Глава 5. Типы контрольно-измерительных приборов и систем
5.1. Типы измерительных и систем
Наиболее распространенный электрический сигнал, сгенерированный схемой согласования, соединенной с измерительным преобразователем, представляет собой сигнал по напряжению. Трансформация других электрических явлений, таких как ток и частота может встретиться в случаях, когда сигнал передается по очень длинному кабелю в сложной окружающей обстановке. На самом деле, всегда перед измерением трансформированный сигнал, в конце концов, преобразуется снова в сигнал по напряжению. Поэтому важно разобраться с таким типом источников сигналов.
Сигнал по напряжению измеряется как разность потенциалов между двумя точками, как показано на рис. 5.1.
Рис. 5.1. Измерение сигнала
Настройка измерительной системы осуществляется, в соответствии с тем, какое используется оборудование и какой применяется тип измерения.
5.2. Дифференциальная измерительная система
Дифференциальные измерительные системы похожи на «плавающие» источники сигнала: измерения проводятся по отношению к «плавающему» заземлению, которое отлично от заземления измерительной системы. Ни один из входов дифференциальной измерительной системы не связан с фиксированным опорным потенциалом таких систем, как земля или здание. Портативные приборы с питанием от батарей и DAQ устройства с инструментальными усилителями - примеры дифференциальных измерительных систем.
Так, например, стандартные устройства компании National Instruments реализуют восьмиканальную дифференциальную измерительную систему, как показано на следующем рис. 5.2. Использование мультиплексора и всего лишь одного инструментального усилителя в тракте прохождения аналогового сигнала позволяет увеличить число каналов измерения. На следующем рисунке контакт AIGND (analog input ground - заземление аналогового ввода) обозначает заземление измерительной системы.
Рис. 5.2. Стандартное устройство измерительной системы
Идеальная дифференциальная измерительная система реагирует только на разность потенциалов между двумя ее входами (терминалами) - положительным (+) и отрицательным (-). Синфазным (common-mode) напряжением называется напряжение, измеренное по отношению к заземлению инструментального усилителя которое присутствует на обоих входах усилителя. Идеальная дифференциальная измерительная система не измеряет (подавляет) синфазное напряжение. Подавление синфазного напряжения полезно, поскольку нежелательные помехи и шумы часто вносятся как синфазное напряжение в контур, образованный кабельной разводкой измерительной системы.
Однако, ряд факторов, таких как диапазон синфазного напряжения и коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС), ограничивают возможность подавления синфазного напряжения реальной дифференциальной измерительной системой.
Синфазное напряжение
Диапазон синфазного напряжения ограничивает разрешенное для каждого из входов максимальное напряжение относительно заземления измерительной системы. Пренебрежение этим ограничением приводит не только к ошибке измерения, но может привести к повреждению компонентов устройства. Следующее уравнение является определением синфазного напряжения.
.
где
- напряжение на не инвертирующем входе
измерительной системы по отношению к
ее заземлению,
- напряжение на инвертирующем входе
измерительной системы по отношению к
ее заземлению.
Коэффициент ослабления синфазного сигнала
Коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС) (Common Mode Rejection Ratio - CMRR) характеризует возможность ослабления синфазного сигнала дифференциальной измерительной системой. КОСС является функцией частоты и обычно убывает с ее увеличением. Чем больше КОСС, тем лучше усилитель выделяет дифференциальные сигналы на фоне синфазных помех. Использование схемы согласования может оптимизировать КОСС. Большинство DAQ устройств включают в качестве пункта спецификации зависимость КОСС от частоты в диапазоне до 50 – 60 Гц, т.е. частоты напряжения силовой сети. Следующее уравнение является определением КОСС в децибелах (дБ):
.
Рис. 5.3 показывает простейшую схему, в которой КОСС (дБ) определяется как
,
где
.
Рис. 5.3.