Точные измерения сопротивления

Оглавление:

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Точное измерение — сопротивление

Точные измерения сопротивлений проводят на потенциометрах. С помощью реостата в этой цепи устанавливается ток, не превосходящий значения, допустимого для образцового сопротивления; постоянство тока контролируется по амперметру. Падение напряжения на сопротивлениях гх и г0 измеряют потенциометром. [1]

Для точного измерения сопротивлений широко применяются измерительные мосты и компенсаторы. [2]

Для точных измерений сопротивлений в лабораторных условиях широкое применение находят мосты постоянного тока. [3]

Для точных измерений сопротивлений и для измерений нелинейных сопротивлений могут быть использованы схемы, основанные на методе сравнения. [5]

Для точного измерения сопротивления термометров применяются лабораторные ( переносные и образцовые) уравновешенные мосты постоянного тока типов МОД-61, МО-62, МО-70 и др. Эти мосты используются в электроизмерительной практике при измерении сопротивлений. Описание их дается в учебниках по электрическим измерениям. [7]

Для точного измерения сопротивлений растворов электролитов могут быть использованы реохордные мосты типа Р-568, Р-572 и др. с осцилло-графическим индикатором нуля. Питание моста осуществляется от генератора звуковой частоты, который позволяет варьировать частоту переменного тока от 0 до 3 — 10s Гц. В мосте предусматривается возможность измерения емкостной ( реактивной) составляющей измерительной цепи. [9]

Витстона производятся точные измерения сопротивлений не, ниже 1 ом. При меньших сопротивлениях на результаты измерения значительное влияние оказывают переходные сопротивления контактов в соединительных проводов. Поэтому измерение малых сопротивлений ( ниже 1 ом) производится на двойных мостах. [11]

Описана методика эксперимента для точного измерения сопротивления инициированию разрушения конструкционных сталей при динамическом нагружении с чрезвычайно высокими скоростями. В установке использован нагружающий стержень Кольского ( надрезанный стержень Гопкинсона), что позволяло нагружать до разрушения стержневой образец диаметром 25 4 мм с предварительно созданной кольцевой усталостной трещиной быстро нарастающим импульсом растягивающих напряжений, возникающим в результате взрыва заряда взрывчатого вещества. [12]

Этот мост служит для точного измерения сопротивлений терморезистора при различных температурах, устанавливаемых в термостате. [13]

Таким образом, при точных измерениях сопротивления компенсационным методом выполняют шесть уравновешиваний компенсатора. [14]

Таким образом, при точных измерениях сопротивления компенсационным методом выполняют шесть уравновешиваний компенсатора. [15]

Измерение малых значений сопротивления с помощью современных настольных мультиметров

Универсальные цифровые вольтметры: АВМ-4306 (Aktakom), АВМ-4561 (Aktakom), АВМ-4402 (Aktakom-Iwatsu), DM3062 (Rigol), 2010/E (Keithley).

ТЕОРИЯ

1) Наиболее распространённый метод повышения точности измерения сопротивления – 4-х проводная схема подключения:

Метод подразумевает пропускание тока и измерение напряжения. Однако ток протекает через один набор подводящих проводов, в то время как напряжение воспринимается другим набором проводников. Напряжение измеряется непосредственно на резистивном элементе (RTD), а не в той точке, где подключен источник тока. Это означает, что сопротивление подводящих проводов полностью исключается из измерительной схемы.

Типовая четырехпроводная схема измерения сопротивления помогает исключить большую часть случайных и систематических погрешностей

2) Режим относительных измерений позволяет исключить из результатов измерений заданную постоянную величину (например, сопротивление соединённых измерительных щупов). Цифровые мультиметры позволяют задать в качестве базовой величины для относительных измерений любое текущее измеренное значение.

3) Различие материалов проводников в измерительной цепи вызывает при прохождении тока нагрев в местах контактов (образуется термопара). Возникающая при этом термо-ЭДС вызывает погрешность при измерении малых сопротивлений. Для исключения данного фактора тестовый ток отключается на половину цикла измерения, остаточная разность потенциалов в этот момент характеризует величину термо-ЭДС и вычитается из результатов измерений.

4) Технология измерений «сухой схемой» позволяет исключить из результатов измерений контактного сопротивления погрешность, вызванную пробоем плёнки окисла на поверхности контактов. Снижение тестового напряжения за счёт шунта RSH в четырехпроводной схеме измерений до величины не более 20 мВ решает данную задачу.

Методы измерений

1) Режим относительных измерений позволяет снизить погрешность 2-х проводной схемы измерений, однако даёт погрешность контактного сопротивления при закорачивании щупов, которая в ряде случаев (особенно при измерении малых сопротивлений) может оказаться сравнимой с измеряемым значением.

2) Цифровой фильтр, встроенный в некоторые мультиметры, позволяет видеть на дисплее прибора более стабильные показания, за счёт вычисления усреднённого значение. В режиме скользящего среднего пересчитывается усреднённое значение после каждого нового замера, а в режим повтора – после заполнения всех ячеек усредняемых значений. При большой скорости измерений данная функция обеспечивает более точное определение измеренного значения и увеличивает число разрядов результата.

3) 4-х проводная схема приближает результат измерений к истинному значению на несколько порядков, что весьма существенно при измерениях малых величин! Благодаря данному методу, хорошая точность достигается даже при использовании бюджетных приборов.

4) При наличии разности температур между стыками разнородных металлов генерируется термоэлектродвижущая сила (термо-э.д.с. или термоэлектрический потенциал). Это паразитное напряжение может превышать уровень сигнала, который способен измерять мультиметр. Термоэлектрические эффекты могут служить причиной нестабильности или значительного смещения нуля, а так же изменению показаний прибора.

Компенсация термо-ЭДС исключает влияние контактной разности потенциалов при соединении разнородных проводников в измерительной цепи, за счёт снижения нагрева, ограничивая время протекания тестового тока.

5) С помощью метода «сухой цепи» результат измерений оказывается максимально приближен к величине измеряемого контактного сопротивления в реальных условия.

Приборы

1) Большинство современных бюджетных настольных мультиметров предусматривают режим относительных измерений и 4-х проводную схему измерений. (АВМ-4306 — AKTAKOM; АВМ-4402 — AKTAKOM-IWATSU; DM3062 -Rigol)

2) Приборы более высокого класса в дополнение помимо этого имеют настраиваемый цифровой фильтр результатов измерений, особенно актуальный при увеличении числа разрядов дисплея (АВМ-4561 — AKTAKOM).

3) Для максимальной точности измерений применяется целый комплекс различных методов и схем. Прецизионные мультиметры высокого класса точности — Keithley 2010/E – с 7 ½-разрядным дисплеем позволяют нажатием всего одной-двух кнопок активировать цифровой фильтр, схему компенсации термо-ЭДС или режим «сухой цепи».

Таким образом, для сложных измерений, когда обычные цифровые мультиметры не обеспечивают требуемой точности, важно не ошибиться в поиске измерительного прибора и выбрать именно то, что соответствует Вашим измерительным задачам.

Измерение сопротивления заземления

Очень важно, чтобы в электроустановках применялись заземленные системы электроснабжения, которые обеспечивают безопасный отвод тока в землю в случаях удара молнии или превышения напряжения в сети. Для обеспечения надежного заземления Международная ассоциация электрических измерений (International Electrical Testing Association) требует выполнения проверки заземляющего электрода каждые три года.

Для этого была разработана линейка измерителей сопротивления заземления Fluke, охватывающая весь диапазон методов измерения — от базовых до самых передовых. Наши измерители точны, безопасны и просты в использовании. Мы обеспечиваем быстрые и точные измерения сопротивления с помощью нескольких методов испытаний: 3- или 4-полюсный метод измерения падения напряжения, выборочное тестирование, безэлектродное тестирование и 2-полюсное тестирование. Подробную информацию о применении можно найти в центре решений для обеспечения заземления (Earth Ground Solution Center).

Измерение сопротивления заземления: обзор методов практических измерений

Заземление используется в реализации различных проектов электрических систем. Само понятие «заземление» схематично рассматривается подключением участка электрической цепи к потенциалу земли.

Контур заземления содержит проводник и электрод, внедрённый глубоко в грунт. Традиционным действием в электротехнической практике считается измерение сопротивления заземления только ещё запускаемых и уже эксплуатируемых сетей.

Для чего необходимы измерения

Блестящее решение перечисленных ниже задач достигается идеальным нулевым сопротивлением в заземляющей цепи:

  1. Не допустить появления напряжения на корпусе технологических машин.
  2. Добиться эффективного опорного потенциала электроаппаратуры.
  3. Полностью устранить статические токи.

Правда, электротехнический опыт показывает: результат под идеальный нуль получить невозможно.

В любом случае, заземлённый электрод выдаёт какое-никакое сопротивление. Конкретную величину resistance определяют:

  • сопротивление электрода в точке контакта с проводящей шиной;
  • контактная область между земляным электродом и грунтом;
  • структура грунта, дающая разное сопротивление.

Практика измерений сопротивления контура заземления отмечает, что первыми двумя факторами вполне можно пренебречь, но при соблюдении логичных условий:

  1. Заземляющий электрод сделан из металла с высокой электропроводимостью.
  2. Тело штыря электрода тщательно зачищено и плотно посажено в грунт.

Остаётся фактор третий – резистивная поверхность грунта. Он видится главной расчётной деталью для измерений сопротивления контура заземления.

Смотрите так же:  Подключение двойного проходного выключателя как обычного

Вычисляется же благодаря формуле:

R = pL / A

где: p – удельное сопротивление грунта, L – условное заглубление, А – рабочая площадь.

Обзор измерительных способов

Существует несколько вариантов измерения сопротивления контура заземления, каждый из которых вполне точно позволяет определить искомую величину.

3-точечная система определения

Так, например, часто применяется методика 3-х точечной схемы, основанная на эффекте падения потенциала.

Измерения выполняют за три основных шага:

  1. Замер напряжения на электроде Э1 и зонде Э2.
  2. Замер силы тока на электроде Э1 и зонде Э3.
  3. Расчёт (формулой R = E / I) сопротивления заземляющего электрода.

Для этой методики точность замеров логически зависима от места инсталляции зонда Э3. Его рекомендуется внедрять в грунт на удалении — оптимально за пределы так называемой области ЭСЭ (эффективного сопротивления электродов) Э1 и Э2.

Измерения по технологии «62%»

Если структура грунта под размещение заземляющего электрода отличается однородным содержимым, методика «62%» для определения сопротивлений контуров заземления обещает хорошую результативность.

Способ применим под схемы с единственным заземляющим электродом. Точность показаний здесь обусловлена возможностью расположения рабочих зондов на прямолинейном участке, относительно заземляющего электрода.

Точки инсталляции контрольных зондов

Упрощённый двухточечный метод

Применение этого способа измерений требует наличия ещё одного качественного заземления помимо того, которое будет подвергаться исследованию. Методика актуальна для территорий густонаселённых, где часто нет возможности широко оперировать вспомогательными рабочими электродами.

Метод двухточечного измерения отличается тем, что одновременно показывает результат для двух устройств заземления, включенных последовательно. Этим и объясняются требования к высокому качеству исполнения второго заземления, чтобы не учитывать его сопротивление. При вычислениях также измеряется сопротивление заземляющей шины. Полученный результат вычитывают из результатов общих замеров.

Точность этого способа оставляет желать лучшего по сравнению с двумя вышеизложенными. Здесь существенную роль играет расстояние между заземляющим электродом, сопротивление которого измеряется и вторым заземлением. Стандартно такая методика не применяется. Это своего рода альтернатива, когда нельзя использовать другие способы измерений.

Точные измерения по четырём точкам

Для большинства вариантов измерения сопротивлений наиболее оптимальным способом, помимо 2-х и 3-х точечных, считается 4-х точечная технология. Такой технологией замеров наделены приборы, подобные тестеру 4500 серии. Судя из наименования метода, на рабочей площадке в одну линию и на равных расстояниях размещаются четыре рабочих электрода.

Генератор тока прибора подключается на крайние электроды, в результате чего между ними течёт ток, значение которого известно. На других клеммах прибора подключены два внутренних рабочих электрода. На этих клеммах присутствует значение падения напряжения. Конечный результат по замерам – сопротивление заземления (в Омах), значение которого прибор демонстрирует на дисплее.

Приборами из серии 4500 часто пользуются для измерения напряжения прикосновения. Устройством при помощи специального модуля генерируется в земле напряжение небольшой величины – имитация повреждения кабеля. Одновременно на шкале прибора указывается ток, текущий по цепи заземления. Показания на экране берут за основу и умножают на предполагаемую величину тока в земле. Таким способом вычисляют напряжение прикосновения.

К примеру, максимальное значение ожидаемого тока на участке повреждения равно 4000А. На экране прибора отмечается величина 0,100. Тогда величина напряжения прикосновения будет равна 400В (4000*0,100).

Измерение прибором С.А6415 (6410, 6412, 6415)

Уникальность этого способа – возможность проведения замеров без отключения заземляющей цепи. Также здесь следует выделить преимущественную сторону, когда измерять общее сопротивление устройства заземления допустимо методом включения в цепь заземления резистивной составляющей всех соединений.

Принцип работы примерно следующий:

  1. Специальным трансформатором в цепи создаётся ток.
  2. Ток течёт в образованном контуре.
  3. С помощью синхронного детектора регистрируется измеряемый сигнал.
  4. Полученный сигнал преобразуется АЦП.
  5. Результат выводится на ЖК-дисплей.

Устройство оснащается модулем (избирательный усилитель), благодаря которому полезный сигнал эффективно очищается от разного рода помех – н.ч. и в.ч. шумов. Лапами клещей в их сочленённом состоянии образуется возбуждаемый контур, охватывающий проводник заземления.

Инструкция измерения прибором С.А6415

Последовательность действий при работе с прибором серии С.А6415 доходчиво описывается в инструкции, прилагаемой к этому уникальному устройству.

Например, есть необходимость провести измерения сопротивления заземления какого-либо электрического модуля (трансформатора, электросчётчика и т.п.). Последовательность действий:

  1. Открыть доступ к заземляющей шине, сняв защитный кожух.
  2. Захватить клещами проводник (шину или непосредственно электрод) заземления.
  3. Выбрать режим измерения «А» (измерение тока).

Максимальное значение тока прибора составляет 30А, поэтому в случае превышения этой цифры выполнять измерение нельзя. Следует снять прибор и повторить попытку измерений в другой точке.

Когда полученная на шкале величина тока укладывается в допустимый диапазон, можно продолжить работу переключением прибора на измерение сопротивления «?». Высвеченный на дисплее результат покажет общее значение сопротивления, включая:

  • электрод и шину заземления;
  • контакт нейтрали с электродом заземления;
  • контакт соединений на линии между нейтралью и заземляющим электродом.

Работая с клещами, следует иметь в виду: завышенные показания прибора по сопротивлению заземления, как правило, обусловлены плохим контактом заземляющего электрода с грунтом. Также причиной высокого сопротивления может быть оборванная токоведущая шина. Высокие цифры сопротивлений в точках соединений (сращиваний) проводников тоже могут влиять на показания прибора.

Общие рекомендации по измерению УСГ

Прежде чем сооружать цепь заземления, следует получить точные сведения о том, в область каких грунтов будет закладываться заземляющий электрод. Часто для определения значений «p» грунта предлагается обращаться к существующим таблицам. Однако этот вариант с таблицами даёт чисто ориентировочные данные. Поэтому полагаться на них не стоит. Истинные значения сопротивления грунта могут отличаться в разы.

Вариант #1: однослойный грунт

Если грунт имеет однородную составляющую, его удельное сопротивление измеряют методикой «пробного электрода».

Метод предполагает выполнение определённой процедуры в два этапа:

  1. Берут стержневой контрольный зонд длиной чуть больше глубины проектной закладки.
  2. Погружают зонд в землю строго вертикально на глубину проектной закладки.
  3. Оставшийся над поверхностью земли конец используют для замера сопротивления растекания (Rr).
  4. Определяют УСГ по формуле p = Rr * Ψ.

Желательно выполнить процедуру несколько раз в различных точках рабочей площадки. Альтернативные замеры помогают достичь точных результатов измерений сопротивления грунта.

Вариант #2: многослойный грунт

Для такой ситуации замер УСГ выполняют методом ступенчатого зондирования. То есть контрольный зонд погружается до рабочей глубины ступенями и в положении каждой ступени выполняются измерения удельного сопротивления. Вычисления среднего УСГ производятся с помощью формул для каждого отдельного измерения.

Затем, исходя из климатических особенностей местности, находят значения для сезонных изменений. Таким способом (достаточно сложным) получают расчётные значения УСГ верхних слоёв. Нижележащие слои рассматриваются как не подверженные сезонным изменениям и потому расчёт для них ограничивается несколько упрощённым измерением и вычислением.

Требования к исполнению работ

Работы подобного плана, конечно же, выполняются квалифицированным персоналом, представляющим специализированные организации. Так, за эксплуатацию силовых щитков в жилых домах, как правило, отвечают коммунальные службы. Производить какие-либо измерения в этих точках разрешается только через обращение к этим службам.

Электрические цепи относятся к опасным системам. Несмотря на то, что коммуникации бытового сектора рассчитаны под напряжение менее 1000В, это напряжение смертельно для человека. Требуется соблюдать все необходимые меры безопасности при обращении с электрическим оборудованием. Обывателю зачастую такие меры попросту неведомы.

Выводы и полезное видео по теме

Выполнение измерений на практике с помощью прибора:

Исполнение работ, связанных с проверкой сопротивления заземления, требуется обязательно, независимо от сложности электрической схемы и категории объекта, где устанавливается или установлено и эксплуатируется электрооборудование. Многие специализированные организации готовы предоставлять такие услуги.

Это интересно!

Усилители датчиков тока для разных приложений

В статье рассказывается о преимуществах высокопотенциальных датчиков тока для построения схем контроля и управления. Представлены характеристики современных интегральных схем (ИС) для высокопотенциальных датчиков тока, которым отлично соответствует микросхема LT6102 компании Linear Technology, позволяющая измерять токи очень малых величин.

Операционный усилитель: одиночный, сдвоенный или счетверенный?

В статье обсуждаются особенности топологии одиночных, сдвоенных и счетверенных операционных усилителей (ОУ) и влияние конструкции на их параметры. Рассмотрены некоторые виды схем на базе ОУ и показано, в каком случае лучше выбрать одиночный, а в каком — сдвоенный или счетверенный вариант ОУ. Статья представляет собой сокращенный перевод [1].

Микро- и маломощные операционные усилители компании Maxim

У разработчиков электронной аппаратуры компания Maxim Integrated Products ассоциируется в т.ч. как один из ведущих производителей аналоговых интегральных схем. В статье предлагается обзор микро- и маломощных операционных усилителей (ОУ), выпускаемых компанией Maxim, а также некоторые соображения, позволяющие сделать оптимальный для конкретного приложения выбор из широкой номенклатуры изделий компании.

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Смотрите так же:  Проверить стабилитрон мультиметром

Реклама наших партнеров

3 мая

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.

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.

Смотрите так же:  Монтаж электропроводка в бане

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.

1. Kannan Sadasivam, Sachin Gupta. Design considerations the analog signal chain//www.eetimes.com.

2. Pushek Madaan. Maintaining accuracy with small magnitude signals//www.analog-europe.com.

Автор: Александр Щеглов, технический консультант, ИД «Электроника»

Похожие статьи:

  • Схема электронного полива Устройство автоматического полива - схема Устройство для автоматического полива представляет собой электронное реле на транзисторе VT1, база и эмиттер которого соединены с пластинами из токопроводящего материала, воткнутыми в почву на […]
  • Двигатель ул-062 схема подключения Двигатель ул-062 схема подключения Универсальные коллекторные электродвигатели УЛ06 предназначены для привода различных механизмов и аппаратов. Структура условного обозначения УЛ-06Х1Х24: УЛ - универсальный коллекторный электродвигатель с […]
  • Заземление сечение 70 Заземление сечение 70 Технические характеристики: Заземление переносное ЗПЛ-220-1-1-70 предназначено для защиты работающих на отключенных участках оборудования воздушных линий электропередач (ВЛ) напряжением до 220 кВ на случай ошибочной […]
  • Как узнать сечение провода для трансформатора Научный форум dxdy Как рассчитать самый простой трансформатор? 09/06/17 61 Нижний Тагил 14/02/12 14/03/19 793 Лорд Амбера Последний раз редактировалось Korvin 12.06.2017, 15:34, всего редактировалось 1 раз. 09/06/17 61 Нижний […]
  • Белый красный черный провода ПВ1(ПуВ) 1х2,5 провод (белый, черный, синий, красный, желто-зеленый) ГОСТ Расшифровка ПВ-1 и ПВ-3: П - провод. В - виниловая изоляция. 1 или 3 - класс гибкости жилы. Провод медный ПВ-1 с пластмассовой изоляцией предназначен для […]
  • Заземление пзру-1-25 ПЗРУ-1. Заземление переносное. ПЗРУ-1-25 ПЗРУ-1-25 используется для защиты работающих на отключенных токоведущих частях электроустановок с номинальным напряжением до 1 кВ от ошибочно поданного или наведенного напряжения при отсутствии […]