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

Dodanie jednego rezystora poprawia liniowość analogowego anemometru do poniżej 0.5%

ghost666 24 Sty 2024 11:30 1527 16
  • Dzisiaj przeanalizujemy prosty anemometr, skonstruowany w oparciu o samoogrzewającą się parę tranzystorów Darlingtona, którą wykorzystuje się do pomiaru prędkości powietrza. Schemat takiego układu pokazano na rysunku 1.

    Dodanie jednego rezystora poprawia liniowość analogowego anemometru do poniżej 0.5%
    Rys.1. Układ z samorozgrzewającym się czujnikiem przepływu powietrza bazującym na tranzystorze Darlingtona.


    W przedstawionym powyżej obwodzie, Q1 pełni funkcję samorozgrzewającego się czujnika. Jego współczynnik termiczny Vbe przekształca temperaturę na napięcie, które jest następnie przesunięte i przeskalowane przez A2 do zakresu 5 V. Jednocześnie A1 reguluje napięcie referencyjne 200 mV, aby doprowadzić prąd ogrzewający Q1 równy 0,2 V/R3 = 67 mA, co daje stałą moc rozpraszania 67 mA * 4,8 V = 320 mW. Różnica termiki otoczenia i złącza dostarcza odczytu prędkości powietrza, gdy jest chłodzona z różnicą temperatury powyżej otoczenia wynoszącą 64°C przy 0 m³/h, aż do 22°C przy ok. 57 m³/h.

    Otrzymany czujnik jest prosty, czuły i w pełni oparty na półprzewodnikach. Jednak cierpi z powodu mocno nieliniowej odpowiedzi na prędkość powietrza, jak pokazano na rysunku 2.

    Dodanie jednego rezystora poprawia liniowość analogowego anemometru do poniżej 0.5%
    Rys.2. Napięcie wyjściowe Vout w funkcji prędkości przepływu powietrza. Widoczna jest wysoka nieliniowość tego sensora.


    Jednym z wartościowych pomysłów jest dodanie linearyzacji z wykorzystaniem logarytmu odwrotnego, jak zaprezentowano na rysunku 3. W tym celu wykorzystano prosty układ konwertera napięcia do częstotliwości (VFC).

    Dodanie jednego rezystora poprawia liniowość analogowego anemometru do poniżej 0.5%
    Rys.3. Konwerter napięcia do częstotliwości (VFC).


    Na rysunku 4 przedstawiono, jaki wpływ mają zmiany ze schematu z rysunku 3, jeśli chodzi o liniowość niebieskiej krzywej. Jednakże nadal w środku zakresu obserwowany jest błąd na poziomie 12% pełnej skali. Układ ten jest zdecydowanie daleki od ideału i pozostawia sporo miejsca na dalszą optymalizację.

    Dodanie jednego rezystora poprawia liniowość analogowego anemometru do poniżej 0.5%
    Rys.4. Liniowość odpowiedzi na prędkość powietrza w układzie z rysunku 3, poprawiona dzięki antylogarytmicznej funkcji sterowania napięciem. Nadal jednak rezultat nie jest doskonały.


    Problem ten posiada jeszcze bardziej eleganckie rozwiązanie numeryczne, które praktycznie likwiduje ten mankament i sprawia, że odpowiedź netto jest praktycznie liniowa. Wymaga to jednak digitalizacji sygnału i jego programowej linearyzacji. Zapewnia to błąd na poziomie poniżej 0,2%.

    Jednakże konsekwencją przeprowadzenia linearyzacji w dziedzinie cyfrowej po przekształceniu analogowo-cyfrowym, a nie w analogowej przed przekształceniem, jest znaczny wzrost wymaganej rozdzielczości przetwornika ADC, tj. z 11 bitów na 15. Przyjrzyjmy się, dlaczego tak jest.

    Uzyskanie liniowego sygnału prędkości powietrza w zakresie od 0 do 2000 stóp na minutę z rozdzielczością 1 stopy na minutę wymagałoby rozdzielczości przetwornika ADC 1 na 2000 = 11 bitów. Jednak analiza krzywej na rysunku 2 ujawnia, że mimo iż pełny zakres sygnału prędkości powietrza wynosi 5 V, zmiana sygnału związana z przyrostem prędkości powietrza o 1999 stóp na minutę do 2000 stóp na minutę stanowi tylko 0,2 mV. Aby więc utrzymać pierwszy sygnał na skali, jednocześnie rozdzielając drugi, wymagana byłaby minimalna rozdzielczość przetwornika ADC 1 na 5 / 0,0002 = 1 na 25 000 = 14,6 bitów.

    Przetworniki ADC o rozdzielczości 15 bitów (i wyższej) nie są ani rzadkie, ani szczególnie drogie. Jednakże zazwyczaj nie są one zintegrowanymi podzespołami w mikrokontrolerach. Trzeba je dodawać jako dodatkowe układy scalone na PCB. Wydaje się zatem prawdopodobne, że takie rozwiązanie, o ile w pełni wykonalne, to wiąże się z nadprogramowymi kosztami.

    Z uwagi na to, warto zastanowić się, czy istnieje lepszy sposób na linearyzację układu w domenie analogowej. Jeśli tak i jeżeli nie jest zbyt skomplikowany ani kosztowny w implementacji, to mógłby stanowić alternatywę dla rozwiązania cyfrowego o podobnych osiągach, ale bez konieczności korzystania z przetwornika ADC o dużej rozdzielczości. Okazało się, że tak jest. Rysunek 5 prezentuje takie rozwiązanie.

    Dodanie jednego rezystora poprawia liniowość analogowego anemometru do poniżej 0.5%
    Rys.5. Uwzględnienie rezystora (R6) i zmiana innego (R1) eliminuje nierówności w analogowej linearyzacji z rysunku 3.


    Kluczowym elementem poprawy liniowości jest dodany rezystor R6. Działa on poprzez zmniejszenie amplitudy piłokształtnego sygnału czasowego na pinie 2 układu 555, skracając okres działania układu VFC i podnosząc częstotliwość VFC o czynnik korygujący nieliniowość. Daje to wynik przedstawiony na rysunku 6.

    Otrzymana funkcja prędkości powietrza odbiega od idealnej liniowości tylko o -0,4% do +0,2%, co przekłada się na odchyłkę -8 do +4 stóp na minutę, jak pokazano na rysunku 6 i 7 (rozszerzona skala).

    Dodanie jednego rezystora poprawia liniowość analogowego anemometru do poniżej 0.5%
    Rys.6. Poprawiona układem analogowym liniowość, dzięki zmianom w VFC, pokazane jako niebieska i czarna linia.


    Dodanie jednego rezystora poprawia liniowość analogowego anemometru do poniżej 0.5%
    Rys.7. Przybliżenie na błąd liniowości, zaprezentowanej na rysunku 6.


    Trzeba przyznać, że to z pewnością nie jest tak dobre, jak imponujący wynik numeryczny po konwersji, ale być może nadal jest to akceptowalne dla prostej analogowej metody sterowania... Realnie rzecz biorąc, to rozwiązanie rozsądne, które spełnia każde typowe oczekiwanie co do dokładności takiego czujnika.

    Źródło: https://www.edn.com/adding-one-resistor-improves-anemometer-analog-linearity-to-better-than-0-5/

    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.
  • #2 20926788
    analog_6
    Poziom 16  
    I tak to się właśnie robi, kiedy się ma pojęcie o elektronice i mózg wewnątrz czaszki. Proste problemy rozwiązuje się metodami adekwatnymi do potrzeb, możliwie prostymi. W odróżnieniu od pseudoelektroników, którzy na wszystko mają to samo standardowe rozwiązanie, jak stary ślepy koń (żeby nie powiedzieć osioł): adc + procesor. A jak się w ten sposób nie da, to brak konceptu
  • #3 20926950
    CosteC
    Poziom 38  
    analog_6 napisał:
    I tak to się właśnie robi, kiedy się ma pojęcie o elektronice i mózg wewnątrz czaszki. Proste problemy rozwiązuje się metodami adekwatnymi do potrzeb, możliwie prostymi.

    Szanowny kolega może przeprowadzi rachunek błędów dla tego rozwiązania, uwzględniający rozrzut parametrów półprzewodników, to się czegoś nauczymy.
    Alternatywnie, kolega wytłumaczy czemu 2% rozwiązanie przemysłowe kosztuje tak z 3k PLN. Czyżby spisek ludzi jaszczurów?

    Jeśli nie ludzie jaszczury to zapewne jednak proponowany układ nie jest tak dokładny i liniowy jak sugerują obliczenia i dlatego w praktyce stosuje się inne metody, nawet gdy wymagana dokładność to 1-3%...
  • #4 20929183
    analog_6
    Poziom 16  
    To nie jest wątek o metodach pomiarów przepływu ani o analizowaniu ich problemów a już na pewno nie o prawno - finansowych aspektach urządzeń przemysłowych vs powszechnego użytku. Tylko o metodzie realizacji charakterystyki odwrotnej i jej korekcji. A dokładniej, jak prostymi i ekonomicznymi metodami UKŁADOWYMI można osiągnąć bardzo dobre (wystarczające) efekty. Przynajmnej jak tak to zrozumiałem.
  • #5 20929262
    CosteC
    Poziom 38  
    analog_6 napisał:
    To nie jest wątek o metodach pomiarów przepływu ani o analizowaniu ich problemów a już na pewno nie o prawno - finansowych aspektach urządzeń przemysłowych vs powszechnego użytku. Tylko o metodzie realizacji charakterystyki odwrotnej i jej korekcji. A dokładniej, jak prostymi i ekonomicznymi metodami UKŁADOWYMI można osiągnąć bardzo dobre (wystarczające) efekty. Przynajmnej jak tak to zrozumiałem.

    Szanowny kolega rozdzielił dokładność hipotetyczną od dokładności praktycznej - jeśli układ ma 0.5% dokładności o ile V.be = 0.65000 V to pięknie, ale w praktyce doskonale wiemy, że tak nie jest.
    W proponowanym układzie charakterystyka wyjściowa zależy od charakterystyki diody 1N4148 a ta zależy od jej temperatury i od konkretnej sztuki diody.

    P.S. Wykresy śmierdzą imperializmem: FPS - Stopy na minutę?
  • #6 20929401
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    CosteC napisał:
    P.S. Wykresy śmierdzą imperializmem: FPS - Stopy na minutę?


    Tak, a FPM to stopy na minutę. Źródło jest amerykańskie.
  • #7 20930015
    analog_6
    Poziom 16  
    CosteC napisał:
    W proponowanym układzie charakterystyka wyjściowa zależy od charakterystyki diody 1N4148 a ta zależy od jej temperatury i od konkretnej sztuki diody.
    Zależy też od producenta i egzemplarza układu 7555, jego temperatury i obciążenia, od stabilności i dokładności zasilania 5v itp.
    Mi chodziło o podejście do rozwiązania problemu. Proste i NIEZAWODNE rozwiązanie prostego problemu. Ten przykład należy traktować jako ilustracyjny a nie wzorcowy. Bo można to zrobić z minimalnymi dryftami lepszym układem i zredukowac błąd liniowości jeszcze bardziej. Tylko po co, skoro sama metoda pomiaru jest daleka od ideału ani też ideał nie jest prawie nigdy potrzebny. A kiedy jest potrzebny, to stosuje się adekwatne metody.
  • #8 20930044
    CosteC
    Poziom 38  
    Zachęcam kolegę aby policzył realną dokładność układu nim będzie mówił o "prostocie" i "niezawodności". Podejście bardzo ciekawe, ale czy praktyczne? Czy warto poprawiać liniowość do 0.5% gdy rozrzuty spowodują błędy rzędu 30% bez kalibracji? Elegancja matematyczna projektu jest niczym jeśli nie uwzględnia wpływu elementów, lub, co gorsza, polega na stabilności niestabilnego parametru.

    Kolega się czepia metody pomiaru - a gdzie z nią problem? Anemometry z gorącym drutem są standardem w wielu dziedzinach. Tutaj mamy gorący tranzystor, zasada taka sama, czas odpowiedzi oczywiście gorszy, ale milisekundy nie są tu potrzebne.
  • #9 20930241
    analog_6
    Poziom 16  
    Miernictwo wielkości nieelektrycznych bez korekcji offsetu, skali, lineraryzacji, często bardzo precyzyjnych, skomplikowanych i wymagających kompensacji nie istnieje. W ogóle! Jedynie niektóre pomiary mostkowe, możliwe w niektórych metodach pomiarów niektórych wielkości, możliwe są w uproszczonym układzie i dają relatywnie bardzo dobry efekt prostymi metodami.
    Więc to żaden argument, że coś trzeba korygować, kompensować albo nawet dobierać. Nawet głupie ciepłownicze pary termorezystorów Pt się dobiera. Jeśli nawet nie porządnie, to przynajmniej tak, żeby ten "gorący" nawet w stanie zero pokazywał ciut więcej niż ten "zimny", żeby klient się nie dziwił a ciepłownia nie musiała się tłumaczyć.
    Pomiar przepływu na chłodzonym tranzystorze, to pomiar już z natury amatorski. Właśnie dlatego, że nie na drucie. I nie ma co tu próbować zaszczepiać metod rodem z przemysłu, gdzie w grę wchodzą kosztowne rozliczenia, czy z laboratorium.
    Termometry na złączu p-n też są popularne (bo praktycznie darmowe) i dokładne w pewnym zakresie. Ale nikt tego nie będzie używał na poważnie w technice stricte pomiarowej. Tak samo jak termistorów. Bo to są elementy z natury o niepowtarzalnych parametrach i co gorsza niestabilnych w czasie.

    Po raz kolejny. Chodzi mi nie o konkretny przypadek, tylko o PRZYKŁAD jak się charakterystyki prostuje metodami sprzętowymi. Tanimi i dającymi praktycznie często dowolną dokładność, zależnie od poniesionego wysiłku i zaleznie od potrzeb.
  • #10 20930538
    CosteC
    Poziom 38  
    analog_6 napisał:
    Miernictwo wielkości nieelektrycznych bez korekcji offsetu, skali, lineraryzacji, często bardzo precyzyjnych, skomplikowanych i wymagających kompensacji nie istnieje. W ogóle!

    Truizm truizmem pogania. Nic nowego.
    analog_6 napisał:
    Nawet głupie ciepłownicze pary termorezystorów Pt się dobiera.

    Głupie to jest takie pisanie. Szanowny kolega policzy sobie ile to jest w pieniądzach, błąd 0.01'C przy pomiarach pary przegrzanej w skali ciepłowni, albo nawet średniej wielkości bloku.

    analog_6 napisał:
    Pomiar przepływu na chłodzonym tranzystorze, to pomiar już z natury amatorski.

    Kolega znowu górnolotnie a tymczasem słoma z butów wychodzi. Są aplikacje, gdzie liniowość jest nieistotna bo na przykład sprawdzamy czy wentylator działa. Tam liczy się prostota i taniość a nie "liniowość 0.5%" która udała się "Szanownemu Panu Projektantowi Analogowemu Starej Szkoły" w jednej sztuce, na biurku, przy pełni księżyca.
    Przykład może ładny, ale akademicko nieprzydatny - dowód przerostu formy nad treścią.
  • #11 20930623
    analog_6
    Poziom 16  
    CosteC napisał:
    Truizm truizmem pogania. Nic nowego.
    No to po co podnosisz temat konieczności strojenia?
    Cytat:
    Głupie to jest takie pisanie. Szanowny kolega policzy sobie ile to jest w pieniądzach, błąd 0.01'C przy pomiarach pary przegrzanej w skali ciepłowni, albo nawet średniej wielkości bloku.
    I co z tego? Masz ty pojęcie o czym w ogóle piszesz? Co to jest 0,01C? Jak to zmierzyć? Czym? W warunkach dowolnej ciepłowni? :) Akurat w kwestii pomiarów temperatury wiem co nieco. I wiem (nie domniemywam) jak to się robi, jak się "produkuje" pary czujników, z czego. Nie żadne garażowe, tylko takie z opieczętowanymi urzędowo papierami, tabliczkami seryjnymi i dyndającymi plombami.
    Cytat:
    tymczasem słoma z butów wychodzi.
    Słoma z butów wychodzi, kiedy się używa określeń nie pasujących do kontekstu. Czyli kiedy się wykazuje niedobory wykształcenia w zakresie stosowania języka.
    Cytat:
    Są aplikacje, gdzie liniowość jest nieistotna bo na przykład sprawdzamy czy wentylator działa. Tam liczy się prostota i taniość a nie "liniowość 0.5%"
    No to po co w ogóle wszczynasz dyskusję i podajesz argumenty. Skoro są o niczym? Nikt nie prosił.
    Akurat temat opisuje miernik zakresowy a nie czujnik progowy.
  • #12 20931604
    satanistik
    Poziom 27  
    Ciekawe czy dało byś się zbudować ten układ w praktyce? Podoba mi się że czujnikiem nie jest drut bo w warunkach słonej wilgoci może skorodować. Przetwornik 15bit też wymaga stabilnego vref.

    Cytat:
    I tak to się właśnie robi, kiedy się ma pojęcie o elektronice i mózg wewnątrz czaszki. Proste problemy rozwiązuje się metodami adekwatnymi do potrzeb, możliwie prostymi.


    Jeżeli ktoś jest w stanie napisać dobry stabilny program to nie uważał bym go za debila, to jak wyśmiewać kardiologa że nie potrafi zaplombować zęba. Niestety elektroniki już jest nawymyslane tyle że nie starczy życia na wszystko. Problemy najlepiej rozwiązywać metodami dostępnymi, znanymi i sprawdzonymi. Program doświadczonego analogowca może działać bardzo podobnie jak analogowy lienearyzator młodego programisty.
  • #13 20932035
    analog_6
    Poziom 16  
    Przepływomierze tego typu są jednymi z najstarszych znanych i są proste, jak najbardziej można sobie zrobić i to działa. Drut daje się taki, żeby nie korodował. Przepływomierze nie są uniwersalne, tylko do konkretnych mediów i konkretnych zanieczyszczeń. Jeśli chcesz szybką odpowiedż wyniku, to musi być drut a nie żadna struktura zatopiona w plastiku.

    O wszystkim co się robi trzeba mieć pojęcie, bo bez tego wychodzi funkcjonalny potworek albo sprzęt który zawodzi w wielu pospolitych przypadkach. Znalezienie kogoś kto potrafi zrobić naprawdę dobra elektronikę jest tak samo trudne (i coraz trudniejsze) jak znalezienie kogoś kto potrafi zrobić naprawdę dobry i niezawodny system mikroprocesorowy (bo sam program jest tylko elementem). W każdym razie większość tych, którym się wydaje że potrafią, wykłada się w praktyce. Na najprostszych z pozoru zadaniach. Widziałem to mnóstwo razy.
  • #14 20933215
    satanistik
    Poziom 27  
    Może użycie tranzystora w metalowej obudowie albo smd? Chodzi o wiatromierz do łódki - nie mam jak wytworzyć i raczej nie idzie kupić specjalistycznego drutu który na skutek stałego napięcia pewnie zjadła by elektroliza.

    Cytat:
    Znalezienie kogoś kto potrafi zrobić naprawdę dobra elektronikę jest tak samo trudne (i coraz trudniejsze)
    - czy ja wiem, kiedyś zbudowanie radia zajmowało naszemu przemysłowi dekady i nie były to super konstrukcje, cały nasz przemysł za PRL nie poradził sobie z elektronicznym zapłonem i moduły do 126p były tylko z importu. Kiedyś te dobre projekty to była aplikacja jedynego dostępnego układu. Wybitnych konstruktorów, lekarzy, kompozytorów itd nigdy nie było i nie będzie (o ile Chiny nie zaczną grzebać w genach) na pęczki.
  • #15 20933441
    analog_6
    Poziom 16  
    Praktycznie dowolny drut, jesli boisz się korozji, możesz dać do pozłocenia warstwą ochronną. Ale reakcja drutu jest natychmiastowa a na żaglówce to chyba ważne. Tranzystory tez mają wyprowadzenia metalowe, które korodują...
    Żaglówki mają wszystkie wiatromierze wirnikowe i to się sprawdza, po co się bawić w metody przeznaczone do rurociągów i kanałów?

    Kiedyś to było kiedyś. Kiedyś nie było odpowiednich części dostępnych albo nawet w ogóle. Dziś są części ale wiedzy do ich stosowania coraz mniej. A skłonności do zrobienia czegoś jak należy jeszcze mniej.
    Kiedyś odbiornik UKF miał czułość mono zaczynającą się już poniżej mikrowolta. Dziś kupujesz "odbiornik światowy" Panasonica i ten badziew, który ma radio na jednym scalaku, ledwie łapie 30km od Warszawy. Chińskie radio samochodowe z bezpośrednią przemianą sensownie odbiera tylko w centrum :) A potem sie dziwią politycy, że połowa Polaków słucha tylko RM :)
  • #16 20933541
    satanistik
    Poziom 27  
    Teraz wszystko jest na scalaku do radia z komórek ;-).
    Mój wujek jest żeglarzem i ma wiatromierz wirnikowy, kiedyś opowiadał że po kilku latach poszły łożyska i w nocy wspiął się na maszt bo drgania nioslo po takielunku i nie dało się spać. Dodatkowo dobry wiatromierz mechaniczny którego nie zabije słona mgła to też spory koszt.

    Myślałem o pokryciu elementu lakierem epoksydowym.
  • #17 20949982
    analog_6
    Poziom 16  
    Wiatromierz wirnikowy - jeden rzut oka i wiesz czy działa. Wiatromierz elektroniczny - nigdy nie wiesz co pokazuje i w jakim stopniu głupoty. Poza tym i tak musisz mieć czujnik kierunku wiatru, raczej mechaniczny.
    Dobrych rozwiązań się bezmyślnie nie wyrzuca, tylko udoskonala. To klucz do perfekcji. "Lepsze" jest wrogiem dobrego.

Podsumowanie tematu

Dyskusja dotyczy analizy anemometru opartego na tranzystorach Darlingtona, który wykorzystuje samorozgrzewający się czujnik do pomiaru prędkości powietrza. Uczestnicy wymieniają się spostrzeżeniami na temat dokładności i liniowości układu, wskazując na różnice między teoretycznymi a praktycznymi wynikami pomiarów. Podkreślają znaczenie stabilności parametrów, takich jak Vbe tranzystora oraz wpływ temperatury na charakterystykę diody 1N4148. Wskazują również na konieczność kalibracji i korekcji błędów, a także na ograniczenia związane z użyciem prostych rozwiązań w kontekście bardziej wymagających aplikacji. Wspomniano o różnych metodach pomiaru przepływu, w tym o wiatromierzach wirnikowych, które są bardziej niezawodne w praktyce.
Podsumowanie wygenerowane przez model językowy.
REKLAMA