_conditioning/20712_Benefits_of_Integrated_SC_WP_HL.pdf
Cool? Ranking DIY
