Linearyzacja oraz filtrowanie

Operacje na sygnale

Sygnał z czujnika zwykle wymaga pewnego przygotowania, zanim zostanie doprowadzony do przetwornika analogowo-cyfrowego. Podstawowe operacje, jakie są najczęściej realizowane, to jego: wzmocnienie, tłumienie oraz filtrowanie. Ponadto charakterystykę przetwarzania sensora linearyzuje się.

Wzmocnienie sygnału z czujnika jest wymagane, aby można było w pełni wykorzystać zakres wejściowy przetwornika A/C w przypadku, gdy sygnał pomiarowy ma bardzo małą wartość. Dzięki temu zwiększa się rozdzielczość i czułość pomiaru.

Z kolei tłumienie jest konieczne, gdy sygnał pomiarowy wykracza poza zakres przetwarzania przetwornika A/C. Filtrowanie jest wymagane, aby usunąć z sygnału wejściowego przetwornika zakłócenia. Przenikają one do niego na przykład przez przewody, którymi połączone jest wyjście czujnika i przetwornik. Źródłem zaburzeń mogą być m.in. maszyny i przewody zasilające.

Ostatnie działanie dotyczące charakterystyki przetwarzania jest niezbędne wtedy, gdy zależność pomiędzy sygnałem wyjściowym czujnika a mierzoną wielkością fizyczną nie jest liniowa. Sensorami, które wymagają przeprowadzenia powyższych operacji, są m.in. te, które mierzą temperaturę oraz tensometry.

Jeżeli przetwornika nie zainstalujemy prawidłowo, wiarygodność wyników pomiarów będzie niska. Aby tego uniknąć, w tym zakresie warto przestrzegać pewnych zasad. W dużym stopniu zależą one od specyfiki mierzonej wielkości. Wybrane reguły przedstawimy na przykładzie przetwornika ciśnienia zintegrowanego z sensorem tej wielkości.

Jaką funkcję pełni membrana?
W urządzeniu tego typu możemy wyróżnić moduł pomiarowy i część przetwarzania sygnału. Ten pierwszy może być zrealizowany w technice pojemnościowej. Składa się wówczas z komory, która jest wypełniona cieczą, na przykład olejem silikonowym, umieszczonej między membranami, wykonanymi na przykład ze stali nierdzewnej. Pod wpływem ciśnienia wywieranego przez mierzone medium membrana ulega odkształceniu, ściskając olej.

Ciecz w podobny sposób oddziałuje na kolejną membranę, która stanowi elektrodę kondensatora. Zmiana odległości pomiędzy jego okładkami powoduje zmianę pojemności kondensatora. Kolejnym blokiem jest przetwornik A/C, który przetwarza tę wielkość na sygnał cyfrowy.

Częścią modułu pomiarowego jest też sensor temperatury. Zmierzona przez niego wartość wraz z informacją o pojemności są przetwarzane w mikroprocesorze. Stąd trafiają do przetwornika C/A. Sygnałem wyjściowym może być na przykład pętla prądowa 4...20 mA.

Za co odpowiada rurka impulsowa?
Przetwornik do mierzonego procesu podłącza się za pośrednictwem rurki impulsowej. Jej zadaniem jest przeniesienie ciśnienia mierzonego medium na membranę czujnika. Dokładność pomiaru tej wielkości w ogromnym stopniu zależy od poprawnej instalacji rurki impulsowej.

Wiele czynników ma wpływ na to, jak dokładnie za jej pośrednictwem jest przekazywane ciśnienie. Wśród tych, które zwiększają błąd, wymienić można: wycieki, straty na tarcie, występowanie w rurce pęcherzy powietrza w przypadku pomiarów ciśnienia cieczy oraz skropleń w przypadku pomiarów ciśnienia gazów.

Najlepiej, żeby rurka impulsowa była możliwie jak najkrótsza. Jej optymalne ustawienie względem rurociągu zależy od specyfiki transportowanego nim medium.

Jak podłączyć rurkę impulsową, a jak przetwornik?
W przypadku cieczy powinna być ona nachylona w górę, w kierunku od przetwornika do przyłącza procesowego. W przypadku gazów powinna być skierowana w dół, od przetwornika do przyłącza procesowego. Nachylenie w obu konfiguracjach powinno wynosić co najmniej kilka cm / m.

Aby uniknąć tarcia i zatkania, rurka powinna być odpowiednio duża. Trzeba również zapobiegać gromadzeniu się w niej zanieczyszczeń oraz odprowadzać zbierające się w niej gazy. Obie odnogi rurki impulsowej powinny być utrzymywane w takiej samej temperaturze.

Jeśli natomiast chodzi o przetwornik pomiarowy, to instalując go, musimy pamiętać o prawidłowym uziemieniu jego obudowy. Kabel sygnałowy przetwornika powinien być prowadzony oddzielnie od kabla go zasilającego. Nie wolno go też kłaść w pobliżu innych źródeł zaburzeń elektromagnetycznych.

Oprócz tego trzeba zadbać o to, żeby ekran kabla nie miał kontaktu z obudową przetwornika. Jeżeli kabel przechodzi przez obudowę połączeniową, jego ekran trzeba połączyć z kolejnym ekranem. Od strony zasilacza ekran kabla przetwornika powinien być podłączony do uziemiania.

Czym są zimne złącza?

Rys. 2. Zimne złącza to połączenia, które tworzą druty termopary z przewodami albo zaciskami wejść przetwornika

Sygnał wyjściowy czujników do pomiaru temperatury, czyli termopar, termistorów i sensorów rezystancyjnych ma typowo wartość na poziomie miliwoltów. Jeśli więc na przykład napięcie wyjściowe termopary mieści się w zakresie ±80 mV, a do jego obróbki zostanie użyty 16-bitowy przetwornik A/C o zakresie wejściowym ±10V, zakres ten będzie wykorzystywany tylko w 0,8%. Dlatego konieczne jest wzmocnienie tego sygnału.

W przypadku tych czujników należy też wyzerować napięcie offsetu, które jest skutkiem wpływu otoczenia. Termopary wymagają ponadto operacji tzw. kompensacji zimnych złączy.

Potrzebę tę wyjaśniono na rysunku 2. Zimne złącza to połączenia, które tworzą druty termopary z przewodami albo zaciskami wejściowymi przetwornika pomiarowego. Tam również generowane jest napięcie, które sumuje się z tym właściwym. W rezultacie nie jest mierzona tylko temperatura w punkcie AB, ale jej suma z temperaturami w punktach AC i BC. Wynik pomiaru jest więc przez to zafałszowany.

Na czym polega cjc?

Aby uzyskać rzeczywistą wartość, od wyniku pomiaru powinno się odjąć znaną temperaturę w punktach AC oraz BC. Ta ingerencja w wynik pomiaru jest nazywana kompensacją zimnych złączy (Cold Junctions Compenation, CJC). Implementuje się ją w przetwornikach pomiarowych sprzętowo i programowo.

W tym celu wyposaża się je w czujnik temperatury na wejściu pomiarowym. Na podstawie jego wskazań oprogramowanie wprowadza odpowiednią poprawkę w ostatecznym wyniku.

Warto przy tym zauważyć, że chcąc zminimalizować jeden błąd pomiarowy, którego źródłem są zimne złącza, generujemy kolejny błąd. Jego powodem jest korekcja CJC oraz sposób jej realizacji. Ważnym składnikiem tego błędu jest m.in. dokładność, która charakteryzuje sensory, które mierzą temperaturę zimnych złączy.

Dodatkowe komponenty

Dlatego, aby błąd pomiaru temperatury zimnych złączy zminimalizować, używa się zazwyczaj czujników rezystancyjnych oraz termistorów o dużej precyzji. Istotne jest również to, żeby umieścić je możliwie jak najbliżej miejsca, w których powstaje niepożądane złącze.

Wzmacniacze, filtry i inne czujniki nie są jedynymi dodatkowymi komponentami, w które wyposaża się przetworniki pomiarowe. Na przykład te przetwarzające sygnały pomiarowe z tensometrów wymagają rezystorów do skompletowania mostka pomiarowego.

W zależności od tego, jak skonfigurowany jest czujnik, czyli ile gałęzi mostka Wheatstona jest w nim dostępnych, mostek pomiarowy trzeba uzupełnić o jeden lub dwa rezystory. Podobnie jak w przypadku sensorów temperatury ze względu na małą wartość, zazwyczaj poniżej 100 mV, także sygnał wyjściowy tensometrów trzeba wzmocnić.

Tensometry wymagają oprócz tego źródła napięcia wzbudzenia. W przypadku czujników rezystancyjnych oraz termistorów potrzebne jest natomiast źródło prądu wzbudzenia. Stałość i precyzja tych źródeł mają kluczowe znaczenie dla dokładności pomiaru.

Nieliniowość charakterystyki

Czujniki rezystancyjne oraz termopary mają nieliniowe charakterystyki przetwarzania. W przypadku tych pierwszych taki przebieg ma zależność zmian rezystancji pod wpływem zmian temperatury. Natomiast w termoparach wraz ze zmianą temperatury nieliniowo zmienia się ich napięcie.

Większa liniowość charakteryzuje czujniki rezystancyjne. Wyjątkiem są sensory rezystancyjne z niklu. Ich charakterystyka przetwarzania wykazuje silną nieliniowość w temperaturze już powyżej 300°C, m.in. dlatego, wraz ze spadkiem cen czujników platynowych, te niklowe są używane coraz rzadziej.

W przypadku termopar natomiast różne rodzaje sensorów pod tym względem znacznie się różnią. Niektóre charakteryzuje duża nieliniowość w szerokim zakresie temperatur. Względnie liniową charakterystykę mają z kolei m.in. termopary typu K i typu T. Natomiast w przypadku termopar typu J proporcjonalna zależność występuje tylko w zakresie temperatur od 149 do 427°C.

Linearyzacja oraz filtrowanie

W związku z powyższym ani w przypadku termopar, ani czujników rezystancyjnych, temperatury nie można wyznaczyć wprost przez przemnożenie wyniku pomiaru przez współczynnik skalujący. Zignorowanie w ten sposób nieliniowości ich charakterystyk przetwarzania spowodowałoby zafałszowanie wskazań.

Dlatego w przetworniku pomiarowym wykonywana jest linearyzacja. Polega ona na zniwelowaniu różnic między charakterystyką rzeczywistą a idealnie liniowym przebiegiem.

Jednym z rozwiązań implementowanych w oprogramowaniu mikroprocesorów przetworników pomiarowych jest również filtrowanie wyników pomiarów, które znacząco odbiegają od tych wcześniejszych. Takie odczyty są bowiem przeważnie skutkiem różnych niekorzystnych, lecz przejściowych sytuacji.

Przykładem są silne zaburzenia albo nadmierne wibracje. Aby błędne, jednak tylko chwilowe, wyniki nie wywołały w systemie nadrzędnym nieuzasadnionego alarmu o przekroczeniu wartości progowej, przetwornik, kiedy tylko takowe wykryje, pomija niewiarygodny odczyt i kontynuuje transmisję, powtarzając ostatnią uznaną za prawidłową wartość wielkości mierzonej.