Самокалибровка при измерениях

Самокалибровка

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
    *** QuickLaTeX cannot compile formula:
    U_{nul}
    *** Error message:
    Cannot connect to QuickLaTeX server: SSL certificate problem: certificate has expired
    Please make sure your server/PHP settings allow HTTP requests to external resources ("allow_url_fopen", etc.)
    These links might help in finding solution:
    http://wordpress.org/extend/plugins/core-control/
    http://wordpress.org/support/topic/an-unexpected-http-error-occurred-during-the-api-request-on-wordpress-3?replies=37
    .

Первый шаг цикла самокалибровки

Вход подключен к нижнему опорному напряжению

  • Шаг 2. Теперь подключим вход прибора к высокому опорному напряжению
    *** QuickLaTeX cannot compile formula:
    U_{ref}
    *** Error message:
    Cannot connect to QuickLaTeX server: SSL certificate problem: certificate has expired
    Please make sure your server/PHP settings allow HTTP requests to external resources ("allow_url_fopen", etc.)
    These links might help in finding solution:
    http://wordpress.org/extend/plugins/core-control/
    http://wordpress.org/support/topic/an-unexpected-http-error-occurred-during-the-api-request-on-wordpress-3?replies=37
    . Опорное напряжение складывается со входным смещением, усиливается и регистрируется измерителем M. Обозначим его как
    *** QuickLaTeX cannot compile formula:
    U_{max}
    
    *** Error message:
    Cannot connect to QuickLaTeX server: SSL certificate problem: certificate has expired
    Please make sure your server/PHP settings allow HTTP requests to external resources ("allow_url_fopen", etc.)
    These links might help in finding solution:
    http://wordpress.org/extend/plugins/core-control/
    http://wordpress.org/support/topic/an-unexpected-http-error-occurred-during-the-api-request-on-wordpress-3?replies=37
    .

Второй шаг самокалибровки

Вход соединен с верхним опорным напряжением

  • Шаг 3. Наконец, вход прибора соединяется с неизвестным напряжением
    *** QuickLaTeX cannot compile formula:
    U_x
    *** Error message:
    Cannot connect to QuickLaTeX server: SSL certificate problem: certificate has expired
    Please make sure your server/PHP settings allow HTTP requests to external resources ("allow_url_fopen", etc.)
    These links might help in finding solution:
    http://wordpress.org/extend/plugins/core-control/
    http://wordpress.org/support/topic/an-unexpected-http-error-occurred-during-the-api-request-on-wordpress-3?replies=37
    . Это измеренное напряжение также включает входное смещение. После усиления входное напряжение фиксируется измерителем M. Обозначим
    *** QuickLaTeX cannot compile formula:
    U_{in}
    
    *** Error message:
    Cannot connect to QuickLaTeX server: SSL certificate problem: certificate has expired
    Please make sure your server/PHP settings allow HTTP requests to external resources ("allow_url_fopen", etc.)
    These links might help in finding solution:
    http://wordpress.org/extend/plugins/core-control/
    http://wordpress.org/support/topic/an-unexpected-http-error-occurred-during-the-api-request-on-wordpress-3?replies=37

Третий шаг самокалибровки

На входе неизвестное

*** QuickLaTeX cannot compile formula:
U_x
*** Error message:
Cannot connect to QuickLaTeX server: SSL certificate problem: certificate has expired
Please make sure your server/PHP settings allow HTTP requests to external resources ("allow_url_fopen", etc.)
These links might help in finding solution:
http://wordpress.org/extend/plugins/core-control/
http://wordpress.org/support/topic/an-unexpected-http-error-occurred-during-the-api-request-on-wordpress-3?replies=37

Используя эти три измеренные значения

*** QuickLaTeX cannot compile formula:
U_{nul}, U_{max}

*** Error message:
Cannot connect to QuickLaTeX server: SSL certificate problem: certificate has expired
Please make sure your server/PHP settings allow HTTP requests to external resources ("allow_url_fopen", etc.)
These links might help in finding solution:
http://wordpress.org/extend/plugins/core-control/
http://wordpress.org/support/topic/an-unexpected-http-error-occurred-during-the-api-request-on-wordpress-3?replies=37
и
*** QuickLaTeX cannot compile formula:
U_{in}

*** Error message:
Cannot connect to QuickLaTeX server: SSL certificate problem: certificate has expired
Please make sure your server/PHP settings allow HTTP requests to external resources ("allow_url_fopen", etc.)
These links might help in finding solution:
http://wordpress.org/extend/plugins/core-control/
http://wordpress.org/support/topic/an-unexpected-http-error-occurred-during-the-api-request-on-wordpress-3?replies=37
, полученные в цикле, мы можем определить неизвестное значение
*** QuickLaTeX cannot compile formula:
U_x

*** Error message:
Cannot connect to QuickLaTeX server: SSL certificate problem: certificate has expired
Please make sure your server/PHP settings allow HTTP requests to external resources ("allow_url_fopen", etc.)
These links might help in finding solution:
http://wordpress.org/extend/plugins/core-control/
http://wordpress.org/support/topic/an-unexpected-http-error-occurred-during-the-api-request-on-wordpress-3?replies=37

.

Точное усиление:

*** QuickLaTeX cannot compile formula:
\[A = \frac{U_{max}-U_{null}}{U_{ref}}\]
*** Error message:
Cannot connect to QuickLaTeX server: SSL certificate problem: certificate has expired
Please make sure your server/PHP settings allow HTTP requests to external resources ("allow_url_fopen", etc.)
These links might help in finding solution:
http://wordpress.org/extend/plugins/core-control/
http://wordpress.org/support/topic/an-unexpected-http-error-occurred-during-the-api-request-on-wordpress-3?replies=37

Неизвестное напряжение:

*** QuickLaTeX cannot compile formula:
\[ U_x = \frac{U_{in}-U_{null}}{A}\]
*** Error message:
Cannot connect to QuickLaTeX server: SSL certificate problem: certificate has expired
Please make sure your server/PHP settings allow HTTP requests to external resources ("allow_url_fopen", etc.)
These links might help in finding solution:
http://wordpress.org/extend/plugins/core-control/
http://wordpress.org/support/topic/an-unexpected-http-error-occurred-during-the-api-request-on-wordpress-3?replies=37

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 

*** QuickLaTeX cannot compile formula:
C_m
*** Error message:
Cannot connect to QuickLaTeX server: SSL certificate problem: certificate has expired
Please make sure your server/PHP settings allow HTTP requests to external resources ("allow_url_fopen", etc.)
These links might help in finding solution:
http://wordpress.org/extend/plugins/core-control/
http://wordpress.org/support/topic/an-unexpected-http-error-occurred-during-the-api-request-on-wordpress-3?replies=37
также имеется два датчика опорных уровней, помещенных в емкость. Датчик опорного уровня
*** QuickLaTeX cannot compile formula:
C_{ref-high}

*** Error message:
Cannot connect to QuickLaTeX server: SSL certificate problem: certificate has expired
Please make sure your server/PHP settings allow HTTP requests to external resources ("allow_url_fopen", etc.)
These links might help in finding solution:
http://wordpress.org/extend/plugins/core-control/
http://wordpress.org/support/topic/an-unexpected-http-error-occurred-during-the-api-request-on-wordpress-3?replies=37
помещен в нижнюю часть емкости и постоянно находится внутри жидкости. Датчик опорного уровня
*** QuickLaTeX cannot compile formula:
C_{ref-low}

*** Error message:
Cannot connect to QuickLaTeX server: SSL certificate problem: certificate has expired
Please make sure your server/PHP settings allow HTTP requests to external resources ("allow_url_fopen", etc.)
These links might help in finding solution:
http://wordpress.org/extend/plugins/core-control/
http://wordpress.org/support/topic/an-unexpected-http-error-occurred-during-the-api-request-on-wordpress-3?replies=37
расположен в верхней части емкости и никогда не касается жидкости. Измерения являются достоверными, если столб жидкости находится между уровнями
*** QuickLaTeX cannot compile formula:
h_{min}

*** Error message:
Cannot connect to QuickLaTeX server: SSL certificate problem: certificate has expired
Please make sure your server/PHP settings allow HTTP requests to external resources ("allow_url_fopen", etc.)
These links might help in finding solution:
http://wordpress.org/extend/plugins/core-control/
http://wordpress.org/support/topic/an-unexpected-http-error-occurred-during-the-api-request-on-wordpress-3?replies=37
и
*** QuickLaTeX cannot compile formula:
h_{max}

*** Error message:
Cannot connect to QuickLaTeX server: SSL certificate problem: certificate has expired
Please make sure your server/PHP settings allow HTTP requests to external resources ("allow_url_fopen", etc.)
These links might help in finding solution:
http://wordpress.org/extend/plugins/core-control/
http://wordpress.org/support/topic/an-unexpected-http-error-occurred-during-the-api-request-on-wordpress-3?replies=37

Самокалибровка в измерителе уровня жидкости

Самокалибровка в измерителе уровня жидкости

Общая пластина конденсаторов подключена к источнику синусоидального напряжения. Усилитель

*** QuickLaTeX cannot compile formula:
A
*** Error message:
Cannot connect to QuickLaTeX server: SSL certificate problem: certificate has expired
Please make sure your server/PHP settings allow HTTP requests to external resources ("allow_url_fopen", etc.)
These links might help in finding solution:
http://wordpress.org/extend/plugins/core-control/
http://wordpress.org/support/topic/an-unexpected-http-error-occurred-during-the-api-request-on-wordpress-3?replies=37

 — 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

*** QuickLaTeX cannot compile formula:
C_{ref-high}
*** Error message:
Cannot connect to QuickLaTeX server: SSL certificate problem: certificate has expired
Please make sure your server/PHP settings allow HTTP requests to external resources ("allow_url_fopen", etc.)
These links might help in finding solution:
http://wordpress.org/extend/plugins/core-control/
http://wordpress.org/support/topic/an-unexpected-http-error-occurred-during-the-api-request-on-wordpress-3?replies=37
и
*** QuickLaTeX cannot compile formula:
C_{ref-low}

*** Error message:
Cannot connect to QuickLaTeX server: SSL certificate problem: certificate has expired
Please make sure your server/PHP settings allow HTTP requests to external resources ("allow_url_fopen", etc.)
These links might help in finding solution:
http://wordpress.org/extend/plugins/core-control/
http://wordpress.org/support/topic/an-unexpected-http-error-occurred-during-the-api-request-on-wordpress-3?replies=37
. Этими двумя измерениями определяется коэффициент масштабирования и смещение. Следующим, третьим, измерением меряется емкость конденсатора  
*** QuickLaTeX cannot compile formula:
C_m

*** Error message:
Cannot connect to QuickLaTeX server: SSL certificate problem: certificate has expired
Please make sure your server/PHP settings allow HTTP requests to external resources ("allow_url_fopen", etc.)
These links might help in finding solution:
http://wordpress.org/extend/plugins/core-control/
http://wordpress.org/support/topic/an-unexpected-http-error-occurred-during-the-api-request-on-wordpress-3?replies=37
. По этим трем измерениям уровень жидкости может быть определен по измерениям токов и высоты
*** QuickLaTeX cannot compile formula:
h_s

*** Error message:
Cannot connect to QuickLaTeX server: SSL certificate problem: certificate has expired
Please make sure your server/PHP settings allow HTTP requests to external resources ("allow_url_fopen", etc.)
These links might help in finding solution:
http://wordpress.org/extend/plugins/core-control/
http://wordpress.org/support/topic/an-unexpected-http-error-occurred-during-the-api-request-on-wordpress-3?replies=37

измерительного датчика:

*** QuickLaTeX cannot compile formula:
\[h=h_s \frac{I_{C_m}}{I_{C_{ref-high}}-I_{C_{ref-low}}}\]
*** Error message:
Cannot connect to QuickLaTeX server: SSL certificate problem: certificate has expired
Please make sure your server/PHP settings allow HTTP requests to external resources ("allow_url_fopen", etc.)
These links might help in finding solution:
http://wordpress.org/extend/plugins/core-control/
http://wordpress.org/support/topic/an-unexpected-http-error-occurred-during-the-api-request-on-wordpress-3?replies=37

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.

 

Как вы оцениваете эту публикацию? 1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд (2 голосов, средняя оценка: 5.00 из 5)
Loading ... Loading ...

Вы можете пропустить чтение записи и оставить комментарий. Размещение ссылок запрещено.

Оставить комментарий