Усилитель в датчиках

РАЗДЕЛ 5: Датчики с высоким импедансом

Сигнал, поступающий от тензодатчиков, может быть слабым, содержать шумы и погрешности. Чтобы передать показания на оцифровку, необходимо откорректировать его в соответствии с входными параметрами АЦП. С этой задачей справляется усилитель сигнала тензодатчика.

Оптоволоконные датчики | усилители

Оптоволоконный датчик представляет собой усилитель без линз, объединенный с оптоволоконным кабелем. Этот тип датчиков идеально подходит для областей применения, где требуется малое время отклика и возможности обнаружения небольших объектов. Гибкие оптоволоконные кабели обеспечивают простоту монтажа датчиков в любом месте. Оптоволоконные усилители и кабели Autonics имеют компактные размеры и обеспечивают точное обнаружение сложных объектов, малое время отклика и достаточную дальность действия.

Основные технические параметры усилителя тензодатчика(Аналогово-цифрового преобразователя)

При выборе нормирующего усилителя учитывают и другие параметры, кроме функционала и типа корпуса:

·         напряжение постоянного тока (чаще всего 5 или 10 В);

·         напряжение компенсации нуля;

·         коэффициент усиления и способ подстройки ОУ;

·         диапазон регулирования общего усиления;

·         выходные сигналы по току и напряжению;

·         параметры питания прибора;

·         степень пыле- и влагозащиты по стандарту IP;

·         сечение жил кабеля, тип разъемов;

·         рабочий температурный диапазон ОУ;

·         размеры корпуса;

·         возможность подключения более одного тензодатчика;

·         максимальное расстояние от датчика до усилителя;

·         наличие кожуха для взрывозащитного исполнения.

Чтобы выбрать совместимый нормирующий усилитель для вашей схемы, обращайтесь к специалистам в Москве. Они подберут ОУ с оптимальным балансом стоимости, долговечности и функционала.

Время на прочтение

Мы переходим к завершающей части обзорного цикла датчиков, в которой рассмотрим датчики постоянного и переменного тока и напряжения. По всем остальным датчикам, которые не попали в основную серию мы сделаем дополнительные обзоры когда они вдруг понадобятся в будущих статьях.
Данная статья открывает новый цикл материалов про измерение параметров качества электроэнергии, куда войдут вопросы подключения датчиков тока и напряжения к микроконтроллеру, рассмотрение алгоритмов работы анализаторов качества электроэнергии, смысл тех или иных показателей качества электроэнергии и что они обозначают. Кроме того, мы затронем волнующую многих тему точности оцифровки и обработки данных, упомянутую в комментариях к первой статье.

Часть 1. Мат. часть. В ней рассматривается датчик, не привязанный к какому-то конкретному измеряемому параметру. Рассматриваются статические и динамические характеристики датчика.
Часть 2. Датчики климат-контроля. В ней рассматриваются особенности работы с датчиками температуры, влажности, давления и газового состава
Часть 3. Датчики электрических величин. В этой части я рассмотрю датчики тока и напряжения

ВНИМАНИЕ: Не вставляйте спицы в розеткуНе лезьте в сеть 220В без необходимых на то навыков!

Датчики напряжения

Первым делом произведем измерение напряжения. Все нижесказанное относится к напряжениям не менее напряжения питания АЦП нашего контроллера. Таким образом, нам необходимо измерить напряжение с амплитудой большей, чем АЦП способен прожевать. Следовательно, уровень напряжения необходимо понизить — т.е. произвести ослабление сигнала.
Для малых напряжений (например как термоЭДС термопары из прошлой статьи) нужна обратная задача — усиление сигнала. Это более сложная задача и мы обязательно к ней вернемся в следующих статьях.
Поставим условие для расчета наших датчиков:
Измеряемое напряжение: переменное, 0-1000В, частота 50/60Гц. Для трехфазного напряжения в 380В амплитудное составляет почти 600В, а ведь есть сети и на 660В. Так что пусть будет. На самом деле этот расчет я взял из своей железки и переделывать его мне лень.
Выходное напряжение ± 1,65В — половина от питающего +3,3В

Делитель напряжения

Самым простым способом будет делитель напряжения.

Рисунок 4: Делитель напряжения
Напряжение на нашем измерительном приборе будет определяться как входное напряжение, умноженное на коэффициент делителя:

(6)
При выборе сопротивления резисторов необходимо определиться со следующими требованиями:
1. Ток через цепь резисторов должен быть на 1-2 порядка больше, чем ток нашего измерительного прибора для того, чтобы этот ток не влиял на показания. Измеритель имеет конечное значение сопротивления и получается, что к резистору R2 подключен еще один резистор. Чем внутреннее сопротивление больше, чем ближе общее сопротивление к сопротивлению R2. Сопротивление внутренних цепей АЦП ATmega, к примеру, 100 МОм.
2. Мощность, выделяемая на нашем делителе не должна быть слишком большой
3. Приложенное входное напряжение должно быть меньше напряжения пробоя резистора.
Пусть ток через наш делатель составит 1мА. Тогда, общее сопротивление резисторов будет равно:

(7)
Определим требуемый коэффициент передачи нашего делителя:

(8)
По ряду номиналов резисторов E24 выберем ближайшее значение, дающее около 1МОм:
R1 = 990 кОм (три резистора по 330 кОм)
тогда резистор R2 = K·R1 = 1,63 кОм
Из ряда Е24 выбираем второй резистор R2 = 1,6 кОм
Проверим коэффициент:

(9)
Погрешность с ранее расчетным 2,3%, что нас вполне устроит. Вообще-то можно точно подобрать резисторы из ряда Е192, но в моем случае это не обязательно — напряжение в 1000В на входе — это нештатный режим, да и калиброваться система все равно будет потом.
Выглядеть измерительная цепь будет следующим образом:

Рисунок 5: Цепь измерителя напряжения
При разработке делителя напряжения на большие рабочие напряжения необходимо учитывать предельно допустимые напряжения для используемых резисторов.
Например номинальное рабочее напряжение для SMD резисторов — 15 В (0201); 50 В (0402, 0603); 150 В (0805); 200 В (1206, 2010, 2512),
А предельно-допустимое — 50 В (0201); 100 В (0402, 0603); 200 В (0805); 400 В (1206, 2010, 2512).
Именно поэтому я использую три последовательно-соединенных резистора типоразмера 1206 — они укладываются в 555 вольт рабочего и 1000В предельно-допустимого.
Разумеется, все эти резисторы должны быть высокоточными, так как от их сопротивления и термостабильности этого сопротивления зависит точность измерения.
На базе цепочки R4-C1 собран фильтр низких частот, чтобы никакие помехи нам не были страшны. Можем кстати быстренько посмотреть что делает этот фильтр:

Рисунок 6: Частотная характеристика фильтра
Как видно из графика ЛАЧХ, для рабочего диапазона частот от 0 до 2000Гц фильтр практически не портит амплитуду и фазу сигнала. А вот помехи на частотах порядка 100кГц и выше, исходящие от ВЧ преобразователей, надежно давятся. Так что все супер.Достоинства:

Трансформатор напряжения

Рисунок 7: Трансформатор напряжения
Для случаев, когда нужно измерить очень высокие напряжения, 6/10кВ и выше, используется трансформатор напряжения Фактически, он представляет собой обычный трансформатор, основным режимом работы которого является режим холостого хода.
Класс точности такого трансформатора зависит от рабочего участка характеристики намагничивания. Ведь нам надо пропустить через него не просто сигнал с определенной амплитудой, но и не испортить ее форму. Здесь как раз проблема — большинство трансформаторов напряжения практически не пропускает гармоники. Все дело в металлическом сердечнике и потерях на перемагничивание. При этом, чем тоньше пластины сердечника. тем лучше его частотные характеристики.
Обычный класс точности трансформатора — 0,5, 1, 3Достоинства:

Последний недостаток слегка надуман, так как если надо, можно воспользоваться измерительным трансформатором постоянного тока. Да, трансформаторы постоянного тока «существуют», но правильное название устройства — магнитный усилитель. Точность и линейность таких приборов оставляет желать лучшего — работа происходит на участке насыщения сердечника подмагничиванием.
Выглядит это вот так:

Рисунок 8: Измерение постоянного тока с помощью магнитного усилителя
Почитать об этом чуде техники можно здесь: analogiu.ru/6/6-2-2.html
Если тема будет интересна, то запилю обзор этих старинных регуляторов.

Электронный изолированный датчик

Недостатков и той и другой схемы лишен электронный изолированный датчик. Фактически, он представляет собой завершенное устройство. Внутри которого имеется и делитель напряжения, и операционные усилители, и блок гальванической развязки и схема изолированного питания всего этого безобразия:

Рисунок 9: Структурная схема электронного изолированного датчика
Мне попадались на глаза только промышленные датчики с выходом по напряжению 0-10В или по току 0-10мА. В отличие от предыдущих датчиков выдает однополярный сигнал. В принципе, такую схему можно разработать и самостоятельно, применив, к примеру. изолированный аналоговый усилитель вроде HCPL-7850. Главный недостаток схемы — очень сложно и очень дорого.
И как верно отмечает в комментариях тов. progchip666

Передать аналоговый сигнал с точностью даже один процент по гальваноразвязанному интерфейсу крайне трудно, поэтому часто в этом случае приходится перегонять его в цифру и в таком виде уже перегонять.
К сожалению на усилитель, изображённый на схеме надо ещё и питание подать. Разумеется от гальваноразвязанного источника.

Дополнительные ссылки

датчики тока и напряжения ABB www.power-e.ru/2006_03_56.php
датчики тока и напряжения LEM www.sensorica.ru/pdf/LEM.pdf
Измерители электроэнергиии STMP32 www.compel.ru/lib/ne/2015/4/2-dlya-odnofaznyih-i-mnogofaznyih-schetchikov-novyie-izmeritelnyie-mikroshemyi-ot-st
ru.wikipedia.org/wiki/Электрическое_напряжение

Датчики тока

Измерительный трансформатор тока представляет собой трансформатор, первичная обмотка которого подключается к источнику тока, а вторичная замыкается на измерительные приборы или устройства защитной автоматики.
Трансформаторы тока используются для измерения токов в сильноточных цепях, зачастую я высоким потенциалом. Например, нам захотелось измерить ток в сети 10кВ. Либо, мы хотим получить простой и относительно дешевый способ гальванической развязки измеряемой цепи тока нашего устройства на 220В. Основная проблема трансформаторов тока заключается в том, что они умеют измерять только переменное напряжение.
Трансформатор тока всегда нагружается. Если вторичная обмотка трансформатора тока окажется разомкнутой, то на ней возникнет потенциал в пару тысяч киловольт, который покалечит персонал и выведет из строя прибор, пробив его изоляцию.
Трансформаторы бывают со встроенной первичной обмоткой. Например такие:

Рисунок 14: Трансформатор тока серии CS2106L от Coilcraft
Либо вот такие слоники, имеющие подобие первичной обмотки в виде огромной шины, либо вовсе окно для пропускания через него провода

Рисунок 15: Промышленный трансформатор тока на много ампер
Основной недостаток трансформатора тока — это работа только на определенной частоте 50, 60 или 400Гц из-за металлического сердечника. Разумеется, трансформатор тока способен передать сигнал и большей частоты, однако с гораздо меньшей точностью. При этом, следует обратить внимание на толщину листа используемого сердечника — чем тоньше железо в трансформаторе тока, тем выше предельно допустимая рабочая частота. Кстати существуют трансформаторы тока из феррита, которые используются для измерения систем с частотой 50-60 и более кГц. Например серия CS1 от Coilcraft рассчитана для работы в диапазоне 20-50кГц и может найти применение в импульсных источниках питания.
А вот если мы его удалим, то получим воздушный трансформатор, или, т. н. Катушку Роговского:

Рисунок 16: Схема подключения катушки Роговского
В отличие от остальных датчиков, требующих взаимодействия с измеряемой цепью, катушку Роговского можно установить поверх проводов измеряемой цепи как поясок.
Некоторые измерительные приборы комплектуются такими датчиками:

Рисунок 17: Датчик катушка Роговского
Диапазон измеряемых токов — от десятков до тысяч ампер, но они страдают от невысокой точности.Достоинства:

Датчики тока на эффекте Холла

Датчики этого типа используют эффект возникновения разности потенциалов при помещении проводника с током в магнитное поле.

Рисунок 18: Эффект Холла
При создании датчика мы берем магнитопровод, пропускаем через него провод измеряемой цепи и в разрез магнитопровода помещаем датчик Холла, получая датчик тока открытого типа:

Рисунок 19: Датчик тока на эффекте Холла открытого типа
Достоинством такого датчика является простота. Недостатком — наличие подмагничивания сердечника, следовательно, повышение нелинейности показаний.
Добавим на сердечник обмотку и пустим по ней ток, пропорциональный измеряемому току:

Рисунок 20: Датчик тока на эффекте Холла компенсационного типа
С нулевым подмагничиванием сердечника мы повышаем линейность датчика и его класс точности. Однако по своей конструкции такой датчик приближается к трансформаторам тока, соответственно его стоимость повышается в разы.
Как и трансформаторы, бывают разновидности датчиков, позволяющие пропустить через себя силовой провод:

Рисунок 22: Датчик тока на эффекте Холла
Существуют датчики с разделяемым сердечником — однако их стоимость просто зашкаливает.
Датчики с интегрированной силовой цепью на базе эффекта Холла с гальванической развязкой 2,1кВ и 3кВ выпускаются компанией Allegro. Ввиду своих малых размеров они не обеспечивают высокой точности, но зато компактны и просты в использовании.

Рисунок 23: датчик тока Allegro ACS754

Рисунок 24: Зависимость выходного напряжения датчика от токаДостоинства:

Измерительные трансформаторы постоянного тока analogiu.ru/6/6-2-2.html
Катушки Роговского www.russianelectronics.ru/leader-r/review/2193/doc/54046
Эффект Холла в википедии: ru.wikipedia.org/wiki/Эффект_Холла
Датчики Холла robocraft.ru/blog/electronics/594.html
Данилов А. Современные промышленные датчики тока www.soel.ru/cms/f/?/311512.pdf
Проектирование схем на базе аналогового усилителя HCPL-7851 www.kit-e.ru/assets/files/pdf/2010_04_26.pdf

Заключение

Я поставил перед собой задачу сделать обзорный материал по датчикам, наиболее часто используемым сообществом при разработке различных устройств. Большинство датчиков не вошли в цикл лишь по той причине, что в ближайшем будущем для моих материалов они не понадобятся, но некоторые из них в планах. Обязательно сделаю отдельный материал с датчиками ускорения, угловых скоростей, компасом и примерами, так что следите за новыми статьями!

Функционал усилителя (АЦП) сигнала тензодатчика

Базовые модели усилителей повышают уровень сигнала тензодатчика в десятки и сотни раз. Такие устройства имеют простую схему, обеспечивают эффективную передачу данных даже на существенное расстояние, если контрольное оборудование расположено далеко от грузоприемного устройства.

Продвинутые нормирующие усилители для тензодатчиков обладают более широким функционалом:

·         калибруют сигнал, позволяют выставить нулевую отметку;

·         выполняют индикацию измерений с помощью дисплея;

·         хранят историю действий, пиковые значения сигнала и другую информацию;

·         преобразуют цифровой сигнал в аналоговый и наоборот;

·         упрощают поиск неисправностей, имеют систему самодиагностики

·         суммируют сигналы разных уровней и т.д.

Документация

Заказать консультацию инженера

Статьи

Как в вашем магазине организованы процессы доставки и оплаты?

Схема низкошумящего зарядового усилителя

На Рисунке 5.30 показаны два способа преобразования выходного заряда с датчика заряда. Оба способа требуют применения операционного усилителя с очень высоким входным импедансом, такого как AD745. AD745 обладает также низким напряжением шума и низким шумовым током. Такая комбинация параметров делает данное устройство годным к применению в приложениях, требующих очень высокой зарядовой чувствительности, как, например, емкостные акселерометры и гидрофоны.

Рис.5.30. Компенсация импеданса источника сигналов уменьшает влияние входных токов и входной шум.

Левая цепь на Рис.5.30 использует операционный усилитель в инверсном включении. Усиление зависит от принципа преобразования заряда на инверсном входе операционного усилителя. Заряд с емкости датчика переносится на конденсатор обратной связи , давая, таким образом, напряжение на выходе равное ∆/. Входное напряжение шума усилителя появится на выходе с коэффициентом шумового усиления схемы по переменному току, 1 + /.

Другая, правая схема, на Рис.5.30 является просто повторителем напряжения высокого импеданса с усилением. Здесь шумовое усиление равно сигнальному и равно (1 + /). Резистор в обеих схемах требуется для обеспечения цепи для протекания входного тока.

Для улучшения работы по постоянному току в диапазоне температур необходимо сбалансировать (уравнять) сопротивления на обоих входах операционного усилителя. Это выполняется с помощью резистора , как показано на Рис.5.30. Для улучшения работы по шумам, емкости по входам операционного усилителя также должны быть уравнены с помощью конденсатора . Вообще говоря, для прецизионных малошумящих BiFET ОУ, как AD743/AD745, хорошей практикой является уравнивание импеданса (активного и реактивного) по обоим входам. Балансировка резистивных компонент улучшает работу по постоянному току в диапазоне температур, поскольку она уменьшает ошибки от действия входных токов. Балансировка входных емкостей минимизирует ошибки отклика операционного усилителя по переменному току. В операционном усилителе с FET входами токовый шум внутренней цепи смещения попадает на входы через емкости затвор-исток (20 пФ для AD743/745) и действует как дополнительный источник шумового напряжения. Данная компонента шума коррелированна по входам, и согласование импедансов по входам компенсирует ее действие. На Рис.5.30 показаны внешние компоненты нужных номиналов для инверсного и прямого включения операционного усилителя. Для величин более 300 пФ точная балансировка не требуется и может быть просто майларовой емкостью 0.01 мкФ или более.

Усилитель пьезоэлектрического преобразователя с усилением 40дБ для понижения входного тока работает с пониженным напряжением питания

На Рис.5.31 показан усилитель пьезоэлектрического преобразователя, включенный в режиме передачи напряжения. Уменьшение питания до ±5В уменьшает эффект действия входного тока двояко: во первых, путем понижения рассеиваемой мощности, во вторых, путем уменьшения тока утечки затвор-переход. Установка внешнего теплоотвода (радиатора), как Aavid #5801 еще более ограничивает рост температуры внутри перехода.

Без разделительного конденсатора усилитель будет работать в диапазоне температур 0 .. +85°С. При использовании (работа по переменному току) схема будет работоспособной в диапазоне температур –55°С .. +125°С, однако, информация по постоянному току будет утеряна.

Рис.5.31. Усилитель пьезоэлектрического датчика с усилением 100.

Шумопеленгаторы

Существуют значительные проблемы конструирования при согласовании с «внешним миром» сигналов преобразователей значительной емкости, таких как гидрофоны, некоторые типы акселерометров и конденсаторные микрофоны. Раньше разработчики должны были использовать дорогостоящие гибридные усилители, состоящие из дискретных низкошумящих входных полевых транзисторов со стандартными ОУ после них. Это позволяло получить низкий уровень шумового напряжения и шумового тока, требуемый данными приложениями. Сейчас, используя AD743 и AD745, разработчики могут добиться почти тех же результатов в интегральном исполнении.

В гидроаккустических станциях в качестве активного элемента гидрофона обычно используется пьезо-керамический цилиндр. Типовой цилиндр имеет номинальную емкость порядка 6000 пФ и последовательно с ней резистор около 10Ω. Выходной импеданс обычно составляет 100 МΩ.

Поскольку полезные сигналы гидрофона являются сигналами переменного тока весьма широкого динамического диапазона, шумы представляют постоянную заботу для разработчика. Минимальный уровень шумов собственно гидрофона и его предусилителя определяют чувствительность системы, а, стало быть, и его применимость. Полоса типового гидрофона лежит в области 1 КГц .. 10 КГц. Операционные усилители AD743 и AD745 с низкой спектральной плотностью шума, 2.9 нВ/√Гц, и высоким входным импедансом, 10 ГОм, являются идеальными устройствами для использования в качестве усилителей сигналов с гидрофонов.

Операционные усилители AD743 и AD745 – усилители-близнецы, отличающиеся только лишь уровнем внутренней коррекции. Операционный усилитель AD743 имеет внутреннюю коррекцию для стабильной работы с замкнутыми коэффициентами вплоть до единицы. Операционный усилитель AD745 имеет стабильное шумовое усиление 5 или выше, и его полоса и скорость нарастания существенно выше. Операционные усилители AD743 и AD745 обладают весьма низким нелинейных искажений: менее 0.0003% и 0.0002%, соответственно.

Работа операционных усилителей: JFET и биполярные устройства

Операционные усилители AD743 и AD745 являются первыми монолитными JFET устройствами, дающими величину шумового напряжения сравнимого с величиной параметра биполярных операционных усилителей при практическом отсутствие входных токов, в масштабах присущих биполярным устройствам. На Рис.5.32 показаны зависимости входного напряжения шума от сопротивления источника сигналов для операционного усилителя с компенсацией входного тока ОР27 и JFET операционного усилителя AD745. Отметим, что уровни шума операционных усилителей AD743 и AD745 идентичны.

Очевидно, что при высоких импедансах источника низкий шумовой ток операционного усилителя AD745 обеспечивает более низкий полный шум, нежели прецизионный биполярный операционный усилитель. Важно отметить, что в случае операционного усилителя AD745, уменьшение шума простирается к низким импедансам источника. При высоких импедансах источника AD745 дает меньшую ошибку смешения и дрейфа напряжения смещения, как показано на Рис.5.32, что обусловлено малой величиной входного тока.

ШУМ ВХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ нВ/√Гц

100 1К 10К 100К 1М 10М СОПРОТИВЛЕНИЕ ИСТОЧНИКА, Ω

ВХОДНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ СМЕЩЕНИЯ мВ

Рис.5.32. Влияние сопротивления источника на шумы и напряжение смещения для ОР27 (биполярного) и AD745 (BiFET) ОУ

Высокоимпедансные датчики с зарядом на выходе

Некоторые высокоимпедансные преобразователи, такие как пьезоэлектрические датчики, гидрофоны (шумопеленгаторы) и некоторые типы акселерометров, требуют использования усилителя, который может преобразовать входной заряд в изменение напряжения на выходе. Поскольку данные устройства имеют высокий выходной импеданс по постоянному току, требуются соответствующие буферные элементы. Основная схема зарядочувствительного усилителя показана на Рис.5.29. Существует два типа преобразователей зарядового типа: емкостные преобразователи и преобразователи, генерирующие заряд (зарядовые преобразователи). В емкостных преобразователях напряжение на конденсаторе () поддерживается постоянным. Изменение емкости , порождает изменение заряда, ∆= ∆∙. Данный заряд преобразуется в выходное напряжение операционного усилителя, ∆= – ∆/= – ∆∙/.

Рис.5.29. Зарядочувствительный усилитель для емкостного датчика.

Зарядовые преобразователи генерируют заряд на выходе, ∆, а их емкость остается постоянной. Этот заряд в нормальных условиях (при разомкнутой внешней цепи) создал бы на выходе напряжение равное ∆/.

В практическом приложении зарядовый усилитель реагирует только на входные сигналы переменного тока. Верхняя частота среза равна = 1/2π∙∙, а нижняя – = 1/2π∙∙.

Тип корпуса

При покупке усилителя для тензометрических датчиков учитывают тип корпуса способ установки прибора. Модели условно классифицируют на три типа: полевые, щитовые и кабельные. Устройства в корпусе полевого исполнения устанавливаются в производственных помещениях, на весоизмерительных станциях. Они рассчитаны на суровые условия эксплуатации, защищены от пыли, грязи, вибраций и других негативных факторов.

Щитовые нормирующие усилители для тензометрических датчиков устанавливают в коммутационные шкафы. Такие устройства имеют среднюю или слабую защиту от пыли и влаги, компактную конструкцию. Некоторые модели монтируются на стандартизированные DIN рейки.

Кабельные усилители применяют в тех случаях, когда важно использовать минимальное количество дополнительных внешних устройств. Изделия такого типа устанавливаются в непосредственной близости от датчика, имеют компактную схему, легко устанавливаются, чаще всего обладают только базовыми функциями.