Измерение сигналов с малыми токами

Измерение сигналов с малыми токами

Лабораторная работа №2

Измерения малых напряжений и токов.

Цель работы – ознакомление с методами и средствами измерений малых постоянных и медленно изменяющихся напряжений и токов, получение навыков измерений малых напряжений и обработки результатов измерений.

Особенности измерений малых напряжений и токов. Измерение малых напряжений и токов имеет большое значение во многих областях науки и техники: термометрии, фотометрии, кулонометрии, измерении сопротивлений изоляции, измерении ионизирующих излучений и др. Особенностью измерений малых напряжений и токов является чрезвычайно малая мощность источника сигнала. Используемые в настоящее время приборы для измерения малых напряжений имеют порог чувствительности до 10 -12 В, Мощность, которую измерительные приборы потребляют от объекта измерения, составляет 10 -18 ..10 -20 Вт.

Источники малых напряжений имеют сравнительно (от долей ома до десятков ом) внутреннее сопротивление и развивают напряжение от долей микровольта до нескольких десятков микровольт. Так, например, термоэдс различных материалов с медью изменяется в пределах от 0,1 до 30 мкВ/К, а термоэдс медных проводов различных катушек составляет около 0,01 мкВ/К. Внутреннее сопротивление термопар имеет значение от. 0,01 до 1 Ом, а развиваемая ими мощность лежит в пределах: от 10 -9 до 10 -16 Вт.

Источники малых токов в отличие от источников малых напряжений имеют весьма высокое внутреннее сопротивление — от 10 6 до 10 18 Ом. Они развивают токи от 10 -6 до 10 -16 А. Так, например, фотоэлектрические преобразователи, фото умножители и фотоэлемента генерируют ток от 10 -6 до 10 -12 А и имеют внутреннее сопротивление более 10 13 Ом. На практике обычно считают малыми напряжения менее 1 мкВ и ток менее 1 мкА.

Характеристики приборов для измерения малых напряжений и токов. Кроме характеристик, общих для всех приборов, измеряющих напряжение или ток, приборы для измерения малых значений напряжений и токов характеризуют некоторыми особыми величинами. К ним относят: помехозащищенность приборов, их порог чувствительности, дрейф нулевого уровня, шумы входной цепи и др. Рассмотрим некоторые из этих характеристик.

Помехозащищенность приборов для измерения малых напряжений, и токов. Помехами при измерении постоянных напряжений и токов называют переменные напряжения и токи любой частоты и формы, которые действуют на входных зажимах прибора и искажают результат измерения. Помехи возникают в результате электромагнитных и электростатических наводок, гальванической связи входных целей прибора с паразитными источниками напряжения и тока, термоэдс и контактной разности потенциалов, действующих во входных цепях.

По способу воздействия на входную цепь прибора помехи можно разделить на аддитивные (наложенные) и мультипликативные (модуляционные). Аддитивные помехи могут преобразовываться в мультипликативные при наличии нелинейностей во входных целях.

При исследовании аддитивных помех применим принцип наложения, так как входной сигнал рассматривают как сумму полезного напряжения U_x и напряжения помехи U_п.

При исследовании модуляционных помех принцип наложения неприменим, так как входной сигнал U_х является результатом перемножения напряжения помехи и полезного сигнала.

Мультипликативные помехи проявляются значительно и их влияние на погрешность измерения незначительно.

Аддитивные помехи делят на помехи нормального вида (продольные) и помехи общего вида (поперечные). Помехи нормального вида U_Н действуют между сигнальными проводами, а помехи общего вида U .возникают в цепях заземления приборов, как показано на рис. 1.

Наиболее эффективно аддитивные помехи ослабляют фильтрацией и интегрированием. С этой целью на входе измерительного прибора включают полосовой фильтр, настроенный на частоту помехи. Если частота помехи неизвестна или изменяется в процессе проведения измерений, то применяют интегрирование.

Интегрирующие цифровые вольтметры эффективно ослабляют помехи нормального вида, наложенные на полезный сигнал, при условии, что полное значение входного напряжения не превышает динамического диапазона входного устройства. Напряжение помехи, подводимое к входу вольтметра, представим в виде

где U_H — амплитуда напряжения помехи, j_п — начальная фаза помехи, wп- угловая частота помехи.

Интегрирующий вольтметр измеряет среднее значение помехи за время интегрирования Т_и , поэтому

Максимальное значение напряжения ошибки от гармонической помехи.

Помехозащищенность определяют напряжения помехи к максимальной погрешности измерения, вызванной этой помехой. Коэффициент ослабления нормальной помехи NMR (normal mode rejection) имеет значение

График зависимости коэффициент ослабления помехи нормального вида от частоты помехи при времени интегрирования 0,1 с и 20 мс приведен на рис.2.

Помехи общего вида, как показано на рис. 1, приложены между заземлённым корпусом измерительного прибора и заземлённым источником сигнала. Напряжение помехи общего вида может быть обусловлено блуждающими по земле токами и составлять десятки и сотни вольт. Для ослабления помех общего вида входную цепь прибора заключают в защитный экран, который подключают в месте заземления источника сигнала.

На рис. 3.а. изображено включение прибора при отсутствие защитного экрана, а на рис. 3.б. – с защитным экраном. Подключение прибора с защитным экраном к источнику сигнала выполняют при помощи двухпроводного экранированного кабеля.

Коэффициент ослабления помехи общего вида CMR (common mode rejection) определяют отношением максимального значения напряжения помехи U_о к максимальной погрешности измерения U_оm , вызванной этой помехой.

В характеристиках приборов обычно указывают коэффициенты ослабления помехи общего вида на постоянном токе или переменном токе промышленной частоты 50 Гц. Для интегрирующих приборов это значение коэффициента ослабления помехи является результатом совместного влияния защитного экрана и интегрирования. Кроме того, коэффициент ослабления помехи измерит при включении между входными зажимами измерительного прибора сопротивления, эквивалентного внутреннему сопротивлению источника сигнала (обычно до 1000 Ом).

Поскольку входные зажимы прибора имеют различные сопротивления утечки на защитный экран, то зажим, имеющий большое сопротивление утечки, называют высокопотенциальным и обозначают буквами ВП, а зажим с меньшим сопротивлением утечки — низко потенциальным и обозначают буквами НП. Номограмма для определения допустимого напряжения помехи общего вида при заданных значениях CMR и погрешности U_om приведена на рис.4

Дрейф нулевого уровня. Существенным недостатком микровольтметров и нановольтметров постоянного тока является дрейф их нулевого уровня»

Дрейф нулевого уровня — это самопроизвольное изменение выходных показаний при отсутствии входного сигнала. Обычно его оценивают эквивалентным входным напряжением, необходимым для возвращения выходного напряжения к первоначальному нулевому уровню.

Дрейф нулевого уровня может быть вызван температурными изменениями или временной нестабильностью, поэтому его разделяют на температурный и временной. Температурный дрейф нулевого уровня оценивают изменением приведенного к входу напряжения при изменении температуры на 1 К. В современных микровольтметрах температурный дрейф составляет 0,1. 0,001 мкВ/К

Временной дрейф нулевого уровня оценивают изменением приведенного к входу напряжения за определенный интервал времени, например за час, или за сутки. У наиболее точных приборов благодаря периодической коррекции нулевого уровня временной и температурный дрейфы значительно снижены и не превышают 0,01 мкВ.

Основными причинами, вызывающими дрейф нулевого уровня, являются термоэдс, возникающие при контакте разнородных материалов во входных цепях, временное старение элементов. Влияние изменений питающих напряжений и др. Для снижения дрейфа нулевого уровня используют температурную стабилизацию входных цепей прибора и напряжений питающих источников, а также периодическую коррекцию нулевого уровня. Так, например, в цифровом вольтметре B7-21 коррекция нулевого уровня прибора выполняется автоматически один раз после ста циклов измерений
Порог чувствительности. Наименьшее значение входного си
гнала, которое может быть обнаружено с помощью данного прибора, называют его порогом чувствительности. Порог чувствительности зависит от шумов входной цепи прибора и дрейфа нулевого уровня.
Порог чувствительности магнитоэлектрического прибора определяется мощностью Pи , потребляемой прибором от объекта измерения. В установившемся режиме эта мощность лежит в пределах от 10 -7 до 10 -9 Вт и определяет минимальное измеряемое напряжение:

которое сопровождается заметным отклонением указателя.

Так, например, порог чувствительности магнитоэлектрического гальванометра М95 на пределе 0,5 мВ составляет 5 мкВ. Для защиты от внешних магнитных к электрических помех измерительный механизм помещен в экран, который соединен с зажимом Э. Для исключения влияния токов утечки на результате намерений экран подключают к одному из зажимов прибора.

Порог чувствительности электронных приборов зависят от шумов электронного усилителя. Применение малошумящих усилителей позволяет получить порог чувствительности около 10 -9 . 10 -10 В. Современные электронные микровольтметры и нановольтметры имеют порог чувствительное» 10 -9 . 10 -10 В.

1. Определение основной погрешности.
2. Определение чувствительности и цены деления приборов.
3. Определение дрейфа нулевого уровня.
4. Определение коэффициента ослабления помехи нормального вида.
5. Определение ослабления помехи общего вида.
6. Определение частотной погрешности.

Порядок выполнения работы.

1. Определение основной погрешности. Основная погрешность определяется ля микровольтметра В2-11. Определение погрешности производится по схеме, изображенной на рис. 5. Для определение погрешности включить приборы и дать им прогреться в течение 10…15 мин. После этого ручкой «Установка нуля» установить нулевое показание прибора В2-11 при включённом источнике напряжения ИРН-64.

Затем включить источник ИРН-64 и произвести поверку микровольтметра В2-11 на двух диапазонов – 100мВ и 100 мкВ. Цифровой вольтметр В7-21 используется в качестве образцового прибора. Результаты измерений заносятся в ф.1.

Источник

ПРИСТАВКА ИЗМЕРИТЕЛЬ МАЛЫХ ТОКОВ

Для измерения токов в диапазоне микро- и наноампер, потребуется усилитель с активным преобразователем. Из-за очень большого усиления операционного усилителя падение напряжения во время измерений с помощью амперметра с активным преобразователем может быть исключено. Благодаря этому результаты измерений намного точнее, чем в случае амперметров с шунтом. Поскольку падение напряжения в активном преобразователе близко к нулю, также можно устранить влияние колебаний напряжения на работу устройства.

Принципиальная схема микро- наноамперметра

Типичный пример амперметра с активным преобразователем приведен на схеме ниже:

Чтобы эта зависимость выполнялась в реальных условиях, входное напряжение дисбаланса должно быть очень маленьким, а входной поляризационный ток пренебрежимо малым. Эти параметры становятся особенно важными когда дело доходит до измерений токов порядка пикоампер, на результат которых будет влиять входной поляризационный ток. Есть несколько примеров пикоамперметров на основе микросхемы LMC662. Согласно даташита, м/с имеет очень низкий входной поляризационный ток, порядка 2 фемтоампер.

В этом устройстве использовался усилитель TS1001 от Touch Stone. Схема имеет посредственные параметры и на первый взгляд не подходит измерять такие маленькие токи. Но особенность, которая отличает микросхему TS1001, заключается в чрезвычайно низком энергопотреблении, схема работает нормально даже при напряжении 0,8 В и потребляет ток 0,8 мкА. Следовательно будет отлично работать в аккумуляторных устройствах, а энергопотребление её настолько мало, что даже не требуется пользоваться кнопкой подачи питания!

TS1001 также имеет относительно небольшой входной поляризационный ток, который обычно составляет 25 пА. Это совершенно низкое значение, когда дело доходит до измерения тока в диапазоне наноампер. Поскольку входное напряжение дисбаланса является постоянным во время измерения, точность не снижается из-за устранения этого значения только путем обнуления.

На принципиальной схеме ниже амперметр с активным преобразователем на основе микросхемы TS1001. Применяя разное значения резистора, разрешения варьируются от 1 мА / В до 1 мкА / В в четырех поддиапазонах. Используя любой популярный мультиметр можно измерить ток в диапазоне наноампер. Как упоминалось ранее, входной ток смещения усилителя TS1001 составляет 25 пА, поэтому самый низкий диапазон был специально выбран 1 мкА / В.

Усилитель может питаться от одного напряжения с мультиметром или использовать виртуальную массу. В случае несимметричного источника измеряемый ток должен поступать на неинвертирующий вход усилителя, чтобы напряжение появлялось на выходе. Следовательно, это решение более выгодно для измерений постоянных токов, где поляризация тока может быть заранее определена. Использование виртуальной массы, как показано на схеме ниже, позволяет измерять постоянные и переменные токи. Схема может питаться от одной 1,5-вольтовой батареи.

Поскольку приставка имеет довольно низкое произведение коэффициента усиления и предельной частоты, можно измерять только токи с низкой изменчивостью (до 60 Гц).

Точность используемых резисторов определяет точность всего измерителя. Советуем выбрать с допуском 0,1%. Также важно использовать резисторы с низким температурным коэффициентом.

Все устройство питается от одной батареи и поскольку оно используется для измерения только постоянного тока, источник питания с виртуальной массой был отложен.

Если же необходимо измерить более низкие токи или более высокие частоты, то можете выбрать другой операционный усилитель — например AD8603, который совместим с выводами TS1001 и может использоваться для измерения токов в диапазоне пикоампер.

Источник

Точные измерения аналоговых сигналов в системах сбора данных

В статье обсуждаются особенности построения трактов измерения аналоговых сигналов во встраиваемых системах. Рассмотрены методы измерения аналоговых сигналов малой амплитуды с резистивных датчиков, в том числе с датчиков температуры и тензодатчиков, а также способы повышения точности измерения слабых сигналов.

Проектирование цепей измерения аналоговых сигналов вызывает порой наибольшие трудности. Даже при построении простой системы сбора данных на базе резистивных датчиков и АЦП нужно учитывать множество факторов, чтобы в результате получить достоверные данные.

Ситуация усложняется, когда необходимо построить систему, работающую с различными датчиками. В данной статье обсуждаются вопросы, которые нужно решить разработчику при измерении аналоговых сигналов с высокой точностью на примере использования различных типов резистивных датчиков.

Типичную цепь измерения аналоговых сигналов в системе с резистивными датчиками можно представить так, как показано на рисунке 1. Хотя на уровне структурной схемы все сигнальные цепи выглядят одинаково, параметры каждого блока зависят от многих факторов. Наиболее важными из них являются: изменение сопротивления (и, следовательно, напряжения) датчиков при изменении их физического количества; расстояние датчика от измерительной системы (т.е. погрешность измерения из-за влияния сопротивления проводов); требуемая точность системы и виды помех.

Эти факторы определяют тип необходимой цепи возбуждения; способ подключения датчика к измерительной системе; коэффициент усиления, требуемый для схемы предварительной обработки сигнала и АЦП; тип фильтра и его частоту среза, а также разрешение и входной диапазон АЦП.

Измерения сигналов с резистивных датчиков температуры

Резистивные датчики температуры (RTD) построены на базе термисторов, которые являются нелинейными элементами в рабочем диапазоне температур. Изменение сопротивления термисторов при изменении температуры подчиняется сложной нелинейной функции:

1/T = A + B ln(R) + C (ln(R))3,

где T — температура, R — сопротивление, A, B и C — константы, характерные для данного термистора.

Обычно для вычисления используют таблицу соответствия сопротивления и температуры. Затем температура вычисляется с помощью кусочно-линейной аппроксимации. Несмотря на то, что могут возникнуть погрешности измерений из-за отклонений коэффициента усиления и смещений, эти ошибки слишком малы по сравнению с требованиями по точности измерения температурного датчика на базе термистора. Существует несколько прямых способов измерения сопротивления, как показано на рисунке 2.

Рис. 2. Схемы измерения сопротивлений

Топология, показанная на рисунке 2а, использует ЦАП с выходом по напряжению для питания (возбуждения) резисторного делителя. Одним из резисторов в цепи делителя является сам датчик, а другой резистор — это опорное сопротивление. Такая конфигурация будет работать, однако однополюсные измерения имеют недостатки. Одним из них является разница уровня земли датчика и уровня земли АЦП, что приводит к появлению смещения.

С другой стороны, как показано на рисунке 2б, когда отрицательный вход АЦП соединен с делителем, аналоговая земля и земля АЦП находятся под одинаковым потенциалом. Поскольку дифференциальные линии расположены близко друг от друга, любой сигнал помехи на одной линии будет наводиться на другую. При дифференциальных измерениях этот сигнал гасится, т.к. является синфазным. Следует также отметить, что при измерении напряжения на резисторе RSENSOR положительный вход подсоединяется вблизи датчика. Это гарантирует отсутствие погрешности измерений из-за влияния сопротивления проводов.

На рисунке 2в показана топология, в которой используется ЦАП с токовым выходом для возбуждения датчика. Напряжение, измеренное на сопротивлении датчика, обеспечит точное определение его сопротивления. Токовое возбуждение датчика является наилучшей топологией с точки зрения количества необходимых внешних компонентов. В этой схеме не нужны эталонные сопротивления. Однако для калибровки погрешности коэффициента усиления системы резистор требуется. Заметим, что для тех приложений, в которых не нужна очень высокая точность, нет необходимости в компенсации погрешности коэффициента усиления и, следовательно, не требуется внешнее эталонное сопротивление.

Резистивные датчики температуры (RTD) имеют сопротивление порядка 100 Ом при температуре 0°C, и при изменении температуры на один градус сопротивление изменяется примерно на 0,385 Ом. Поскольку RTD имеет низкий номинал, сопротивление проводов оказывает основное влияние на их точность.

RTD возбуждаются источником постоянного тока. Напряжение на RTD можно измерить с помощью 3-проводного или 4-проводного метода в зависимости от числа проводов, идущих от измерительной системы к RTD. Поскольку RTD расположены в удалении от измерительной системы, 3-проводный метод более предпочтителен с точки зрения стоимости проводов. На рисунке 3 показана схема включения RTD при 3-проводном методе измерения.

Погрешность, вызванная влиянием сопротивления проводов, может быть устранена несколькими путями. Один способ заключается в измерении сопротивления провода вручную и сохранении его в качестве константы. Каждый раз, когда производится измерение, это сопротивление вычитается.

Другим способом является измерение падения напряжения между положительным выводом RTD и выходом ЦАП. Если провода имеют одинаковые параметры, они будут иметь одинаковое сопротивление, и напряжение, измеренное на предыдущем этапе, можно вычесть из напряжения, измеренного на датчике. Однако все же возможна некоторая ошибка, если провода не симметричны. Кроме того, этот метод требует использования дополнительного вывода для соединения выхода ЦАП со входом АЦП.

Для точных измерений более предпочтительна 4-проводная конфигурация, показанная на рисунке 4. Как отрицательный, так и положительный входы соединены с выводами RTD, что исключает ошибку, вызванную сопротивлением проводов. Входной импеданс сигнальной цепи для RTD должен быть очень высоким, чтобы обеспечить пренебрежимо малую величину входного тока. Когда АЦП имеет низкое входное сопротивление, сигнал на вход АЦП следует подавать через буферную схему.

Как было сказано выше, в системе возникает смещение напряжения, которое меняется с температурой. Температурный дрейф смещения и низкочастотный шум можно исключить, используя метод двойной коррелированной выборки (correlated double sampling — CDS). В этом случае вначале измеряется смещение относительно нуля (для того чтобы его измерить, оба входа замыкают накоротко), а затем измеряют напряжение на датчике.

Из топологии, показанной на рисунке 4, очевидно, что точность системы зависит исключительно от точности ЦАП с токовым выходом. Если выходной ток ЦАП изменяется на 5%, то и в рассчитанное значение также вносится погрешность 5%.

Это вызывается отклонением коэффициента усиления от идеального значения, что является неприемлемым для большинства систем. Имеются также и другие факторы, влияющие на ошибку коэффициента усиления, например, точность опорного напряжения АЦП. Если точность источника опорного напряжения (ИОН) всего 1%, то и все измерения, сделанные этим АЦП, будут иметь точность не менее 1%. А если учесть, что в данном случае измеряется температура, то эта проблема может проявиться еще больше.

Чтобы избежать влияния ошибки коэффициента усиления, лучше всего использовать для измерений высокоточный эталонный резистор, например, резистор с разбросом 0,1%. На рисунке 5 показана схема, в которую включен калибровочный резистор.

Вначале ток протекает через эталонный резистор, на нем измеряется напряжение и, соответственно, сопротивление. На результаты измерений влияет отклонение коэффициента усиления. На следующем этапе ток протекает через RTD, и теперь напряжение измеряется на нем. Два измерения АЦП исключают любые отклонения коэффициента усиления, т.к. измерения сопротивления RTD производятся относительно эталонного сопротивления. Точность системы определяется теперь погрешностью используемого эталонного сопротивления.

Измерения сигналов с тензодатчиков

До сих пор мы обсуждали проблемы, связанные с измерением аналогового сигнала в вольтовом диапазоне. Однако имеются системы, измерения в которых производятся в милливольтовом диапазоне, и это создает совершенно иные проблемы для разработчика. Хорошим примером является система на базе датчиков механической нагрузки или тензодатчиков.

Типовой тензодатчик представляет собой четыре резистора, включенные по схеме моста Уитстона (см. рис. 6).

Изменение температуры значительно влияет на тензодатчик из-за теплового расширения материала, которое изменяет сопротивление, поэтому изменение сопротивления может быть ошибочно детектировано как часть измерения напряжения. При включении тензодатчиков в конфигурации моста Уитстона изменение температуры можно легко скомпенсировать. В такой конфигурации температура будет одинаково влиять на все плечи моста, что сводит к нулю изменение сопротивления, обеспечивая автокомпенсацию влияния температуры.

Однако конфигурация тензодатчиков в виде моста Уитстона имеет главный недостаток — смещение нуля. Это происходит, когда один из датчиков установлен не надлежащим образом или деформирован. Этот недостаток преодолевается с помощью шунтирующего резистора для балансировки моста. Однако балансировка моста в полевых условиях нецелесообразна, т.к. датчики деформируются также при их износе в процессе эксплуатации.

Рассмотрим пример тензодатчика чувствительностью 2 мВ/В, измеряющего максимальный вес 10 кг. При питающем напряжении 5 В выходное напряжение находится в диапазоне всего 10 мВ. Это означает, что даже если к тензодатчику приложена сила в 10 кг, выходное напряжение будет 10 мВ. Чтобы обеспечить 16-разрядную точность измерения в 10-мВ диапазоне, нужно соответствующим образом уменьшить диапазон АЦП.

Наиболее распространенным методом является реализация каскада усиления на входе, чтобы входной диапазон соответствовал входному диапазону АЦП. Например, чтобы обеспечить 10-мВ диапазон измерений с помощью АЦП, который имеет входной диапазон 0±1 В, можно использовать каскад усиления с коэффициентом усиления, равным примерно 100.

Когда АЦП используют для измерения в динамическом диапазоне 1 В, наименьшая величина напряжения, которую можно измерить для 20-разрядного АЦП, равна 1 мкВ. При использовании каскада усиления для расширения измеряемого диапазона усиливаются и помехи, которые могут влиять на результаты измерения. Помехи влияют на число используемых бит АЦП при данном коэффициенте усиления. Следовательно, нужно выбрать АЦП, который обеспечивает оптимальное разрешение при требуемом усилении.

Как правило, для измерения выхода с тензодатчиков используются сигма-дельта АЦП и фильтры нижних частот (ФНЧ). В некоторых сигма-дельта АЦП предусмотрена возможность усиления сигнала в самом сигма-дельта модуляторе. С этим связано еще одно дополнительное преимущество. Поскольку мы увеличиваем коэффициент усиления модулятора АЦП, полоса пропускания АЦП уменьшается. Это не является проблемой при измерениях сигналов с датчиков, т.к. их рабочая частота намного меньше. Однако уменьшение полосы пропускания может стать преимуществом, т.к. оно действует как ФНЧ и не позволяет помехам воздействовать на систему.

Другой важной проблемой, связанной с интерфейсом тензодатчика, является вероятность отклонения коэффициента усиления, т.к. диапазон выходного сигнала зависит от напряжения возбуждения. Небольшие отклонения напряжения возбуждения могут вызвать пропорциональную ошибку коэффициента усиления при измерениях. Этого можно избежать, если выполнять измерения относительно величины напряжения возбуждения. Достичь этого можно двумя способами.

Можно измерять сигнал и напряжение возбуждения отдельно, а затем вычислять их соотношение, устраняя, таким образом, погрешность коэффициента усиления. Однако этот метод требует мультиплексирования АЦП для двух сигналов. Другой проблемой является то, что измеряемый сигналнаходится в 10-мВ диапазоне, а напряжение возбуждения — в вольтовом диапазоне. Это означало бы динамическое изменение установки коэффициента усиления и параметров АЦП, что нецелесообразно в большинстве аналоговых систем.

Другим способом является использование ИОН для АЦП. Как правило, АЦП имеют вывод для подсоединения внешнего ИОН. Каждое измерение в АЦП производится относительно этого опорного напряжения. Таким образом, если мы используем напряжение возбуждения в качестве опорного напряжения для АЦП, мы обеспечиваем относительные измерения сигнала.

Эффективность системы, которая используется для определения малых величин сигнала с тензодатчика, становится критически важной для того, чтобы обеспечить приемлемую точность измерений. Рассмотрим обычный и усовершенствованные методы измерений.

Обычная методология измерения сигналов с тензодатчиков

В обычном методе измерения тензодатчики, включенные по мостовой схеме, возбуждаются от источника напряжения, а на выходных терминалах измеряется напряжение (см. рис. 6). Когда на мост воздействует механическая сила, то в зависимости от положения датчиков проявляется сила растяжения или сжатия. Амплитуда изменения сопротивления прямо пропорциональна величине давления на датчик. В зависимости от напряжения возбуждения сигнал, который может быть измерен на выходе, будет равен:

VOUT = [R4/(R2 + R4) — R3/(R1 + R3)] VDRIVE.

Однако, как было сказано выше, в тензодатчиках, включенных по мостовой схеме, наблюдается проблема смещения нуля, и это смещение меняется со временем. Это делает использование шунтирующего резистора неэффективным.

Проблема может быть решена с помощью простого микроконтроллера и коррекции смещения в микропрограммном обеспечении. Когда тензодатчик не нагружен, сигнал с его выхода можно рассматривать как смещение, и вычитать или добавлять для каждых следующих данных, считанных из АЦП. Путем автокоррекции можно также компенсировать эффект старения датчика в процессе эксплуатации.

Стоит отметить и другие проблемы обычного метода измерений.

Источник напряжения, используемый для возбуждения мостовой схемы, обычно расположен на некотором расстоянии от устройства. Поэтому сопротивление проводов соединения входов мостовой схемы с источником напряжения также вносит погрешность в систему.

Поскольку выходной сигнал от тензодатчика весьма слабый, требуется либо АЦП с высоким разрешением, либо усиление сигнала перед обработкой в АЦП. Использование усилителя постоянного сигнала вводит дополнительную погрешность коэффициента усиления и смещение.

Использование АЦП с высоким разрешением или усилителей с малым смещением и погрешностью коэффициента усиления также увеличивает стоимость полной системы.

Усовершенствованные методы

Метод двойной коррелированной выборки (CDS)

Этот метод используется для точного измерения сигналов весьма малого уровня. Он автоматически компенсирует смещение, вызванное усилителем с программируемым усилением, и тепловые шумы, генерируемые системой. На рисунке 7 показана реализация этого метода в системе на кристалле.

При таком подходе контроллер использует аналоговый мультиплексор для переключения входа АЦП между источником постоянного напряжения, выходами мостовой схемы и опорным напряжением.

Одним из недостатков обычных методов, как было показано выше, является погрешность, которая вносится сопротивлением источника и проводов. На рисунке 7 это сопротивление смоделировано резистором RS. Эффективное напряжение управления на входе моста можно представить следующим образом:

VDRIVE = VDAC – IDACRS.

В методе CDS напряжение управления измеряют непосредственно на выводах управления моста. Эту измеренную величину напряжения можно использовать для вычисления изменения сопротивления. Поскольку на эту величину не будет оказывать влияния сопротивление источника, вычисленное значение будет намного более точным.

Другим существенным преимуществом этого метода является автоматическая компенсация смещения. В данной конфигурации мультиплексор (AMux) переключает вход усилителя с программируемым коэффициентом усиления (PGA) между выходом моста и ИОН. Сигнал, полученный при подсоединении PGA к ИОН, будет смещением системы.

Таким образом, перед каждым считыванием показателей система вычисляет смещение с помощью микропрограммного обеспечения на основе данных, полученных из АЦП, когда PGA подсоединяется к выходному напряжению моста. Помимо смещения обнуляется также тепловой шум, сгенерированный в системе.

Другим ограничением при измерении сигналов с высокой точностью является погрешность коэффициента усиления PGA. Однако эту погрешность можно откалибровать, используя алгоритм [2].

Метод источника тока

Это еще один метод, который широко используется при измерениях весьма малых сигналов. В этом случае вместо источника напряжения для питания мостовой схемы используется источник тока. Реализация этого метода показана на рисунке 8.

Самым важным преимуществом этого метода является то, что сопротивление проводов не вносит погрешностей в измерения, т.к. ток в цепи всегда остается постоянным.

Ограничением данной методики является отклонение тока от заданного значения из-за разброса параметров компонентов. Однако эту проблему можно решить с помощью калибровки ЦАП с токовым выходом (IDAC) с помощью усилителя напряжения, управляемого током, или с помощью трансимпедансного усилителя (TIA). Для реализации такого подхода IDAC подсоединяется к TIA, который преобразует выходной ток IDAC в соответствующее напряжение согласно следующему уравнению:

где K — коэффициент усиления TIA.

Измерив выходное напряжение TIA и разделив эту величину на коэффициент усиления TIA, можно получить величину IDAC, используемую для питания мостовой схемы. Калибровка смещения и коэффициента усиления в этом случае аналогична методу CDS.

Цифровой фильтр

Мы обсудили несколько способов того, как уменьшить шумы и помехи в цепи аналогового сигнала. Одним из способов дополнительного уменьшения помех является микропрограммный математический фильтр для усреднения шума. Простой в реализации тип фильтра — фильтр скользящего среднего (moving average filter), где используется массив данных, в котором новые входные значения последовательно поступают на вход, а наиболее старые значения последовательно появляются на выходе (см. рис. 9). В любой момент времени выход фильтра является средней величиной всех элементов массива.

Источник

Датчики электрического тока

Глобальные тренды — спрос на снижение выбросов CO2, повышение интенсивности энергосбережения — приводят к необходимости сбалансированного потребления энергии, для чего большую помощь могут оказать электронные схемы управления процессами. Наиболее распространённые случаи — это оптимизация эксплуатационных характеристик аккумуляторов, контроль скорости вращения двигателей и переходных процессов в серверах, управление солнечными батареями. Для операторов таких систем важно, в частности, знать, какой ток протекает в цепи. Неоценимую помощь в этом могут оказать датчики тока.

Почему необходимы датчики тока

Датчиками называют блоки, задача которых измерить некоторый параметр, а потом, сравнив его с эталонным для данной технической системы значением, подать соответствующий сигнал на исполнительный элемент схемы. Поскольку большинство систем используют электродвигатели, то наиболее распространёнными типами являются датчики тока и напряжения (общий вид последнего представлен на следующем рисунке).

Широкое внедрение таких устройств обусловлено развитием сенсорных методов управления, когда исходный сигнал — электрический или оптический — преобразуется в необходимые параметры управления.

По сравнению в другими управляющими технологиями (например, контакторного контроля) датчики обеспечивают следующие преимущества:

1. Компактность.
2. Безопасность в применении.
3. Высокую точность.
4. Экологичность.

Малые размеры и вес часто позволяют изготавливать многофункциональные датчики, например, такие, которые могут контролировать несколько параметров цепи. Таковыми являются современные датчики тока и напряжения.

В состав таких детекторов входят:

• Контактные группы входа;
• Контактные группы выхода;
• Шунтирующий резистор;
• Усилитель сигнала;
• Несущая плата;
• Блок питания.

Идея того, что устройства можно подключать к уже имеющейся сети, не выдерживает проверку временем, ибо часто в экстремальных ситуациях (пожар, взрыв, землетрясение) именно системы встроенного электроснабжения первыми выходят из строя.

Детекторы подразделяют на активные и пассивные. Первые не только передают конечный сигнал на управляющий элемент, но и управляют его действием.

Классификация и схемы подключения

Датчики тока предназначаются для оценки параметров постоянного и/или переменного тока. Сравнение выполняется двумя методами. В первом случае используется закон Ома. При установке шунтирующего резистора в соответствии с нагрузкой системы на нём создаётся напряжение, пропорциональное нагрузке системы. Напряжение на шунте может быть измерено дифференциальными усилителями, например, токовыми шунтирующими, операционными или разностными. Такие устройства используются для нагрузок, которые не превышают 100 А.

Измерение переменного тока выполняется в соответствии с законами Ампера и Фарадея. При установке петли вокруг проводника с током там индуцируется напряжение. Этот метод измерения используется для нагрузок от 100 А до 1000 А.

Схема описанных измерений представлена на рисунке:

Измерение обычно производится при низком входном значении синфазного напряжения. При помощи чувствительного резистора датчик тока соединяется между нагрузкой и землей. Это необходимо, поскольку синфазное напряжение всегда учитывает наличие операционных усилителей. Нагрузка обеспечивает питание прибора, а выходное сопротивление заземляется. Недостатками данного способа считаются наличие помех, связанных с потенциалом нагрузки системы на землю, а также невозможность обнаружения коротких замыканий.

Для слежения работой мощных систем детектор присоединяют к усилителю между источником питания и нагрузкой. В результате непосредственно контролируются значения параметров, подаваемых источником питания. Это позволяет идентифицировать возможные короткие замыкания. Особенность подключения заключается в том, что диапазон синфазного напряжения на входе усилителя должен соответствовать напряжению питания нагрузки. Перед измерением выходного сигнала контролируемого устройства нагрузка заземляется.

Как функционирует датчик тока

Работа данного элемента включает следующие этапы:

1. Измерение нагрузки в контролируемой схеме.
2. Сравнение полученного значения с эталонным, которое программируется в процессе настройки.
3. Фиксация полученного результата (может быть выполнена в цифровом или аналогом виде).
4. Передача данных на панель управления.

Для выполнения указанных функций (в частности, реализации высокой точности измерений) к элементам детектора предъявляются следующие требования:

• Допустимое падение напряжения на шунтирующем резисторе должно быть не более 120…130 мВ;
• Температурная погрешность не может быть выше 0.05 %/°С и не изменяться во времени работы;
• В функциональном диапазоне значений характеристики сопротивления резисторов должны быть линейными;
• Способ пайки токочувствительных резисторов на плату не может увеличивать общее сопротивление схемы подключения.

Монтажные схемы устройств, которые предназначены для контроля цепей постоянного и переменного тока представлены соответственно на рисунках.

Практика применения

Чаще всего данные изделия используются как измерители в схемах токовых реле, которые управляют режимами работы различного электроприводного оборудования и предохраняют его от экстремальных ситуаций.

Токовые реле способны защитить любое механическое устройство от заклинивания или других условий перегрузки, которые приводят к ощутимому увеличению нагрузки на двигатель. Функционально они определяют уровни тока и выдают выходной сигнал при достижении указанного значения. Такие реле используются для:

• Сигнала сильноточных условий, например, забитая зёрнами доверху кофемолка;
• Некоторых слаботочных условий, например, работающий насос при низком уровне воды.

Чтобы удовлетворить требования разнообразного набора приложений, в настоящее время используется блочный принцип компоновки датчиков, включая применение USB-разъёмов, монтаж на DIN-рейку и кольцевые исполнения устройств. Это обеспечивает выполнение следующих функций:

• Надёжную работу на любых режимах эксплуатации;
• Возможность применения трансформаторов;
• Регулировка текущих параметров, которые могут быть фиксированными или регулируемыми;
• Аналоговый или цифровой выход, включая и вариант с коротким замыканием;
• Различные исполнения блоков питания.

В качестве примера рассмотрим схему датчика тока для управления работой водяного насоса, обеспечивающего подачу воды в дом.

Кавитация — это разрушительное состояние, вызванное присутствием пузырьков, которые образуются, когда центробежный насос или вертикальный турбинный насос работает с низким уровнем жидкости. Образующиеся пузырьки затем лопаются, что приводит к точечной коррозии и разрушению исполнительного узла насоса. Подобную ситуацию предотвращает токовое реле.

Когда насос работает в нормальном режиме, и жидкость полностью перекрывает его впускное отверстие, двигатель насоса потребляет номинальный рабочий ток. В случае снижения уровня воды потребляемый ток уменьшается. Если кнопка запуска нажата, одновременно включаются стартёр M и таймер TD. Реле CD настроено на максимальный ток, поэтому его контакт при первоначальном запуске двигателя не будет замкнут. При падении силы тока ниже установленного минимума реле включается, а, после истечения времени ожидания TD, включается в его нормально замкнутый контакт. Соответственно контакты CR размыкаются и обесточивают двигатель насоса.

Применение такого детектора исключает автоматический перезапуск насоса, поскольку оператору необходимо убедиться в том, что уровень жидкости перед впускным отверстием достаточен.

Датчик тока своими руками

Если приобрести стандартный датчик (наиболее известны конструкции от торговой марки Arduino) по каким-то соображениям невозможно, устройство можно изготовить и самостоятельно.

1. Операционный усилитель LM741, или любой другой, который мог бы действовать как компаратор напряжения.
2. Резистор 1 кОм.
3. Резистор 470 Ом.
4. Светодиод.

Общий вид устройства в сборе, сделанного своими руками, представлен на следующем рисунке. В данной схеме используется эффект Холла, когда разность управляющих потенциалов может изменяться при изменении месторасположения проводника в электромагнитном поле.

Видео по теме

Источник