Podstawowe zasady stosowania przetworników i separatorów
Nawet najlepszym z nas zdarza się czasem zapomnieć o podstawach. Niektórzy dopiero zaczynają pracę i nie zawsze mieli okazję te podstawy poznać. Niektóre okruchy wiedzy można zdobyć tylko w praktyce, a inne znają tylko producenci. Tak czy inaczej, doszliśmy do wniosku, że nie od rzeczy byłoby zebrać w jednym miejscu niezbędne praktyczne wiadomości na temat stosowania separatorów sygnału i przetworników. Stronę tę będziemy sukcesywnie uzupełniać.
Jeśli ktoś nie ma ochoty czytać całego tekstu, może przeskoczyć do interesującego go hasła klikając na jedno z zestawionych poniżej.
| klasa dokładności |
| linie sygnałowe |
| czujniki temperatury |
Klasa dokładności przetworników jest tylko jednym z elementów składowych końcowego
błędu toru pomiarowego. Pierwszym źródłem błędu jest oczywiście czujnik, lub inne źródło
sygnału, ale nas interesują głównie separatory i przetworniki. Klasa dokładności zwykle
określa jedynie maksymalny błąd wprowadzany przez przetwornik pracujący w warunkach
idealnych, to znaczy w temperaturze pokojowej (ok. 25°C), przy określonym napięciu
zasilania i rezystancji obciążenia, idealnym odprowadzaniu ciepła, w otoczeniu o małej wilgotności
i przy braku zewnętrznych pól magnetycznych i zakłóceń elektromagnetycznych. Zakłada się
również, że ewentualny czujnik jest idealny (ma to znaczenie na przykład przy linearyzacji
charakterystyki czujnika). Przy określaniu sumarycznego błędu należy wziąć pod uwagę
wszystkie czynniki odbiegające od warunków idealnych. W najgorszym przypadku błąd całkowity może być sumą wartości absolutnych wszystkich błędów cząstkowych. Jeśli więc do wyboru są dwa przetworniki o podobnej podstawowej klasie dokładności, ten o mniejszych błędach dodatkowych, np. nieczuły na rezystancję obciążenia czy napięcie zasilania (naturalnie w granicach podanych przez producenta) może być znacząco dokładniejszy w rzeczywistych warunkach pracy.
Dodatkowy błąd wprowadzany przez temperaturę pracy różną od temperatury pokojowej jest określany współczynnikiem, np. współczynnik 0.01%/°C (100ppm/°C) oznacza dodatkowy błąd 0.1% na każde 10°C różnicy między temperaturą otoczenia a temperaturą podaną przez producenta. Należy przy tym pamiętać, że przetwornik sam się podgrzewa. (Im mniejszą moc pobiera z zasilania, tym efekt ten jest mniejszy.) Zawsze lepiej jest używać przetworników o szerszym zakresie napięć zasilania i minimalnej czułości na to napięcie lub zawartość składowej zmiennej. Przetworniki takie są zwykle bardziej odporne również na zakłócenia przedostające się do linii zasilających.
Przy trójprzewodowym pomiarze rezystancji czujnika błędem dodatkowym będzie błąd kompensacji przewodów doprowadzających, zależny od ich rezystancji.
W przypadku czujników termoelektrycznych, do błędu podstawowego należy dodać niedokładność wewnętrznej kompensacji spoiny odniesienia.
Mając do czynienia z przetwornikami temperaturowymi należy zwrócić uwagę na nieco
zawiły sposób podawania klasy dokładności przez niektórych producentów. Klasa
podawana dla przetwornika współpracującego z termoelementem może mieć postać np. ±
0.1% ± 5µV. Ostatni składnik może, dla danego typu termoelementu i zakresu
temperatur, dać wartość przekraczającą błąd podstawowy. W przypadku przetworników
przeznaczonych do pracy z czujnikami rezystancyjnymi, sytuacja może być jeszcze gorsza.
Rzadko się zdarza aby producent podawał szczegółową analizę błędów uwzględniając wszystkie niedoskonałości swego wyrobu. Natrafiając lata temu na dokumentację przetworników firmy Burr-Brown, która głównie zajmowała się produkcją elementów elektronicznych, nie mogliśmy wyjść z podziwu dla rzetelności producenta w przedstawianiu wszystkich istotnych parametrów. Podstawowa klasa tych przetworników była wysoka i wynosiła 0.05%. Jednak w klasie nie były uwzględnione takie składniki jak rozrzut prądu pobudzenia czujnika, czy czułość na rezystancję przewodów
doprowadzających oraz różnice w ich rezystancji (nie wspominając o współczynnikach
temperaturowych tych wielkości). Po przeliczeniu, sumaryczny błąd wnoszony przez
przetwornik pracujący w idealnych warunkach, z idealnym czujnikiem Pt100 w zakresie
np. 0-100°C był prawie dziesięć razy większy od klasy podstawowej!
Obecnie nie jest tak trudno osiągnąć rzeczywistą klasę dokładności rzędu 0.05%, uwzględniającą wszystkie parametry w warunkach idealnych (nie trzeba więc ich podawać), ale producenci często pomijają niektóre parametry charakteryzujące pracę przetwornika lub wejścia pomiarowego sterownika w warunkach nieidealnych. Kłopotliwa jest też często ocena dokładności przetworników programowalnych lub wejść pomiarowych sterowników. Przetworniki takie najpierw przetwarzają sygnał wejściowy na wartość cyfrową, a tę, po obróbce, albo udostępniają w postaci cyfrowej, albo przetwarzają na sygnał analogowy. Oprócz podstawowej klasy dokładności pojawiają się więc inne istotne parametry: rozdzielczość pomiaru, rozdzielczość wyjścia, długość cyklu pomiarowego (lub częstotliwość pomiaru), ewentualnie opóźnienie odpowiedzi, jeśli jest większe niż czas trwania pomiaru. Już sama klasa podstawowa jest często myląca, bo odnosi się zwykle całego zakresu pomiarowego (czytaj - teoretycznego zakresu pracy czujnika, np. -200÷850°C dla Pt100). Rzadko się zdarza aby taki zakres był wykorzystywany, więc jaka będzie klasa podstawowa dla praktycznego zakresu np. 0÷100°C? Zwykle gorsza - w skrajnym przypadku w okolicach 1050/100*klasa dla pełnego zakresu, czyli dziesięć razy gorsza. Co więcej, jeśli np. producent podaje, że rozdzielczość pomiaru wynosi 16bit, to nie wiadomo z góry czy przy węższym zakresie pomiarowym też taka będzie (w przypadku wejść pomiarowych sterowników zwykle będzie niestety ułamkiem rozdzielczości dla całego zakresu).
Niektórzy producenci podają dokładność przetworników programowalnych (poprzez interfejs lub za pomocą przełączników) w sposób jawny, np. jako 0.1%*350K/wybrany zakres pomiarowy, co jednak odnosi się do pomiaru rezystancji bowiem dla pomiaru temperatury czujnikiem platynowym błąd wyniesie już 0.3%*200K/wybrany zakres pomiarowy (naturalnie, w warunkach idealnych). Niestety inni zmuszają do większego wysiłku umysłowego podając np. klasę <= 0,1% zakresu pomiarowego wejścia (pełnego zakresu) ±1 działka zakresu przetwarzania (?). Z innych parametrów: liniowość 0.1%, rozdzielczość pomiaru temperatury 0.1°C, można wnioskować, że 'jedna działka' to rozdzielczość pomiaru, a skoro jest stała, to raczej nie ma mowy o przełączanym wzmocnieniu, czyli dla zakresu 0÷100°C rozdzielczość pomiaru wyniesie ok. 10bit a rzeczywista dokładność może przekroczyć 1% (0.1%*1050/100) - plus błąd liniowości przełożony na zawężony zakres pomiarowy, co trudno oszacować nie znając szczegółów (tak duży błąd liniowości może wynikać z niedoskonałej linearyzacji charakterystyki czujnika). Czasem jednak nawet dokładne wczytanie się w instrukcję użytkownika niewiele daje, np. parametry: zakres pomiarowy -200÷600°C, klasa dokładności 0.1% @ 25°C; ±1 cyfra nic nie mówią o rozdzielczości pomiaru ('±1 cyfra' wynika z możliwości przesyłania wyników po opcjonalnym łączu cyfrowym gdzie w sposób oczywisty ostatnia cyfra wyniku jest zaokrągleniem) ani o błędzie w węższych zakresach pomiarowych. Należy się więc spodziewać najgorszego - słabej rozdzielczości pomiaru i błędu powiększonego stosunkiem pełnego zakresu do rzeczywistego zakresu pomiarowego.
Innym istotnym parametrem przetworników cyfrowych jest rozdzielczość wyjścia - o ile nie ma ona zwykle decydującego wpływu na całkowitą dokładność, to jednak przy obrazowaniu wyników lub stosowaniu w pętli regulacji lepsze jest drobniejsze ziarno zmian wyjścia.
Jako producent, sami mieliśmy problem z przyjęciem metody określania klasy dokładności naszych przetworników programowalnych i w końcu wybraliśmy wariant najmniej mylący dla użytkownika - dla zachowania wysokiej rozdzielczości i dokładności obliczeń (np. korekcji nieliniowości czujnika) zdecydowaliśmy się na używanie przetworników analogowo-cyfrowych co najmniej 20-bitowych, a konstrukcja przetwornika zapewnia utrzymanie klasy podstawowej dla typowych zakresów pomiarowych (zwykle od 10% do 100% pełnego zakresu). Jeśli np. klasa podstawowa naszego przetwornika temperatury została określona na 0.05%, to pomiar dla PT100 w zakresie 0÷100°C nadal zachowa tę klasę. (Nie należy jednak wyciągać stąd wniosku, że pomiar w pełnym zakresie jest dokonywany w klasie 0.005% - to zbyt uproszczony tok myślenia.) Wyjścia przetworników mogą mieć mniejszą rozdzielczość (mają stały zakres i ich rozdzielczość nie wpływa na obliczenia) i podajemy ją w jednostkach sygnału, np. 0.5µA dla wyjścia 4÷20mA.
Nawet najlepsze separatory i przetworniki mają ograniczoną zdolność odzyskiwania sygnału spośród zakłóceń jakich dostarcza w nadmiarze otoczenie przemysłowe. Dlatego też wspomnimy pokrótce o zasadach poprawnego przesyłania sygnału.
Znormalizowane sygnały analogowe używane w automatyce można przesyłać na stosunkowo
niewielkie odległości. Dla sygnałów napięciowych (np. 0÷10V) odległości te nie powinny
przekraczać kilku metrów. Sygnały prądowe (np. 4÷20mA) teoretycznie można przekazywać na
odległości do 300 metrów. Na większe dystanse przesyłać można jedynie sygnały w postaci
cyfrowej, a i to jedynie przy zastosowaniu odpowiednich metod. Oczywiście mówimy tu
o warunkach idealnych.
Obecność zakłóceń może znacznie ograniczyć podane wartości teoretyczne. Należy pamiętać
o rozdzieleniu linii sygnałowych i przewodów przenoszących znaczne prądy, lub sygnały
zmienne o stromych zboczach. Jeśli nie można uniknąć spotkania linii sygnałowych z innymi
przewodami, powinny się one przecinać pod kątem prostym. Linie sygnałowe powinny omijać
powierzchnie znajdujące się pod napięciem i urządzenia będące źródłami zakłóceń.
Znacznie ostrzejsze kryteria ochrony przed zakłóceniami trzeba stosować w przypadku
sygnałów pochodzących od czujników (np. czujników temperatury). Dla linii przenoszących
takie sygnały nawet kaloryfer, czy rura wodociągowa stanowi powierzchnię pod napięciem.
Stosowanie skrętki przewodów znacznie ogranicza wpływ zakłóceń równoległych. Właściwe
ekranowanie przewodów zmniejsza wpływ zakłóceń szeregowych. Ideałem byłoby stosowanie
skrętki w ekranie połączonym w jednym punkcie z masą lub punktem (przewodem) odniesienia.
Ze względu na koszty takie rozwiązanie stosuje się w praktyce jedynie dla bardzo słabych
sygnałów (np. pochodzących z mostka tensometrycznego). W najlepszych rozwiązaniach
stosuje się dodatkowo tzw. ekrany aktywne.
Przejdźmy teraz do przetworników temperaturowych. Połączenie przetwornika z czujnikiem temperatury sprawia czasem kłopoty. Termoelementy, zwane niekiedy z angielska termoparami, wykorzystują tzw. efekt Seebeck'a powstający na styku różnych metali (lub półprzewodników). Jeśli połączyć równolegle dwa takie złącza, to indukowana siła elektromotoryczna, E, zależy tylko od różnicy temperatur (T1-T2) i parametrów materiałowych obu metali (niezależnych od temperatury).
Dawniej używało się dokładnie takiej konfiguracji, nazywając jedno ze złączy spoiną odniesienia i umieszczając je w znanej temperaturze. Obecnie wykorzystuje się raczej pojedynczą spoinę - dodatkowe złącza powstają na zaciskach przetwornika. Jeśli długość końcówek termoelementu nie wystarcza do połączenia z przetwornikiem, stosuje się tzw. przewody kompensacyjne wykonane z materiałów o wartościach współczynnika Seebeck'a zbliżonych do wartości charakteryzujących materiały termoelementu. A wszystko po to, aby nowe spoiny nie zaburzały pomiaru. Podstawowa zasada, która umożliwia pomiar napięcia termoelementu, mówi co prawda, że wprowadzenie pary dodatkowych spoin z trzecim metalem nie zmienia siły termoelektrycznej dopóki dodatkowe spoiny znajdują się w tej samej temperaturze, ale im mniejsze różnice w parametrach materiałowych przewodów doprowadzających i termoelementu, tym mniejsze ryzyko wpływu gradientu temperatur na pomiar.
Zadaniem producenta przetwornika jest natomiast zapewnienie zerowej różnicy temperatur pomiędzy zaciskami (T4-T5 na rysunku). Przetwornik musi również mierzyć temperaturę zacisków, aby poprawnie wyznaczyć temperaturę podstawowej spoiny termoelementu, T1 (jest to tzw. wewnętrzna kompensacja spoiny odniesienia). Ponieważ jednak nie wszyscy producenci w pełni wywiązują się ze swoich obowiązków, dobrze jest pamiętać, że umieszczenie przetwornika w pobliżu źródła ciepła, lub w miejscu o zwiększonym przepływie powietrza może zmienić wynik pomiaru.
Mierzone napięcie jest równe sile elektromotorycznej tylko przy pomiarze bezprądowym. Należy więc zwrócić uwagę na oporność wewnętrzną przetwornika - im będzie ona większa, tym mniejszy będzie błąd pomiaru. Aby wykryć uszkodzenie czujnika, przepuszcza się zwykle przez niego niewielki prąd - to także zniekształca pomiar (występują dodatkowe zjawiska fizyczne - efekty Peltiera i Thomsona, a do mierzonego napięcia dodaje się spadek napięcia na przewodach). Niestety, producenci rzadko podają wartość tego prądu. W produkowanych przez nas przetwornikach mikroprocesorowych stosujemy okresową kontrolę czujnika - rozłączną z czasem pomiaru - jest to jednak wyjątek od reguły.
Termoelementy należą do najbardziej nieliniowych (poza termistorami) czujników temperatury. Linearyzacja charakterystyki napięcie/temperatura jest prowadzona w przetworniku różnymi metodami. Najbardziej skuteczna jest linearyzacja cyfrowa w przetwornikach mikroprocesorowych. W przetwornikach analogowych stosuje się przybliżenie charakterystyki kilkoma odcinkami, co, w zależności od typu termoelementu i zakresu mierzonych temperatur może pozostawiać spory błąd, zależny w dodatku od temperatury. Producenci zwykle nie wiążą klasy przetwornika z błędami pozostałymi po linearyzacji, więc konieczna jest ostrożność w doborze przetwornika. Nawet w naszych 'analogowych' przetwornikach stosujemy mieszane rozwiązanie polegające na wtrąceniu w tor pomiarowy nieskomplikowanego mikroprocesora, który koryguje charakterystykę termoelementu. Bez względu na rodzaj przetwornika stosujemy politykę włączania błędów linearyzacji do końcowej klasy przetwornika. W większych systemach, gdzie wynik pomiaru temperatury może podlegać dodatkowej obróbce (np. w programach wizualizacyjnych) często większy sens ma użycie przetwornika bez linearyzacji i dokonanie poprawek w programie, niż stosowanie przetworników z linearyzacją analogową. Zawsze służymy radą, jak przeprowadzić takie poprawki.
I ostatnia uwaga - klasa przemysłowych termoelementów nie jest wysoka i prowadzi z założenia do błędu bezwzględnej wartości temperatury. W zależności od typu termoelementu, błąd może sięgać kilku stopni Celsjusza. Stosowanie przetwornika o wysokiej klasie dokładności ma sens tylko wtedy, gdy zależy nam na dużej powtarzalności wyników - błąd bezwzględny może zniwelować tylko łączna kalibracja czujnika i przetwornika.
Pomiary temperatury przy pomocy czujników rezystancyjnych (np. Pt100, Ni100) można wykonywać w różnych konfiguracjach połączeń czujnik-przetwornik różniących się głównie liczbą przewodów połączeniowych. Największy błąd do pomiaru rezystancji czujnika wprowadza metoda dwuprzewodowa bowiem oporność przewodów doprowadzających sumuje się z rezystancją czujnika.
Metody trójprzewodowe pozwalają na uwzględnienie skończonej rezystancji przewodów doprowadzających przy założeniu, że wszystkie przewody mają taką samą rezystancję. Rysunek przedstawia jedną z możliwych realizacji trójprzewodowej metody pomiaru rezystancji czujnika.
Jednym z rozwiązań kompensacji rezystancji przewodów jest zastosowanie dwóch źródeł prądowych wewnątrz przetwornika co pozwala na jednoczesny pomiar dwóch napięć, których różnica jest proporcjonalna do rezystancji czujnika. Oczywiście oba źródła prądu powinny być identyczne, co nie zawsze jest zapewnione przez producenta przetwornika. Rozrzut wartości obu prądów prowadzi naturalnie do zależności wyniku pomiaru od rezystancji przewodów doprowadzających a współczynnik tej zależności może się zmieniać jak 1:10! W dobie przetworników mikroprocesorowych lepszym rozwiązaniem jest zastosowanie pojedynczego źródła prądu i pomiar spadków napięcia na przewodach i rezystorze pomiarowym, ale użytkownik rzadko może być pewnym jaką zastosowano metodę.
Czteroprzewodowa metoda pomiaru rezystancji daje najbardziej wiarygodne wyniki pozwalając stosować dość długie przewody doprowadzające Jedna para przewodów służy wyłącznie do przesyłania prądu pobudzenia, a druga do praktycznie bezprądowego pomiaru spadku napięcia na termorezystorze.
Teoretycznie długość przewodów doprowadzających nie ma w tej metodzie znaczenia. W praktyce, dopuszczalna długość przewodów jak zawsze zależy od sposobu ich prowadzenia i warunków otoczenia. Ograniczeniem może też być rezystancja przewodów, jeśli źródło prądu pobudzenia ma ograniczoną wydajność napięciową. Zwykle dobrą jakość pomiaru udaje się jeszcze utrzymać przy przewodach o długości do kilkunastu metrów (przy starannym ekranowaniu).
Należy zwrócić uwagę, że istnieje metoda, w której stosuje się co prawda cztery przewody doprowadzające, ale nie ma to nic wspólnego ze sposobem pomiaru przedstawionym powyżej. W rzeczywistości pomiar jest dwuprzewodowy, a dodatkowa para przewodów służy do oszacowania rezystancji przewodów doprowadzających.
Metoda ta ma takie same wady jak trójprzewodowy sposób pomiaru wymuszając jednocześnie stosowanie dodatkowego przewodu.
Pamiętajmy, że nawet czeroprzewodowa metoda pomiaru nie zapewni oczekiwanej dokładności jeśli zapomnimy o efektach, które zachodzą w opisanych wyżej czujnikach termoelektrycznych - każde dodatkowe połączenie na drodze od czujnika do przetwornika może być źródłem błędu pomiarowego.
Pora wspomnieć o wartości prądu pobudzenia i jego wpływie na wynik pomiaru. W zasadzie
im niższy prąd pobudzenia, tym mniejszy błąd wynikający z podgrzewania termorezystora
ciepłem Joule'a wydzielanym podczas przepływu prądu. Z drugiej strony, przy długich
przewodach doprowadzających, lub znaczącym poziomie zakłóceń elektromagnetycznych, udział
szumów w sygnale będzie procentowo większy dla niższego poziomu sygnału. Jeśli nie jest
to kompensowane zwiększoną filtracją sygnału, jakość pomiaru może się obniżyć. Optymalną
wartością dla termorezystorów o oporności rzędu 100Ω jest ok. 0.25mA (proporcjonalnie mniej dla wyższych nominalnych rezystancji czujnika).
Innym elementem wpływającym na dokładność pomiaru temperatury jest sposób montażu czujnika i przewodów doprowadzających. Istotna jest oczywiście dobra wymiana ciepła pomiędzy czujnikiem a medium, którego temperatura jest mierzona, ale też ograniczona wymiana ciepła pomiędzy czujnikiem i przewodami doprowadzającymi. W warunkach inherentnego słabego kontaktu cieplnego z medium, np. przy pomiarze temperatury powietrza lub dużego gradientu temperatury w pobliżu czujnika, słabości montażu czujnika mogą znacząco wpływać na wynik pomiaru. Miedź w przewodach doprowadzających jest bardzo dobrym przewodnikiem ciepła, więc im większa różnica temperatur pomiędzy punktem pomiaru a przewodami oraz im większa średnica przewodów, tym większy przepływ ciepła od/do czujnika.
Zwrócenie uwagi na wymianę ciepła pomiędzy czujnikiem i przewodami doprowadzającymi jest szczególnie istotne w przypadku czujników półprzewodnikowych. Czujniki takie są zwykle umieszczane w obudowach z tworzywa sztucznego o słabym przewodnictwie cieplnym i w konsekwencji wymiana ciepła pomiędzy czujnikiem a wyprowadzeniami jest znacznie łatwiejsza niż pomiędzy czujnikiem a medium, którego temperatura ma być mierzona. Wyjściem w tej sytuacji jest 'zakotwiczenie' cieplne wyprowadzeń czujnika i zdławienie przepływu ciepła do przewodów doprowadzających (np. krótkim odcinkiem cienkiego przewodu lub zwężeniem ścieżek na płytce drukowanej), co powinien przeprowadzić producent końcowego rozwiązania czujnika umieszczający element półprzewodnikowy w osłonie użytkowej. Niestety, nie zawsze producenci wykazują się należytą starannością co czasem nawet łatwo wykryć podgrzewając przewody (choćby chwytając je ciepła dłonią kilkanaście centymetrów od czujnika) i obserwując wskazania. W amatorskich rozwiązaniach np. przy pomiarze temperatury rury z ciepłą wodą można owinąć przewody wokół rury, ale w zastosowaniach profesjonalnych lepiej wybrać prawidłowo wykonany czujnik.
Tak jak w przypadku termorezystorów, czujniki półprzewodnikowe mogą ulegać samopodgrzewaniu. Nawet czujniki cyfrowe, jak np. popularne czujniki 1-Wire, których niewątpliwą zaletą jest niewielka liczba przewodów doprowadzających i możliwość przesyłania sygnału na większe odległości, będą wykazywały zawyżoną temperaturę jeśli pomiary będą zbyt częste.
c.d.n.
Początek strony
Wstecz