Применение электронных устройств в системах автоматизации4

примерами таких усилителей являются INA102, быстродействующий

INA110, прецизионный AD624. У всех этих усилителей усиление составляет от 1 до 1000, КОСС около 100дБ, входное сопротивление более 100 Мом. А

гибридный модуль LH0036 может работать от напряжения питания +/-1 В. AD624 имеет линейность коэффициента усиления около 0,001%, начальный сдвиг напряжения менее 25 мкВ и дрейф напряжения сдвига 0,25мкВ/°С.[2].

Следует заметить, что инструментальный усилитель по приведенной выше схеме можно изготовить и из отдельных ОУ, но при этом не удастся достичь параметров, присущих интегральным инструментальным усилителям.

Вопросы для самоконтроля.

1)Что такое входное напряжение смещения усилителя и как оно влияет на точность обработки сигнала с датчиков.

2)Каков уровень входного напряжения смещения у различных типов усилителей.

3)Каким образом можно уменьшить влияние входного напряжения смещения на точность усиления.

4)Влияет ли разность входных токов ОУ на входное напряжение смещения.

5)Что такое нелинейность статической характеристики операционного усилителя.

6)От каких факторов зависит нелинейность ОУ, и какими способами её можно уменьшить или компенсировать.

7)Влияет ли нагрузка на выходе ОУ на нелинейность его характеристики.

8)Какое влияние шумы усилителя оказывают на его динамический диапазон.

9)Как влияет внутреннее сопротивление источника сигнала на уровень шума усилителя.

10)От чего зависит, какой тип шума усилителя будет доминирующим.

11)Какой сигнал называется синфазным, а какой дифференциальным.

21

12)От чего зависит КОСС и как он влияет на динамический диапазон усиления.

13)Как КОСС зависит от частоты синфазного и дифференциального сигналов.

14)Какими преимуществами обладает инструментальный усилитель в сравнении с ОУ.

15)Как задается коэффициент усиления в инструментальном усилителе.

22

3. Усилители сигналов для различных типов датчиков

3.1.Усилители для термопары

Термопара состоит из двух проводников из разнородных металлов,

соединённых вместе на одном конце, называемом «горячим» спаем. Другой конец, где проводники не соединены, подключен к дорожкам платы схемы обработки сигнала. Этот переход между металлами термопары и медными

дорожками называется эталонным или «холодным» спаем.

Напряжение, генерируемое эталонным спаем, зависит от температуры и на

температуры необходима компенсация холодного спая. В зависимости от используемого металла проводников, термопара способна измерять температуру в диапазоне от -200°С до+2500°С.

. Термопары являются прочными приборами, невосприимчивыми к удару и вибрации и подходящими для использования в опасных окружающих условиях.

Благодаря небольшим размерам и низкой теплоёмкости, термопары реагируют на быстро изменяющуюся температуру в пределах нескольких сотен миллисекунд. Поскольку термопары не требуют энергии питания, они не подвержены саморазогреву.

Сигнал термопары характеризуется очень малым значением напряжения,

зависимость которого от температуры является нелинейной, эталонный

(«холодный») спай требует компенсации, термопары могут создавать проблемы с заземлением. По этим причинам преобразовать напряжение,

генерируемое термопарой, в точные показания температуры задача нетривиальная. Большинство термопар, применяемых при автоматизации

23

технологических процессов, относятся к типам J, К и Т. При комнатной температуре их выходное напряжение изменяется на 52 мкВ/°С, 41 мкВ/°С и

Таблица 3.1 Характеристики термопар различных типов

41 мкВ/°С соответственно. Другие, менее известные типы имеют даже меньший температурный коэффициент напряжения (см. таблицу 3.1.).[8]

Поскольку сигнал напряжения является малым, схема обработки сигнала обычно нуждается в усилении порядка 100. Но большое усиление инструментальный усилитель обеспечивает легко, сложнее при таком малом сигнале избавиться от влияния помех наведенных на проводники. Чтобы выделить сигнал из помех, обычно сочетают два подхода. Первым является использование усилителя с дифференциальным входом, такого как измерительный усилитель. Поскольку большие помехи появляются на обоих проводах (синфазно), дифференциальное включение их устраняет. Вторым является низкочастотная фильтрация, которая удаляет внеполосные помехи.

Температуру эталонного спая измеряют при помощи другого термочувствительного прибора - микросхемы, термистора, диода или резистивного датчика температуры. На Рисунок3.1. приведена схема подключения термопары к специализированному усилителю AD8495, в

который встроен термодатчик для компенсации эталонного («холодного»)

спая, а для исключения высокочастотных помех на входе и выходе микросхемы включены фильтры низких частот.

25

Рисунок 3.1- Использование инструментального усилителя AD8495 для подключения термопары

Подключение термопар возможно также с помощью микросхем

AD594/AD596 (для термопар типа J (железо-константан) и AD595/AD597 (для термопар типа К(хромель-алюмель).Эти микросхемы обеспечивают выходное напряжение 10 мВ/°С при низком выходном сопротивлении.

Они работоспособны при напряжениях питания от +5В и до ±15В. Имеют встроенный компенсатор точки плавления льда и сигнализацию обрыва термопары, обеспечивая точность измерения 1°С.

Компенсацию температуры «холодного» спая термопары можно выполнить с помощью внешнего датчика температуры. Рассмотрим схему на основе малошумящего ОУ LTC6078 (рисунок 3.2) Напряжение

«холодного» спая здесь компенсируется микросхемой LT1025 [9,13] с

крутизной выхода 40,6мкВ/°С. Термопара подключена через резисторы 150

Ком, ограничивающие входной ток через диоды VD1и VD2, которые защищают усилитель от случайного проникновения на его вход высокого напряжения.

Рисунок 3.2 - Схема с внешним компенсатором «холодного» спая

26

Рисунок 3.3 - Структурная схема микросхемы MAX31855.

Конденсатор 0,1мкФ вместе с резистором 150 КОм образуют фильтр низких частот с полосой пропускания примерно 10Гц. Подстройка коэффициента усиления осуществляется резистором с номиналом 1КОм.

Схема обеспечивает точность измерения +/- 0,5°С в диапазоне от 0°С до

500°С при чувствительности 10мВ/ °С.

Еще, в качестве примера, рассмотрим характеристики микросхемы

MAX31855 Рисунок3.3.[10]. MAX31855 это высокоточный цифровой преобразователь для термопар, применение которого упрощает разработку и снижает себестоимость аппаратной реализации. MAX31855 применяется для преобразования в цифровую форму сигналов с термопар K, J, N, T или E-

типов и обеспечивает компенсацию их опорных спаев. Преобразователь

MAX31855 имеет цифровой, SPI-совместимый интерфейс,

функционирующий в режиме чтения данных в знаковом, 14-ти разрядном формате, позволяет проводить измерения, как при низких (от -270°С), так и

27

высоких температурах (до +1800 °С) и обеспечивает точность ±2°С в температурном диапазоне от -200 °С до +700 °С для термопар К-типа без необходимости проведения дополнительной калибровки. MAX31855 имеет в своем составе все необходимые функциональные узлы, реализуемые обычно на дискретных компонентах, включая АЦП, прецизионный усилитель, датчик температуры для компенсации «холодного» спая термопары, схемы обнаружения замыкания проводов термопары на шину питания или общую шину и разрыва в измерительной цепи и 3-х проводной интерфейс.

3.2.Усиление и нормирование сигналов резистивных датчиков.

Наиболее распространенным типом датчиков являются резистивные элементы. С их помощью можно измерять деформацию, температуру,

интенсивность света или магнитного поля. Как правило, резистивные датчики имеют очень низкий коэффициент преобразования. Например,

тензометрические датчики при полном допустимом изменении механического напряжения изменяют свое сопротивление не более чем на

1%. Относительно мал коэффициент преобразования и у металлических проволочных датчиков температуры (см. таблицу 3.2) [14]. Термометры сопротивления могут изготавливаться из платины (обозначение ТСП), из меди (обозначение ТСМ) или никеля (обозначение ТСН). Характеристикой ТС является их сопротивление R0 при 0°С, температурный коэффициент сопротивления (ТКС) и класс. Номинальной статической характеристикой

(НСХ) термопреобразователя сопротивления является зависимость его сопротивления R, от температуры t. Эта зависимость нелинейна. Кратко тип НСХ однозначно определяется двумя параметрами: R0 – сопротивлением при

0°С и W100 – отношением сопротивления при 100 °С к сопротивлению при 0 °С. Условное обозначение номинальных статических характеристик состоит из двух элементов — цифры, соответствующей значению R0 и буквы,

являющейся первой буквой названия материала (П — платина, М — медь, Н

28

— никель).

Из вышесказанного следует, что при использовании резистивных датчиков важно точно измерять малые изменения сопротивления.

Наиболее удачным решением проблемы точного измерения малых изменений сопротивления является применение моста Уитстона. На рисунке

3.4 приведена схема такого измерительного моста, выходное напряжение,

которого определяется формулой:

Таблица 3.2 - Номинальные статические характеристики

термопреобразователей сопротивления

Рисунок 3.4 - Мост Уитстона.

Из анализа схемы следует, что выходное напряжение моста пропорционально питающему его напряжению,

следовательно, питать мост необходимо стабильным напряжением или стабильным током.

Рисунок 3.5 - Схемы включения резистивных датчиков (при питании моста от источника стабильного напряжения).

30