4. ПрецИзійні масштабні вимірювальні перетворювачі

4.1. Вимоги до масштабних перетворювачів

4.2. Способи коригування випадкових похибок масштабних перетворювачів

4.3. Підсилювачі з МДМ–перетворенням

4.4. Корекція випадкових похибок в підсилювачах з періодичною корекцією дрейфу

4.5. Широкосмугові (двоканальні) перетворювачі

4.6. Пристрої гальванічного розділення

4.1. Вимоги до масштабних перетворювачів

До масштабних перетворювачів ставляться такі вимоги [53]:

- точність не нижча точності первинних вимірювальних перетворювачів (як правило вища);

- висока завадостійкість до завад, в яких амплітуда набагато перевищує корисний сигнал (значення завад спільного виду може сягати сотні Вольт, а нормального виду – десятки мілівольт);

- висока чутливість (приведена до вхідної напруги постійного струму порядку від декількох десятих до одиниць мікровольт;

- інваріантність до впливу ліній зв’язку;

- високі часова та температурна стабільність;

- безпечність в експлуатації (безпечність експлуатації відносно дорогої вторинної апаратури в можливих аварійних режимах роботи);

- надійність, простота схеми і конструкції (масові вироби);

- механічна міцність, сейсмостійкість;

- нечутливість до стрибкоподібних змін опору навантаження;

- монотонний перехідний процес після включення живлення та його короткочасного зникнення; обмеження можливості хибного спрацювання сигналізації;

- резервування живлення.

Поставленим вимогам відповідають структури масштабних перетворювачів прямого перетворення та з корекцією похибок – з каналом модуляція-демодуляція МДМ або ж з періодичною корекцією дрейфу ПКД [1, 2, 27-33, 41, 54-57]. Всі зазначені типи прецизійних масштабних перетворювачів в сучасній технічній літературі мають також назву інструментальних підсилювачів [1, 2, 41, 54-57]. Масштабні перетворювачі прямого перетворення зазвичай реалізуються на основі прецизійних ОП. На базі сучасних ОП можна реалізовувати масштабні блоки перетворення, МСП яких може сягати значень тисячних часток відсотка. Але АСП, зумовлена напругою зміщення, вхідними струмами та їх часовим та температурним дрейфом, призводить до появи набагато більших значень похибок, особливо при перетворенні сигналів низького рівня. Для коригування АСП в реальному масштабі часу використовуються на сьогодні два методи перетворення: з каналом модуляція-демодуляція та з періодичною корекцією дрейфу. Сучасний підхід до трактування дрейфу еквівалентної напруги зміщення прецизійних масштабних перетворювачів полягає в його частотному представленні та подальшому аналізі як випадкової складової похибки.

4.2. Способи коригування випадкових похибок масштабних перетворювачів

Відповідальною ланкою, яка в основному визначає метрологічні характеристики перетворювача, є вхідний підсилювач (рис. 4.1). Вихідна напруга U_в такого підсилювача

(4.1)

де U_x – вхідна напруга; R₁, R₂ – опори резисторів зворотного зв’язку; е_m – напруга вхідних шумів операційного підсилювача; , –шумові струми інвертувального та неінвертувального входів.

Рис. 4.1. Еквівалентна шумова схема масштабного перетворювача

Навіть для прецизійних операційних підсилювачів прямого підсилення еквівалентна вхідна шумова напруга на інфранизьких частотах складатиме одиниці-десятки мікровольт. Це пов’язане з великою спектральною густиною шумів операційних підсилювачів на інфранизьких частотах [54-57].

Частотну залежність спектральної густини шумів S_y(ω) операційних підсилювачів можна апроксимувати гіперболічною залежністю (рис.4.2) , де S₀ – спектральна густина „білого” шуму; ω₀ – частота спряження „білого” та „рожевого” (флікер-шуму) шумів; ω – поточна частота. Одиниці вимірювання спектральної густини шуму: або .

Р ис. 4.2. Спектральна густина шумів операційних підсилювачів

Дисперсія вихідного сигналу підсилювача прагне до безмежності. Але на практиці смуга пропускання підсилювачів обмежується знизу частотою встановлення f_н нульового рівня, а зверху – верхнього частотою f_в смуги пропускання. Тоді і є скінченною величиною.

Оскільки масштабні перетворювачі як пристрої промислового призначення в основному повинні працювати на протязі тисяч годин без обслуговування, то в них нормуючий підсилювач будується на основі підсилювачів з МДМ-перетворенням або з періодичною корекцією дрейфу.