Температурная компенсация тензометров

 

При использовании тензометров для изменения напряжения на поверхности, которая имеет разную температуру, возникает проблема учета разностного расширения. Например, если температура возрастает, то на измеряемой поверхности появляются температурные расширения, отличающиеся от тех которые, которые возникают при нормальных условиях работы тензометра. Но, поскольку чувствительный элемент зафиксирован на поверхности, а прибор подвергается воздействию, обусловленным ее расширением, то у него изменяется сопротивление.

Для устранения этой погрешности измерений некоторые тензометры проектируются так, чтобы изменения сопротивления, вследствие дифференциального расширения, балансировались за счет температурного изменения сопротивления резисторов (противоположный эффект). Это может быть достигнуто только за счет применения соответствующих материалов в процессе изготовления тензометров. Такая компенсация обычно предусматривается в приборах, предназначенных для работы на поверхностях одного из следующих материалов: нержавеющей стали, низкоуглеродистой стали, алюминия и материалов на его основе.

 

Температурная компенсация с помощью мостовых схем

 

Рассмотренная погрешность измерений и соответствующая ей схема компенсации характерны для тензометров. Одной из проблем, связанных с температурой, при использовании любого измерительного преобразователя, включенного по основной мостовой схеме, является учет длины проводников, соединяющих его с мостовой схемой. Сопротивление любого материала, включая соединительные провода, зависит от температуры. Поэтому в зависимости от окружающей температуры может варьироваться выходное напряжение моста.

На рис. 9.3,а показан один из возможных способов компенсации [97], в котором применяется трехпроводное подсоединениепреобразователя к мостовой схеме. Три соединительных провода имеют одну и ту же длину и, следовательно, одно и то же сопротивление. Таким образом, любое изменение сопротивления плеча преобразователя в мостовой схеме компенсируется аналогичным изменением сопротивления другого плеча.

Второй способ температурной компенсации представлен на рис. 9.3,б. Здесь компенсационное плечо моста выполнено в виде проволочного контура, подсоединенного параллельно преобразователю. Изменение сопротивления вследствие температурных вариаций действует одинаково на оба плеча мостовой схемы.

В обоих рассмотренных методах температурной компенсации соединительные провода должны быть свиты в один жгут, чтобы обеспечивать одинаковое воздействие на них температурных вариаций по всей длине.

 

Установка тензометров

 

Тензометры отличаются от большинства других преобразователей способом их установки на поверхности, напряжение на которой следует измерить. Как правило, они закрепляются «намертво» на этой поверхности. Для этого используется эпоксидный клей, с помощью которого крепится элемент или прибор в нужном месте.

При установке тензометров рекомендуется соблюдать следующую последовательность операций:

1) непосредственно перед установкой преобразователя поверхность очищается и обрабатывается шкуркой;

2) выбирается клей. Считается, что клей пригоден для использования с данной поверхностью и данным тензометром, если на него не влияют никакие внешние факторы – влажность, температура и т.п.

3) после приклеивания тензометр фиксируется на поверхности с помощью металлической пластинки с лентой из наклеивающегося пластика или другого материала, располагаемой между пластинкой и тензометром. В течение времени затвердевания клея к пластине прикладывается давление;

4) после высыхания клея удаляют фиксирующее устройство и наносят на тензометр соответствующий влагонепроницаемый слой;

5) соединять отдельные элементы тензометрической установки лучше всего с помощью соответствующего соединительного блока, устанавливаемого вблизи преобразователя на измеряемой поверхности. Влагонепроницаемый слой необходимо наносить также и на соединительный блок.

Шумы

 

В любой системе с чувствительными элементами ко входу системы прикладывается слабый сигнал, поэтому даже незначительный шум будет усиливаться до такой степени, что станет невозможно проводить точные измерения. Проблема шумов может возникнуть по самым различным причинам и их следует принимать в расчет при создании системы. Их уровень уменьшается до приемлемого значения путем фильтрации. Чтобы гарантировать хорошие характеристики системы, следует учитывать всевозможные шумы и проектировать систему так, чтобы уменьшить их до такого уровня, при котором с ними можно не считаться в первом приближении.

Известны различные типы шумов, действующих в измерительной системе. Шумы, которые наводятся первоначально при подсоединении проводов между преобразователем и схемой сопряжения, обычно называютсявзаимными помехами. Они фактически создаются человеком. Низкочастотный фон на частотах 50 Гц и 100 Гц генерируется первоначально усилителем, поскольку около него находится источник питания.

Источник питания в основном производит низкочастотные шумы частотой 50 Гц или 100 Гц (если в источнике имеется двухполупериодное выпрямление переменного тока), и они наводятся в усилителе. Взаимные помехи усиливаются с полезным сигналом. Два главных типа взаимных помех, часто встречающихся на практике, показаны на рис. 9.4 и на рис. 9.5 [97]. Взаимные помехи, обусловленые емкостной связью, возникают даже в том случае, если две системы разделены между собой (рис. 9.4,а). Металлические части (проводники, кожухи и др.) каждой системы, сообщающиеся друг с другом через воздух, образуют конденсатор (рис. 9.4,б). Из эквивалентной схемы такой аппаратуры (рис. 9.4,в) видно, что этот конденсатор работает как конденсатор связи, а сигнал от первой системы может проходить ко второй в форме взаимных помех. На рис. 9.5 показано аналогичное устройство, в котором две системы, имеющие в своем составе индуктивные компоненты, могут взаимодействовать по принципу трансформатора связи. Подобное явление известно под названием взаимных помех, обусловленных магнитной или индуктивной связью.

В каждой категории взаимных помех существует различные типы помех, а их название определяется характером эффектов, который они производят. Одним из типов емкостных взаимных помех является емкостной низкочастотный фон, возникающий, когда источник питания находится вблизи усилителя и между ними образуется емкостная связь.

К другому типу помех относятся емкостные перекрестные помехи, которые появляются, когда сигналы одной части системы по емкостным связям поступают в ее другие части и взаимодействуют между собой.

Индуктивный низкочастотный фон или индуктивные перекрестные искажения являются магнитосвязанным эквивалентом ранее описанных шумов.

Один из основных способов подавления или устранения взаимных помех состоит в соединении преобразователя и схемы сопряжения экранированным или коаксиальным кабелем. Заземление экранирующей оплетки осуществляется в предположении, что она образует экран между потенциальным источником шумов и системой. Однако это предположение не всегда выполняется на практике, и тогда использование заземленных коаксиальных соединительных линий не уменьшает, а увеличивает взаимные помехи. Смысл рассматриваемого предположения заключается в том, что экран служит по существу электростатическим «разделителем» (рис. 9.6).

С введением экрана вместо одной емкостной связи (потенциального источника шумов) со схемой сопряжения (потенциальным приемником помех) образуется два конденсатора. Если электростатический экран имеет нулевое сопротивление относительно земли, то эквивалентная схема представляет связанный непосредственно с землей через емкостную связь источник шумового сигнала. В этом случае не возникает взаимных помех. Если же экран обладает конечным сопротивлением относительно земли (это справедливо всегда при использовании длинных линий связи между преобразователем и остальной частью системы, так как кабель имеет сопротивление), то источник помех будет генерировать напряжение шумов между экраном и землей. Как только возникают взаимные помехи, ситуация может ухудшиться, чем до установки экрана. Конечно, при наличии коаксиального экранированного кабеля малой длины подобная проблема не возникает.

С другой стороны, взаимные помехи возникают и в случае применения экранированного соединительного кабеля, если неверно понята сущность заземления. На рис. 9.7,а показан преобразователь, соединенный с усилителем коаксиальным кабелем. Заземление экрана кабеля выполнено в двух точках – у источника и приемника. Такое заземление, конечно, не гарантирует, что напряжение в двух различных точках земли будет одинаковым. Если существуют даже небольшая разность потенциалов между точками заземления, то по экрану будет протекать ток, вызывая взаимные помехи. Подобная система называетсяконтуром заземления. Таким образом, когда экранированный коаксиальный кабель используется для соединения источника сигнала и приемника, экран должен быть заземлен только на
одном конце (рис. 9.7,б).

Контур заземления может возникнуть также и внутри одиночной схемы. Если, например, два усилителя, расположенные рядом друг с другом, соединены последовательно, и каждый имеет свою точку заземления (рис. 9.7, в), то эти точки могут находиться под разным потенциалом. В этом случае выходное напряжение первого усилителя, будет отличаться от входного напряжения второго усилителя, вследствие чего появится шумовой ток. Такая же ситуация возникает даже в том случае, когда две точки заземления образуется одним и тем же проводником, который может представлять собой отдельный отрезок проводящей дорожки печатной платы. По существу имеется только один надежный способ обеспечения качественного заземления чувствительных элементов схем: создание одной точки заземления для всех частей схемы (рис. 9.7,г).

Еще один способ соединения источника сигнала и приемника, состоящий в использовании скрученной пары проводов, известен под названием равновесного соединения(рис. 9.8).

Взаимные помехи действует на каждый проводник этой скрученной пары, однако в силу скручивания проводов они в каждой точке направлены встречно друг к другу, а общий эффект от их действия равен нулю.

 

Защитные кольца

 

Емкостные и индуктивные перекрестные искажения, так же как и простые резистивные перекрестные искажения, могут возникнуть, если в схеме сопряжения используется усилитель с большим входным сопротивлением. Такой усилитель необходим для соединения измерительной системы и преобразователя с аналогичным выходным сопротивлением. Высокое входное сопротивление преобразователя говорит о том, что любая паразитная емкость C, индуктивность L или сопротивление утечки R_утеч на входе схемы будет приводить к появлению нежелательных сигналов в усилителе (рис. 9.9,а). Современные операционные усилители обычно склонны к этому. Их входные токи смещения всего лишь в несколько пикоампер вызывают значительные взаимные помехи. Одним из способов решения этой проблемы является использование защитного кольца (рис. 9.9,б). При этом высокоомный вход усилителя заключается в низкоомную защиту, находящуюся под тем же потенциалом, что и сам вход.

Обычно высокоомный усилитель выполняется в виде неинвертирующего усилителя(буфера). Поэтому его выходной сигнал в точности равен входному, а выходное сопротивление оказывается намного меньше входного. Защитное кольцо соединяется напрямую с выходом усилителя и формирует низкоомный вход сигнала от любого паразитного конденсатора, индуктивности или сопротивления утечки. В печатных платах защитное кольцо образуется путем создания больших секций медных дорожек, полностью окружающих усилитель, с единым жгутом проводников, обеспечивающих подачу напряжения питания в другие соединения.

Случайные шумы

 

Эти шумы, возникающие в самой системе, обусловлены физическими свойствами ее компонентов. Взаимные помехи всегда имеют особые виды или формы, а случайные шумы характеризуются непредсказуемостью, поэтому их трудно устранить. Однако еще на стадии проектирования системы удается обеспечить достаточно низкий уровень этих шумов.

Все шумы в системе принято характеризовать с помощью отношения полезного сигнала и нежелательных шумов, т.е. отношения сигнал/шум:

SNR =мощность сигнала/мощность шума (9.1)

Мощность этих двух сигналов вычисляется с учетом среднеквадратических значений напряжения сигнала и шума, деленных на выходное сопротивление схемы. Таким образом, отношение сигнал/шум

(9.2)

где черта над квадратом напряжения обозначает его среднее значение.

Поскольку отношение сигнал/шум есть отношение мощностей, оно в общем случае выражается в децибелах (дБ). Поэтому можно записать

(9.3)

Допустимое значение отношение сигнал/шум зависит от характеристик и назначение системы.

 

Коэффициент шума

Когда система состоит из множества отдельных частей (измеряемого преобразователя, соединительного кабеля, схемы сопряжения и т.д.) и каждая часть имеет свое собственное отношение сигнал/шум, то возникает задача о способе вычисления общего для системы отношения сигнал/шум. Это можно сделать, если охарактеризовать каждую составную часть системы коэффициентом шума, который называется показателем шума F. Он определяется

(9.4)

Поскольку F по аналогии с отношением сигнал/шум представляет собой отношение мощностей, то он в общем случае выражается в децибелах (дБ), т.е.

(9.5)

Когда отношение сигнал/шум на входе и выходе приводятся в децибелах, коэффициент шума (в децибелах) можно вычислить в виде

F=отношение сигнал/шум на входе – отношение сигнал/шум на выходе (9.6)

Например, схема с отношением сигнал/шум на входе 70 дБ и отношением сигнал/шум на выходе 65 дБ имеет коэффициент шума 5 дБ. Чем меньше коэффициент шума, тем лучше шумовые характеристики системы.

Когда известны коэффициенты шума каждой составной части в отдельности, можно вычислить общее для нее отношение сигнал/шум путем первоначального вычисления общего коэффициента шума. В системе изображенной на рис. 9.10, выходной сигнал преобразователя сначала усиливается, а затем отображается на приборе с подвижной катушкой или на простом индикаторе.

Пусть преобразователь имеет отношение сигнал/шум на выходе 60 дБ. Между ним и усилителем, и между усилителем и отображающим прибором имеются соединительные провода с коэффициентом усиления по мощности (P_G1 и P_G3) 0,25. Они являются резистивными и пассивными, поэтому не дают усиления, а только ослабляют сигнал. В таких частях системы коэффициенты шума (F₁ и F₃) обратно пропорциональны коэффициентам усиления, в частности, в соединительных проводах равнs 4. Отображающий прибор, как и провода, также является пассивным, его коэффициент усиления P_G4 =5, а следовательно, коэффициент шума F₄ =2. У усилителя коэффициент усиления по мощности P_G4 = 100. Это активная часть системы. Собственный коэффициент шума усилителя составляет, например, 4 (F₂ = 4). Тогда общий коэффициент шума

(9.7)

Подобные вычисления легко выполнить для любого числа составных частей системы. Необходимо только, чтобы для них были известны коэффициенты усиления по мощности и коэффициенты шума.

В нашем примере указанное соотношение дает следующее значение коэффициента шума:

(примерно 12 дБ) (9.8)

Общее отношение сигнал/шум вычисляется как разность между отношением сигнал/шум преобразователя и коэффициентом шума схемы сопряжения, т.е. 60 – 12 = 48 дБ. Это значение может быть удовлетворительным или неприемлемым в зависимости от типа системы.

На рис. 9.11 показано, как можно спроектировать систему, чтобы уменьшить воздействие шумов.

Здесь те же составные части, что и в ранее рассмотренной системе, однако между преобразователем и усилителем используется небольшой соединительный кабель – настолько короткий, что можно пренебречь потерями мощности в нем и собственным коэффициентом шума. Это соответствует случаю, когда преобразователь вместе с интегральной схемой сопряжения применяется для наблюдения за измеряемой величиной.

С помощью того же самого соотношения, что и для ранее рассмотренной системы, получаем новое значение и коэффициента шума:

(примерно 6 дБ) (9.9)

Таким образом, общее отношение сигнал/шум в этом случае улучшилось примерно на 6 дБ.

Полученный результат свидетельствует о том, как важно разместить преобразователь в непосредственной близости от первого каскада усиления в схеме сопряжения. Длинные соединительные провода вызывают шумы, дают низкое отношение сигнал/шум.

Приведенные примеры показывают, что коэффициента шума системы почти полностью зависит от коэффициента шума первого усилителя (поскольку коэффициенты шума других частей играют относительно малую роль в вычислениях общего коэффициента шума системы). Поэтому в первых каскадах схем сопряжения измерительных систем целесообразно использование малошумящих предварительных усилителей. Там, где это возможно, малошумящие предварительные усилители следует размещать вместе с преобразователями в одном корпусе.

В приведенных рассуждениях вводились некоторые упрощения при рассмотрении коэффициента шума. Действительное значение коэффициента шума зависит от большого числа факторов, например температуры, диапазона частот и выходного сопротивления предыдущего каскада.