Самокалибровка при измерениях

Электронные схемы, используемые в измерительных приборах могут иметь некоторые отклонения, которые влияют на стабильность и точность. Смещение, дрейф в усилении, происходящие в результате изменений температуры, процессов старения и изменений питания являются причинами неопределенностей в измерениях. Зачастую такие неопределенности являются неприемлемыми. Использование цепи самокалибровки и протоколирование может в значительной мере увеличить точность измерения.

Смещение и усиление

На графике ниже показаны три характеристики усилителя. Толстая черная линия представляет идеальное усиление в 100 раз и отсутствие входного смещения. Красной линией представлен усилитель имеющий смещение на входе в -25 мВ со 100 кратным усилением. Синей линией представлен усилитель со входным смещением напряжения величиной +50 мВ и отклонением в усилении до 70.

характеристики усилителя с различными параметрами смещения и усиления — Характеристики усилителя с различными параметрами смещения и усиления

Именно этот вид отклонений в смещении и усилении (или ослаблении) может быть исправлен путем самокалибровки. Условием является линейность в обработке сигналов.

Принцип самокалибровки

Принцип автоматической калибровки основан на непрерывной или периодической калибровке оборудования, использующегося для обработки сигналов и/или датчиков при сравнении относительно двух устойчивых опорных точек. Перед любым измерением вход прибора соединяется с низким опорным напряжением, а затем с высоким опорным напряжением. Используя эти два измерения можно определить смещение и коэффициент усиления. Фактическое измерение, следующее после этого, оказывается под влиянием такого же смещения и усиления. Когда известны аппаратные отклонения, то, используя эту информацию, мы можем скорректировать и фактические измерения.

Чаще всего, земля или 0 В используются в качестве низкого опорного напряжения. Высокое опорное напряжение может иметь значение близкое к верхнему пределу входного напряжения.

Измерительный цикл

Учитывая вышеизложенное, мы имеем три шага цикла самокалибровки:

Шаг 1. Вход прибора подключается к нижнему опорному напряжению (GND = 0 В). Теперь только входное напряжение смещения усиливается с помощью усилителя и фиксируется измерителем M. Это значение обозначим как $U_{nul}$ .

Первый шаг цикла самокалибровки — Вход подключен к нижнему опорному напряжению

Шаг 2. Теперь подключим вход прибора к высокому опорному напряжению $U_{ref}$ . Опорное напряжение складывается со входным смещением, усиливается и регистрируется измерителем M. Обозначим его как $U_{max}$ .

Второй шаг самокалибровки — Вход соединен с верхним опорным напряжением

Шаг 3. Наконец, вход прибора соединяется с неизвестным напряжением $U_x$ . Это измеренное напряжение также включает входное смещение. После усиления входное напряжение фиксируется измерителем M. Обозначим $U_{in}$

Третий шаг самокалибровки — На входе неизвестное $U_x$

Используя эти три измеренные значения $U_{nul}, U_{max}$ и $U_{in}$ , полученные в цикле, мы можем определить неизвестное значение $U_x$ .

Точное усиление:

$A = \frac{U_{max}-U_{null}}{U_{ref}}$

Неизвестное напряжение:

$U_x = \frac{U_{in}-U_{null}}{A}$

Фиксирующий измеритель обычно является микроконтроллером с АЦП. При помощи совсем уж небольшого куска коды мы сможем выполнить эти вычисления.

Периодичность калибровки

Каждый цикл самокалибровки состоит из трех измерений. Обычно, электроника в измерительном приборе достаточно стабильна в течении некоторого промежутка времени. Поэтому нет необходимости калибровать прибор очень часто. Параметры изменятся, если прибор зависит от температурных колебаний. Например, это имеет место при разогреве после включения питания. Поэтому, зачастую, достаточно произвести калибровку только один раз или же в случае изменения температуры на определенную величину.

Датчики

Для измерения неэлектрических параметров используются датчики, которые производят преобразования различных физических параметров в электрические. Сенсоры чувствительны не только к рассматриваемому параметру, но и к условиям окружающей среды. Если датчики также могут быть включены в калибровку, то нежелательные воздействия будут устранены.

Пример: емкостной датчик уровня жидкости

Для понимания метода, в качестве примера рассмотрим емкостной датчик уровня жидкости. Принцип действия емкостного датчика уровня основан на изменении емкости конденсатора в области двух различных диэлектриков. Две пластины конденсатора проходя по всей высоте сосуда. В нижней части в качестве диэлектрика выступает жидкость. В верхней части в качестве диэлектрика выступает воздух, либо какой-то другой газ. Таким образом, емкость зависит от высоты уровня жидкости.

Емкостной датчик

Если датчик включает только этот конденсатор, то неопределенность измерения будет большой, поскольку множество различных факторов влияют на диэлектрические свойства жидкости и газа, а также на физические размеры. Температура, а также составы жидкости и газа играют важную роль. Кроме этого, переменное напряжение, необходимое для измерения емкости, может меняться, что делает неопределенность измерения еще больше.

Измерительная схема и самокалибровка

Итак, есть много причин, снижающих точность определения емкости датчика. Включив в сенсор самокалибровку, можно значительно увеличить его точность.

На рисунке ниже показано самокалибриющееся измерительное устройство с емкостными датчиками. Помимо самого датчика уровня $C_m$ также имеется два датчика опорных уровней, помещенных в емкость. Датчик опорного уровня $C_{ref-high}$ помещен в нижнюю часть емкости и постоянно находится внутри жидкости. Датчик опорного уровня $C_{ref-low}$ расположен в верхней части емкости и никогда не касается жидкости. Измерения являются достоверными, если столб жидкости находится между уровнями $h_{min}$ и $h_{max}$

Самокалибровка в измерителе уровня жидкости

Общая пластина конденсаторов подключена к источнику синусоидального напряжения. Усилитель $A$ — со входным импедансом 0 Ом и преобразующий ток в напряжение. Таким образом, измеряется ток через конденсатор.

В первых двух измерениях меряется емкость двух опорных конденсаторов $C_{ref-high}$ и $C_{ref-low}$ . Этими двумя измерениями определяется коэффициент масштабирования и смещение. Следующим, третьим, измерением меряется емкость конденсатора $C_m$ . По этим трем измерениям уровень жидкости может быть определен по измерениям токов и высоты $h_s$ измерительного датчика:

$h=h_s \frac{I_{C_m}}{I_{C_{ref-high}}-I_{C_{ref-low}}}$

На рисунке оба опорных конденсатора изображены меньше, чем измерительный конденсатор, но они должны иметь такую же площадь конденсатора. Форму можно изменить, реализовав два опорных конденсатора шире и ниже. Последнее уравнение справедливо, если все три конденсатора имеют одинаковый размер. Если конденсаторы имеют не одинаковый размер, то это нужно учесть в вычислениях.

Такого типа емкостные датчики часто очень длинные. Чтобы уйти от одного большого измерительного датчика и повысить точность, измерительный конденсатор изготавливается из нескольких небольших конденсаторов. Легко определить, какой датчик «видит» границу жидкость-газ путем сравнения измерений и найдя емкость, которая отличается. Конденсатор выше найденного конденсатора находится в окружении газа, а тот который ниже найденного — погружен в жидкость. Эти два датчика теперь могут выступать в качестве нижнего и верхнего опорных датчиков.

[add_ratings]