4 Курс / ЭФУСА / ЭФУСА. Авдеев

Доступны различные методы для линеаризации мостовых схем, но важно различать линейность уравнения моста и линейность выходного сигнала датчика (его реакцию на то или иное физическое явление).

Например, если активный элемент датчика – терморезистор, зависящий от температуры, то осуществляющий измерение мост может иметь адекватную линейность, а вот выходная характеристика, наоборот, из-за нелинейности самого датчика температуры. Изготовители датчиков используют различного рода способы для уменьшения проблемы нелинейности, например, пытаются уменьшить колебания сопротивления в мостовой схеме, формируют дополнительный нелинейный отклик в активных элементах моста и т.д.

На рисунке 5.12 а изображен одноэлементный варьирующейся активный мост, в котором ОУ воспроизводит нулевой сигнал, с помощью напряжения, снимаемого с плеча моста. Это напряжение равно по величине и противоположно по полярности дополнительному напряжению находящегося напротив потенциометра, также линейным с ΔR. Так как это выходной сигнал с ОУ, он может быть использован как малое полное сопротивления выходной характеристики для измерения данного моста. Этот активный мост имеет коэффициент усиления, вдвое превышающий стандартную одноэлементную схему варьирующегося моста, вместе с этим выходная характеристика является линейной, даже при больших значениях ΔR. Из-за малых выходных значений сигнала, этому мосту обычно требуется вторичный ОУ. ОУ используемый в этой схеме требует двойное питание из-за того, что его выходной сигнал должен быть отрицательным.

UВых

Рисунок 5.12 – Линеаризация одноэлементного разностного метода моста

Еще одна схема моста с линеаризацией одного элемента показана на рисунке 5.12 б. Нижняя часть моста управляется операционным усилителем, который поддерживает постоянный ток в переменном сопротивлении. Выходной сигнал берется из правой части схемы моста и усиливается неинвертирующим ОУ. Выход линейный, но для цепи требуется два ОУ, которые должны работать

251

от двух источников. К тому же, Rl и R2 должны быть согласованы для точного усиления.

Схема для линеаризации вольтового двухэлементного переменного моста показана на рисунке 5.13 а. Эта схема аналогична рисунку 5.12 а и имеет в два раза большую чувствительность. Требуется операционный усилитель с двойным питанием, также может потребоваться дополнительное усиление.

Рисунок 5.13 – Линеаризация двухэлементного измерительного моста

Двухэлементная схема переменного моста на рисунке 5.13 б использует операционный усилитель, резистор для измерения и постоянное напряжение для поддержания непрерывного тока через мост. Ток через каждую ветвь моста остается постоянным по мере изменения сопротивления; поэтому выход является линейной функцией ΔR. Дополнительный коэффициент усиления обеспечивает измерительный усилитель.

Сопротивление проводки и шумоподавление – самые большие проблемы, связанные с удаленно расположенными мостами. На рисунке 5.14 показан тензодатчик 350 Ом, который соединен с остальной мостовой схемой 30– жильной витой медной пары длинной в 3 м. Сопротивление провода при 25 °C составляет 0,032 Ом/м или 10,5 Ом для 3 м. Таким образом, общее сопротивление, идущее последовательно с тензодатчиком 350 Ом, составляет 21 Ом. Температурный коэффициент медной проволоки составляет 0,385 %/°С. Теперь, мы вычислим ошибку усиления и смещения в выходе моста из-за повышения температуры +10 °C в кабеле. Эти вычисления легко сделать, потому что выходное напряжение представляет собой просто разницу между выходом двух делителей напряжения, каждый из которых приводится в движение от источника +10 В.

252

+10В

RLEAD 10,5Ом(10,904Ом)

-+

RLEAD 10,5Ом(10,904Ом)

Рисунок 5.14 – Ошибки, вызванные сопротивлением проводки для удаленного резистивного мостового датчика

Полномасштабное изменение сопротивления тензодатчика (с изгибом) выше его номинального значения 350 Ом составляет + 1 % (+3,5 Ом), что соответствует полномасштабному сопротивлению деформации 353,5 Ом, что вызывает выходное напряжение моста +23,45 мВ. Обратите внимание, что добавление резистора в 21 Ом компенсирует сопротивление проводки и уравновешивает мост, когда сопротивление тензодатчика составляет 350 Ом. Без изменения сопротивления мост будет иметь напряжение на выходе 145,63 мВ для номинального сопротивления тензометра 350 Ом. Это смещение может быть компенсировано в программном обеспечении достаточно просто, но для этого примера решено сделать это с помощью регулировки RCOMP.

Предположим, что температура кабеля повышается на + 10 °C выше номинальной комнатной температуры. Это приводит к увеличению общего сопротивления на выводах + 0,404 Ом (10,5 Ом × 0,00385/°C × 10 °C) в каждом выводе (значения в круглых скобках на диаграмме показывают значения при +35 °C). Общее дополнительное сопротивление выводов (обоих выводов) составляет +0,808 Ом. При отсутствии натяжения – это дополнительное сопротивление вывода вызывает смещение +5,44 мВ на выходном сигнале моста. Полномасштабная деформация дает на выходе +28,83 мВ (изменение на + 23,39 мВ без напряжения). Таким образом, повышение температуры вызывает погрешность смещения напряжения +5,44 мВ (+ 23 % от полной шкалы) и погрешность усиления –0,06 мВ (23,39 мВ – 23,45 мВ) или –0,26 % от полной шкалы. Обратите внимание, что эти погрешности производятся исключительно для 30-жильного провода и не относятся к погрешности температурного коэффициента в самом тензодатчике.

Эффекты сопротивления проводки на выходе моста можно минимизировать с помощью 3-проводного соединения, показанного на рисунке

253

5.15. Мы предполагаем, что выходное напряжение моста измеряется устройством с высоким импедансом, поэтому ток в принципе отсутствует.

RLEAD 10,5Ом(10,904Ом)

Рисунок 5.15 – 3–проводное подключение к удаленному мостовому элементу

Обратите внимание, что измерительный вывод измеряет выходное напряжения делителя: верхняя половина – это мостовой резистор и сопротивление провода, а нижняя половина – сопротивление тензодатчика и сопротивление провода. Поэтому номинальное напряжение считывания не зависит от сопротивления провода. Когда сопротивление тензодатчика увеличивается до полной шкалы (353,5 Ом), выходной сигнал моста увеличивается до +24,15 мВ.

Повышение температуры до + 35 °C увеличивает сопротивление на выводе на +0,404 Ом в каждой половине делителя. Полное выходное напряжение моста уменьшается до +24,13 мВ из-за небольшой потери чувствительности, но установленная погрешности отсутствует. Следовательно, погрешность возникает из-за повышения температуры на + 10 °C и составляет всего –0,02 мВ или –0,08 % от полной шкалы. Сравните этот результат с ошибкой смещения полной шкалы + 23 % и ошибкой усиления –0,26 % для двухпроводного соединения, показанного на рисунке 5.14.

Трехпроводный метод хорошо работает для дистанционно расположенных резистивных элементов, которые составляют один выход одноэлементного переменного моста. Тем не менее, все элементы различных мостов обычно размещаются в полной сборке, как в случае весоизмерительного элемента. Когда эти мосты дистанционно расположены от управляющей электроники, для поддержания точности должны использоваться специальные методы.

Особую проблему вызывает поддержание точности и стабильности напряжения питания моста. Выходной сигнал моста прямо пропорционален напряжению питания, и любое изменение напряжения создает соответствующий изменение выходного напряжения.

254

По этой причине большинство многоэлементных мостов (таких как весоизмерительные элементы) представляют собой шестижильные узлы: два вывода для выхода моста, два вывода для возбуждения моста и два “чувствительных” зонда. Этот метод (называемый Kelvin или 4–проводным зондированием) показан на рисунке 5.16 а. Выводы зонда поступают на высокоомные операционные усилители, поэтому существует минимальная погрешность из–за падения напряжения, вызванного смещением сопротивления самих выводов. ОУ поддерживают требуемое напряжение питания, чтобы измерять напряжение между измерительными выводами которое всегда должно быть равным Ub. Хотя чувствительность 4–проводным зондированием устраняет погрешности из–за падения напряжения в сопротивлении проводки, напряжение на входе должно оставаться достаточно стабильным, поскольку оно напрямую влияет на выходную характеристику моста. Кроме того, операционные усилители должны иметь низкое смещение, низкую девиацию и низкий уровень шума.

+Ub

+Ub

Рисунок 5.16 – Уменьшении ошибки благодаря использованию 4–проводного подключения (а) и питанию от источника тока (б)

Метод возбуждения с постоянным током, показанный на рисунке 5.16 б, является еще одним способом минимизации влияния сопротивления проводки на точность измерения. Тем не менее, точность эталонного сигнала, резистора чувствительности и операционного усилителя влияют на общую точность.

Очень мощный метод, который включает чувствительность 4–проводным зондированием для минимизации погрешностей из–за сопротивления проводки, а также устраняет необходимость точного напряжения возбуждения, показан на рисунке 5.17. АЦП AD7730 может управляться от одного напряжения питания, которое также используется для питания удаленного моста. Как аналоговый вход, так и опорный вход для АЦП имеют высокий и полностью дифференциальный импеданс. Используя выходы + и – SENSE с моста в качестве дифференциальноых значений на АЦП приведет к стабильным значениям без

255

потерь, в том случае если возбуждение напряжение регулируется на мосту. AD7730 АЦП из семейства sigma–delta АЦП с высоким разрешением (24 бита) и программируемыми ОУ и идеально подходит для прим. в мостовых схемах. Данные АЦП имеют само–калибрируюмую систему которая позволяет минимизировать погрешности связанные со сдвигом и усилением. Например, AD7730 имеет сдвиг напряжения в 5nV/C и сдвиг усиления около 2ppm/C. Данные погрешности могут быть уменьшены до нескольких мкВ с помощью системы карибрации.

+5В +5В/+3В

RLEAD

+Ain

U0

-Ain

AD7730

Рисунок 5.17 – Передача сигнала с измерительного моста с использованием 4–проводного зондирования с АЦП

Поддержание точности 0,1 % или выше при полномасштабном выходном напряжении моста 20 мВ требует, чтобы сумма всех ошибок смещения была меньше 20 мкВ. На рисунке 5.18 показаны некоторые типичные источники погрешностей смещения, которые неизбежны в системе. Паразитные термопары, чьи выводы находятся при разных температурах, могут генерировать напряжения между несколькими и десятками микровольт при 1 °C разности температур. На диаграмме показан типичный паразитный контакт, образованный между цепями печатной платы меди и усилителями. Это напряжение термопары составляет около 35 мкВ/°C.

Напряжение термопар значительно меньше при использовании пластикового корпуса с медно–свинцовым каркасом.

256

+Ub

-

Напряжение на термопаре=35мкВ/°С*(Т1-Т2)

Рисунок 5.18 – Источники напряжения смещения

Напряжение смещения усилителя и ток смещения являются другими источниками ошибки смещения. Ток смещения усилителя должен протекать через импеданс источника. Любой дисбаланс в сопротивлении источника или токах смещения приводит к ошибкам смещения. Кроме того, напряжение смещения и токи смещения являются функцией температуры. Требуются высокопроизводительные малошумящие прецизионные усилители с низким уровнем смещения тока. В некоторых случаях единственными решениями могут быть отбивные стабилизированные усилители.

Питание моста переменным током, как показано на рисунке 5.19, может эффективно удалять смещенные напряжения последовательно на выходе моста. Выходное напряжение сетевого моста измеряется в двух условиях: первое измерение дает измерение Ua, где Ua представляет собой сумму требуемого выходного напряжения U0 моста и напряжения EOS погрешности конечного смещения. Полярность возбуждения моста меняется на противоположное значение, и производится второе измерение Ub. Вычитание UB из Ua дает 2U0, а коэффициент погрешности смещения EOS; отменяется, как и было показано на схеме.

257

+Ub

EOS - сумма всех ошибок смещения

Ua-Ub=(U0+EOS)-(-U0+EOS)=2U0

EOS

+Ub

Рисунок 5.19 – Уменьшение ошибки смещения при питании от переменного тока

Очевидно, что этот метод требует высокоточный АЦП, а также микроконтроллер для сложных вычислений.

МОП-транзисторов p- и n-типа могут быть настроены как управляющая схема моста переменного тока, как показано на рисунке 5.20. Стоит отметить, что сигналы управления не должны быть повторяющимися (перекрывающими) во избежание переключений токов в МОП-транзисторах.

258

Рисунок 5.20 – Упрощенная схема моста переменного тока

259

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.Sensor Technology Handbook / Editor-in-Chief J. S. Wilson. – Elsevier: Oxford, 2005. – 691 p.

2.Soloman S. Sensors handbook / S. Soloman – McGraw-Hill Companies: New York, 2010. – 1424 p.

3.Авдеев Б. Я. Основы метрологии и электрические измерения: учебник для вузов / Б. Я. Авдеев. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1987. – 480 с.

4. Воронин П. А. Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение / П. А. Воронин. – М.: Издательский дом «Додэка –

XXI век», 2005. – 384 с.

5.Аш Ж. Датчики измерительных систем. Т.1, 2 // Ж. Аш [и др.]. М.: Мир,

1992. – 480 с., 419 с.

6.Жадобин Н. Е. Элементы и функциональные устройства судовой автоматики / Н. Е. Жадобин. – СПб.: Элмор. – 2008. – 302 с.

7.Келим Ю. М. Типовые элементы систем автоматического управления / Ю. М. Келим. – М.: ФОРУМ: ИНФРА – М, 2002. – 384 с.

8.Королев Г. В. Электронные устройства автоматики / Г. В. Королёв. – М.:

Высш. шк., 1991. – 256 с.

9.Крохин В. В. Метрология: учебное пособие / В. В. Крохин – М.: Логос, 2001. – 408 с.

10.Кузнецов В. П. Исследование измерительно-информационной сельсинной системы: методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу «Технические измерения и приборы» / В. П. Кузнецов. – Курган: ФГБОУ ВПО «Курганский государственный университет». – 28 с.

11.Чеботков Э. Г. Однофазные контактные и бесконтактные сельсины (История развития, конструкции, основы теории, характеристики и

экспериментальные исследования): учеб. пособие / сост. Э. Г. Чеботков. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2012. – 83 с.

12. Ратхор Т. С. Цифровые измерения. Методы и схемотехника: / Т. С. Ратхор. – М.: Техносфера, 2004. – 370 с.

13.Северцев Н. А. Надежность систем в эксплуатации и отработке: учебник для вузов / Н. А. Северцев. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 140 с.

14.Усольцев А. А. Электрические машины автоматических устройств: учебное пособие / А. А. Усольцев. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2011. – 213 с.

15. Хайкин А. Б., Жадобин Н. Е. Элементы судовой автоматики / А. Б. Хайкин, Н. Е Жадобин. – Л.: Судостроение, 1982. – 128 c.

16.Шишмарев В. Ю. Типовые элементы систем автоматического управления / В. Ю. Шишмарев. – М.: Академия, 2006. – 304 с.

17.Преображенский А. В. Элементы и функциональные устройства систем автоматики: конспект лекций, учебное пособие / А. В. Преображенский. – Н. Новгород: Изд-во ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2007. – 80 с.

18. Элементы судовой автоматики // под ред. Р.А. Нелепина. – Л.: Судостроение, 1976. – 365 с.

260