Погрешность квантованияЗаметки
7. Согласование сигналов В этой лекции дается представление о том, каким образом в измерительных системах применяется согласование (согласование) сигналов для точного измерения многих физических величин. Здесь же описываются методы согласования, которые повышают качество сигналов. Темы A. Общие сведения о согласовании сигналов B. Системы согласования сигналов C. Согласование сигналов при измерении напряжения D. Измерение температуры E. Измерение деформации, давления, нагрузки и крутящего момента F. Измерение параметров звука и вибраций
A. Общие сведения о согласовании сигналов Типовая система измерения некоторой физической величины состоит из датчиков, устройства согласования сигналов, измерительной аппаратуры и программного обеспечения (ПО), предназначенного для решения измерительных задач, установленного на компьютере. Как правило, источником сигнала является датчик, с помощью которого воспринимается физическая величина. Для измерения сигналов различных уровней используются датчики различных типов и разных производителей. Обычно сигнал проходит по двум и более проводам длиной от нескольких дюймов до нескольких миль и, возможно, подвергается воздействию помех от высоковольтных линий и других электромагнитных помех. Многие проблемы, связанные с качеством сигнала, могут возникнуть до того, как он поступил на вход аппаратуры сбора данных, поэтому, измерительных системах чаще всего требуется согласование сигналов. Согласование сигналов может осуществляться в самом датчике, в тракте между датчиком и аппаратурой сбора данных, а также в аппаратуре сбора данных. Большинство выпускаемых датчиков и измерительных преобразователей формируют сигнал, который вам необходимо согласовать, прежде, чем DAQ-устройство сможет достоверно и точно его измерить. В процессе согласования сигнал очищается от помех путем усиления, ослабления, фильтрации и гальванической развязки. Системы согласования бывают встроенными в DAQ-устройства, например, CompactDAQ и PXI SC DAQ. Также их выполняют в виде отдельных внешних устройств, например, SCXI (Signal Conditioning eXtensions for Instrumentation) или SCC (Signal Conditioning Components). Кроме того, они могут быть интегрированными в датчики (например, в IEPE акселерометры). Основное назначение систем согласования – предварительная обработка измеряемого сигнала, перед тем, как его подать на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) DAQ-устройства. Устройство сбора данных дает возможность оцифровывать согласованный аналоговый сигнал. Затем компьютер может обработать этот сигнал и вывести его на экран. B. Системы согласования сигналов Компания National Instruments предлагает разнообразные устройства для согласования сигналов, которые позволяют повысить точность и производительность измерительной системы. За более подробной информацией об устройствах согласования производства NI обратитесь по ссылке в Интернете ni.com/signalconditioning. CompactDAQ Оборудование CompactDAQ производства NI обеспечивает простое «plug-and-play» подключение через порт USB для измерений электрических и неэлектрических величин в лабораторных, полевых и производственных условиях. Эта платформа предоставляет возможность быстрых и точных измерений с помощью малых по размеру, простых и доступных по цене систем, сочетание легкости использования и низкой стоимости регистрации данных с производительностью и гибкостью модульных измерительных платформ. PXI Express Модули согласования PXI Express Signal Conditioning можно применять при высокоскоростных измерениях. Поскольку у них есть встроенные средства согласования сигналов, с их помощью можно напрямую измерять сигналы с датчиков, а также сигналы с большим уровнем напряжения. Маленькая погрешность измерений обеспечивается за счет программируемого коэффициента усиления и настроек фильтра. В этих модулях может также использоваться шина запуска PXI trigger для межмодульной синхронизации в приложениях на платформе PXI с большим количеством каналов. SCXI NI SCXI – это платформа внешних устройств согласования и коммутации сигналов для применения совместно с многофункциональными DAQ устройствами. Система SCXI состоит из многоканальных модулей согласования сигналов, установленных в одно или несколько прочных шасси, которые подключаются к многофункциональному DAQ устройству. У вас есть большой выбор модулей аналогового ввода, аналогового вывода, цифрового ввода-вывода и коммутаторов, соответствующих требованиям создаваемых приложений. C. Согласование сигналов при измерении напряжения Кроме работы с отдельными датчиками, устройства согласования сигналов выполняют ряд функций общего назначения, за счет которых повышается качество, гибкость и надежность измерительной системы. Усиление Поскольку зачастую реальные сигналы имеют очень маленький уровень, согласование сигналов может уменьшить погрешность измерений. Усилители (Amplifier) повышают уровень входного сигнала, чтобы он был лучше согласован с диапазоном входных напряжений на входе АЦП. За счет этого улучшается разрешение и чувствительность измерений. Несмотря на то, что в составе многих DAQ-устройств есть встроенные усилители, напряжение с выхода многих датчиков, таких, как термопары, необходимо дополнительно усиливать. Многие датчики выдают напряжение порядка нескольких милливольт или даже микровольт. При усилении таких слабых сигналов непосредственно в DAQ-устройстве усиливаются также и любые помехи (Noise), наведенные от места подключения сигналов. Если измеряемый сигнал имеет малый уровень, даже небольшая помеха может подавить полезный сигнал, что приводит к появлению некорректных данных. Простой метод повышения отношения сигнал/помеха – усиление сигнала как можно ближе к источнику. В этом случае полезный сигнал значительно превысит помеху до того, как помеха, наведенная на соединительные проводники, его исказит, и таким образом при измерениях улучшается отношение сигнал/помеха. Например, на рис. 7-1 показана термопара типа J, которая выдает низкоуровневый сигнал напряжения, изменения которого составляют около 50 мкВ/°С.
Рисунок 7-1. Термопара типа J выдает сигнал низкого уровня Предположим, что от термопары к измерительной системе идут линии длиной 10 м через среду, в которой действуют помехи. Если от источников помех на выводы термопары наводится помеха 200 мкВ, то вызванная ей погрешность измерения температуры будет около 4 °С. Следовательно, сигнал необходимо усиливать около термопары до того, как помеха исказит сигнал, чтобы уменьшить итоговую погрешность измерений. Усиление сигнала с коэффициентом усиления 500 вблизи самой термопары формирует сигнал, изменения которого составляют около 25 мВ/°С. Поскольку усиленный сигнал проходит те же упомянутые 10 м, помеха 200 мкВ, которая на него накладывается после усиления, оказывает меньшее влияние на окончательный результат измерения, создавая дополнительную погрешность только 0.03 °С.
Отношение сигнал/помеха Отношение сигнал/помеха – это мера того, какой уровень помехи есть в сигнале по сравнению с уровнем самого сигнала. Оно вычисляется как отношение уровня напряжения сигнала к уровню напряжения помехи. Чем больше это отношение, тем лучше. Ослабление Ослабление сигнала требуется, когда напряжения, которые необходимо оцифровать, находятся за пределами диапазона входных напряжений АЦП. В результате ослабления амплитуда сигнала уменьшается так, чтобы он попадал в рабочий диапазон АЦП. Такой вид согласования сигналов нужен для измерения высоких напряжений. Фильтрация В состав систем согласования сигналов могут входить фильтры, которые подавляют паразитные наводки в определенном частотном диапазоне. Почти во всех измерительных приложениях в той или иной степени имеет место наводка 50 или 60 Гц от питающих линий или промышленного оборудования. Поэтому в большинстве систем согласования сигналов есть фильтры нижних частот (ФНЧ), которые спроектированы так, чтобы как можно лучше подавлять помеху 50 или 60 Гц. Например, в состав модуля SCXI-1125 входит ФНЧ с полосой среза 4 Гц, обеспечивающих большое подавление такой помехи (90 дБ). В общем случае фильтры делятся на пять типов: фильтры нижних частот (ФНЧ), фильтры верхних частот (ФВЧ), полосовые фильтры (ПФ), режекторные (заграждающие) фильтры (ЗФ), многочастотные фильтры (ВЧФ). Здесь приведена классификация по частотному диапазону сигналов, которые фильтр должен пропускать со входа на выход без ослабления. В связи с тем, что в большинстве модулей согласования сигналов производства National Instruments применяются ФНЧ, основное внимание уделяется именно этим фильтрам. Идеальный ФНЧ не ослабляет никакие спектральные составляющие входного сигнала в полосе пропускания, под которой подразумеваются все частоты ниже частоты среза. Такой ФНЧ полностью подавляет все составляющие в полосе подавления, которая включает в себя все частоты выше частоты среза. Кроме того, идеальный ФНЧ имеет линейную фазо-частотную характеристику (ФЧХ – зависимость фазового сдвига от частоты). Линейность ФЧХ означает, что все спектральные составляющие имеют одну и ту же задержку независимо от частоты, что позволяет полностью сохранить форму сигнала. В реальных фильтрах преобразование входных сигналов описывается математически передаточными функциями, которые аппроксимируют характеристики идеального фильтра. На рис. 7-2 сравнивается ослабление амплитудно-частотной характеристик (АЧХ) идеального и реального фильтров.
Рисунок 7-2. АЧХ идеального и реального фильтров a. идеальный фильтр, b. реальный фильтр, Gain – коэффициент передачи, Frequency – частота, Passband – полоса пропускания, Stopband – полоса подавления, Transition Region – переходная область На рис. 7-2 приведена АЧХ реального фильтра с пульсациями (с неравномерным ослаблением в зависимости от частоты) в полосе пропускания, переходной областью между полосой пропускания и полосой подавления, и полосой подавления с конечным ослаблением и пульсациями. Кроме того, у реальных фильтров имеет место некоторая нелинейность ФЧХ, из-за которой более высокочастотные спектральные составляющие имеют б о льшую задержку, чем низкочастотные. Это приводит к искажению формы сигнала. Такое явление можно наблюдать, пропустив через ФНЧ прямоугольный или ступенчатый сигнал. Идеальный фильтр сглаживает фронты входного сигнала, а в реальном фильтре возникает некоторый дребезг сигнала из-за задержки высокочастотных спектральных составляющих. На рис. 7-3 приведены примеры реакции рассматриваемых фильтров на ступенчатое входное воздействие.
Рисунок 7-3. Реакция фильтра на ступенчатое воздействие a. входной сигнал, b. реакция идеального фильтра на ступенчатое воздействие, c. реакция реального фильтра на ступенчатое воздействие, Volts – напряжение, Time – время Антиалиасинговые фильтры Еще одной областью применения фильтров является предотвращение эффекта искажения спектра, так называемого «алиасинга», который возникает, когда частота дискретизации сигнала слишком маленькая. Согласно теореме Найквиста, при дискретизации аналогового сигнала любые его частотные компоненты, частота которых выше одной второй от частоты дискретизации проявляются в виде низкочастотных компонент дискретизированного сигнала. Такого рода искажения можно устранить только перед тем, как подвергать сигнал дискретизации путем подавления с помощью ФНЧ любых составляющих, частота которых выше одной второй от частоты дискретизации. На рис. 7-4 приведен синусоидальный сигнал, отсчеты которого отмечены точками. Когда по этим отсчетам происходит восстановление сигнала (пунктирная линия) по этим отсчетам, получается, что восстановленный сигнал имеет более низкую частоту, чем исходный сигнал.
Рисунок 7-4. Синусоидальный сигнал с заниженной частотой дискретизации Input Signal – входной сигнал, Sampled Point – отсчеты сигнала, Reconstructed Signal – восстановленный сигнал У вас есть возможность увеличить частоту дискретизации или пропустить сигнал через ФНЧ, чтобы убрать из него высокочастотные составляющие. Увеличение частоты дискретизации может оказаться экономически невыгодным и, как правило, непрактичным, особенно с учетом того, что верхняя граница спектра высокочастотного шума может быть намного больше выше полосы частот измеряемого сигнала. Поэтому на практике для подавления любых спектральных составляющих выше частоты Найквиста чаще всего применяют ФНЧ. Предотвратить эффект искажения спектра могут только аналоговые фильтры. Цифровые фильтры не могут подавлять ложные компоненты сигнала, поскольку после того, как сигнал был подвергнут дискретизации, бороться с эффектом наложения спектра нельзя. В основном для цифровых средств измерений типа DAQ устройств или модулей применяют программируемые аналоговые фильтры, выполненные, как внешние устройства согласования сигналов. Аналоговые фильтры имеют стандартные передаточные функции, которые обеспечивают компромисс между такими характеристиками реальных фильтров как спад АЧХ, пульсации в полосе пропускания АЧХ и линейность ФЧХ. Фильтры, описываемые стандартными передаточными функциями, включают в себя фильтры Баттерворта, Чебышева, Бесселя, а также эллиптические фильтры. Например, для фильтров Баттерворта характерна очень плоская АЧХ в полосе пропускания, в то время как у фильтров Чебышева более крутой спад АЧХ за счет некоторой неравномерности в полосе пропускания. Фильтр Бесселя обеспечивает линейную ФЧХ по всей полосе пропускания, за счет чего уменьшается искажение формы сигнала, однако имеет место более пологий спад АЧХ и следовательно, меньшее ослабление сигнала в полосе заграждения. Эллиптический фильтр Кауэра с очень крутым спадом, особенно полезен в качестве антиалиасингового фильтра в многоканальных системах с аналого-цифровым преобразованием. Однако, из-за значительной нелинейности ФЧХ такой фильтр больше подходит для приложений, где требуется анализ спектра сигнала, а не их фазовых характеристик или формы. На рис. 7-5 показана АЧХ для трех модулей согласования сигналов, применяемых компанией National Instruments. Как упоминалось выше, эллиптический фильтр, с очень резким спадом АЧХ, в первую очередь нужен в качестве антиалиасингового фильтра в многоканальной системе.
Рисунок 7-5. АЧХ трех модулей согласования сигналов. Gain – коэффициент передачи, Frequency (Normalized) – нормированная частота, Elliptic (1141)– эллиптический фильтр, Bessel (1142)– фильтр Бесселя, Butterworth (1143) – фильтр Баттерворта Очень хорошее ослабление АЧХ выше частоты среза подтверждает обоснованность применения эллиптического фильтра в качестве антиалиасингового. Этот фильтр дает возможность использовать более низкую частоту дискретизации из-за более резкого спада АЧХ. Например, рассмотрим 16-канальную систему, которая измеряет сигналы с шириной спектра не более 10 кГц. Однако, чтобы не допустить искажение сигналов паразитными помехами, находящимися за пределами полосы 10 кГц, требуются антиалиасинговые фильтры. Например, эллиптические фильтры восьмого порядка в составе модуля SCXI-1141 позволяют запрограммировать частоту среза 10 кГц для всех 16 каналов. В этом случае ослабление на частоте около 15 кГц достигает 80 дБ. Таким образом, частоту дискретизации АЦП DAQ-устройства можно смело задавать равной 30 кГц, т.е. в два раза больше 15 кГц. Поскольку все 16 каналов управляются одним DAQ-устройством, необходимо запрограммировать общую частоту дискретизации 30 кГц х 16 = 480 кГц. При использовании другого типа фильтра с менее крутым спадом потребуется намного более высокая частота дискретизации. Например, у типичного фильтра Баттерворта восьмого порядка, запрограммированного на частоту среза 10 кГц, ослабление 80 дБ достигается на частоте около 30 кГц. Частота дискретизации DAQ-устройства, совместно с которым используется фильтр, должна быть установлена 60 кГц на канал или 960 кГц на все каналы. Для получения такой высокой частоты дискретизации необходимо применять более дорогое DAQ-устройство (или с меньшим числом каналов) и память большего объема для хранения данных. Таким образом, более резкий спад АЧХ эллиптического фильтра снижает требования к АЦП, что позволяет задавать более низкие частоты дискретизации, а также смягчает требования к объему памяти. Однако у эллиптического фильтра имеет место значительная нелинейность ФЧХ (рис. 7-6). Фильтр с такой ФЧХ больше подходит для приложений, где требуется анализ спектров сигналов, а не их фазовых характеристик или формы.
Рисунок 7-6. ФЧХ фильтров в составе модулей согласования: Elliptic (1141)– эллиптический фильтр, Bessel (1142)– фильтр Бесселя, Butterworth (1143) – фильтр Баттерворта Phase Shift (Degrees) – фазовый сдвиг в градусах, Frequency (Normalized) – нормированная частота Выбирая фильтр для конкретной измерительной системы, следует одновременно учитывать его АЧХ и ФЧХ, чтобы гарантировать отсутствие потерь полезной информации в результате фильтрации. Как правило, традиционные аналоговые фильтры собираются из операционных усилителей, резисторов и конденсаторов. Однако перестраиваемые анитиалиасинговые фильтры обычно строятся на основе схем с переключаемыми конденсаторами. Особо следует отметить, что переключаемые конденсаторы заменяют резисторы в более привычных схемах аналоговых фильтров. За счет того, что импеданс переключаемого конденсатора является функцией частоты коммутации, можно изменять частоту среза фильтра с переключаемыми конденсаторами за счет изменения частоты тактового сигнала, который управляет коммутацией. Кроме того, фильтры на основе операционных усилителей и точно подобранных конденсаторов проще собирать. Однако, фильтры с переключаемыми конденсаторами могут иметь следующие недостатки. Оказывается, что используемые в отдельности такие фильтры имеют склонны к помехам при согласовании аналоговых сигналов. В связи с этим в модулях согласования сигналов производства NI применяется уникальная гибридная технология проектирования, которая сочетает в себе преимущества фильтров с переключаемыми конденсаторами и обычных аналоговых фильтров как по технологичности, так и по характеристикам. Основными компонентами схемы фильтра в составе устройства согласования производства NI являются: дискретный фильтр с переключаемыми конденсаторами, программируемый аналоговый предварительный фильтр и программируемый аналоговый оконечный фильтр. · Фильтр с переключаемыми конденсаторами, дискретный во времени – частота среза легко управляется изменением частоты входного тактового сигнала. · Предварительный программируемый аналоговый фильтр (непрерывный во времени) – вфильтрах с переключаемыми конденсаторами происходит дискретизация сигнала и, следовательно, проявляется эффект искажения спектра. Поэтому предварительный аналоговый фильтр ослабляет любые спектральные составляющие за пределами частоты коммутации, выбранной по теореме Найквиста. · Оконечный программируемый аналоговый фильтр (непрерывный во времени) – восстанавливает аналоговый сигнал по его ступенчатому представлению на выходе фильтра с переключаемыми конденсаторами. Этот фильтр также подавляет любую помеху, проникающую от высокочастотного тактового генератора, который управляет работой фильтра с переключаемыми конденсаторами. Изоляция (Гальваническая развязка) Неправильное заземление системы – одна из наиболее распространенных причин, из-за которых возникают проблемы при выполнении измерений, наводятся помехи и выходят из строя DAQ-устройства. Эти сложности можно преодолеть с помощью развязывающих систем согласования сигналов. Устройства развязки пропускают сигнал от источника к средству измерений, исключая галванический контакт между ними посредством трансформаторной, оптической или электрической связи. Кроме того, что развязка устраняет паразитные контуры заземления, она блокирует высоковольтные импульсные помехи, а также подавляет синфазную помеху. Благодаря этому обеспечивается защита операторов и дорогостоящей измерительной аппаратуры. Предположим, что вам необходимо контролировать температуру с помощью термопар, припаянных к корпусу высоковольтной электрической машины, которая излучает сильные электромагнитные поля. Несмотря на то, что термопары выдают дифференциальное напряжение менее 50 мВ, выход термопары может иметь высокий потенциал относительно земли из-за емкостной связи машины с термопарой. Этот потенциал между обоими выводами, на которых есть дифференциальный сигнал, и землей называют синфазным напряжением. В идеальном варианте измерительная система никак не должна реагировать на синфазное напряжение. Присоединение выводов термопары напрямую к измерительному устройству без развязки, возможно, приведет выходу из строя этого устройства (на которое, как правило, можно подавать синфазное напряжение не более 12 В). Однако, вы можете присоединить выводы термопары к развязывающему устройству согласования, которое подавляет высокое синфазное напряжение и безо всякой опасности пропускает дифференциальный сигнал 50 мВ на измерительное устройство, обеспечивая тем самым точность измерений. Спецификации на развязывающие устройства Производители устройств гальванической развязки по-разному нормируют их характеристики. Некоторые производители приводят спецификации только в виде числа, не указывая, что это такое: уровень сигнала или выбросы. Без этой информации и четкого понимания, что поступает на линии ввода-вывода, вы можете вывести из строя измерительную систему, и есть вероятность, что операторы, которые с ней работают, получат поражение электрическим током. Такими организациями как Underwriters Laboratories (UL) и International Electrotechnical Commission (IEC), наносят знаки соответствия нормам безопасности измерительной аппаратуры по высокому напряжению. Изделия, на которые нанесены такие знаки, подвергаются испытаниям, в некоторых случаях, самими этими организациями. Цель испытаний – подтверждение соответствия изделий спецификациям на них. Помимо проверки наличия знака соответствия от одной из указанных организаций самый безопасный способ определить характеристики развязки системы согласования сигналов – узнать две основные характеристики: номинальное рабочее напряжение и нормы по монтажу. Номинальное рабочее напряжение Номинальное рабочее напряжение – максимальное напряжение, которое можно подавать постоянно на входные клеммы при нормальных условиях эксплуатации. Эта характеристика приводится относительно общей шины заземления и включает в себя как уровень сигнала, так и любое синфазное напряжение, связанное с этим сигналом. Нормы по монтажу По определению нормы монтажа описывают места расположения, где можно работать с конкретным средством измерений, исходя из возможных выбросов напряжения. В самом общем случае указываются возможные выбросы сигнала, которые средство измерений может выдержать. Как показано на рис. 7-7, нормы монтажа и условия эксплуатации расписаны по категориям с первой (I) по четвертую (IV).
Рисунок 7-7. Нормы монтажа и условий эксплуатации (I – IV) Transmission Lines – линии электропередач (ЛЭП), Transformer – трансформатор, Fuse Panel – панель с плавкими предохранителями, Outlet – розетка, Isolating Device – развязывающее устройство В зависимости от расположения средств измерений относительно системы электроснабжения требования к монтажу изменяются. Ближе к электростанции требования жестче, а по мере удаления от линий электропередач требования смягчаются. При понижении напряжения питания уменьшаются возможные перенапряжения в системе. Чем ближе вы находитесь к источнику, тем больше ожидаемые выбросы напряжения. В зависимости от местоположения измерительной системы необходимо предпринять некоторые меры предосторожности, чтобы защитить систему от потенциально опасных перенапряжений, которые имеют место в системе электроснабжения. Организация IEC (МЭК – Международная электротехническая комиссия) ввела классификацию электрических схем по следующим четырем категориям безопасности в зависимости уровней перенапряжения: · IV – распределительное оборудование: генераторы, подстанции, трансформаторы. · III – стационарное оборудование. Оборудование, постоянно подключенное к распределительной сети, например, кондиционеры воздуха и печи. · II – оборудование, потребляющее энергию от стационарной системы питания, в том числе дрели, телевизоры, радиоприемники и компьютеры. · I – оборудование для присоединения электрических схем, где по проекту достаточно строго ограничены перенапряжения из-за перепадов напряжений. К такому оборудованию относятся, например, низковольтные источники питания. Развязка обеспечивает защиту пользователя и его оборудования от высоких напряжений и больших выбросов напряжений (перенапряжений). Наличие развязки является крайне желательным свойством оборудования. Все развязывающие SCXI модули производства National Instruments имеют сдвоенную развязку, рассчитанную на непрерывное рабочее среднеквадратическое напряжение 250 В. Кроме того, эти модули испытываются напряжением 2300 В, которое от источника подается на входные клеммы в течение минуты, чтобы гарантировать, что модуль не выйдет из строя из-за слишком больших бросков напряжения. SCXI модули с развязкой строго соответствуют спецификации IEC-1010 на установки категории II. За более подробной информацией по категориям безопасности обратитесь к следующим документам: · IEC 664-1 – руководство по монтажу оборудования в низковольтных системах · IEC 1010-1 – требования безопасности для электрического оборудования, предназначенного для измерений, управления и лабораторного применения. D. Измерения температуры Датчики преобразуют неэлектрические величины, например, температуру, в электрические величины, например, напряжение или сопротивление. Характеристики датчика определяют многие требования к устройствам согласования сигналов систем сбора данных. Термопары Одним из наиболее часто используемых измерительных преобразователей температуры является термопара. Термопары характеризуются высокой прочностью и невысокой ценой и, кроме того, могут работать в широком температурном диапазоне. Термопара образуется при соединении двух различных металлов. В этом случае формируется небольшая ЭДС, как функция разности температур этих металлов. ЭДС термопары называется напряжением Зеебека в честь Томаса Зеебека, который открыл этот эффект в 1821 году. ЭДС на выходе термопары нелинейно зависит от температуры. Однако для малых изменений температуры это напряжение можно приближенно считать линейным:
где Из-за того, что величина Сигналы с термопар можно измерять с помощью различных компьютерных измерительных систем. При этом нужно учитывать некоторые специальные требования по согласованию сигналов. Схемы включения термопар Чтобы измерить напряжение Зеебека, нельзя просто подсоединить термопару к вольтметру или другой измерительной системе, поскольку присоединение выводов термопары к системе порождает дополнительные термоэлектрические узлы. Рассмотрим схему, приведенную на рис. 7-8, на которой термопара J-типа находится в пламени свечи, имеющем температуру, которую вы хотите измерить. Оба вывода термопары соединены соответствующими медными проводниками с DAQ-устройством.
Рисунок 7-8. Термопара J-Типа To DAQ Board – к плате сбора данных, Constantan – константан, Iron – железо, Copper – медь Обратите внимание на то, что на схеме есть три различных металлических соединения – J1, J2 и J3. J1 – это основное соединение (спай), которое генерирует напряжение Зеебека, пропорциональное температуре пламени свечи. Каждое из соединений J2 и J3 имеет свой коэффициент Зеебека и генерирует свою ЭДС, пропорциональную температуре терминалов DAQ-устройства. Чтобы определить долю напряжения от соединения J1, необходимо знать температуры соединений J2 и J3, а также для каждого из них формулы – зависимости между напряжением и температурой. Затем вы сможете вычесть составляющие, порожденные паразитными термопарами J2 и J3, из измеренного напряжения. Компенсация температуры холодного спая Чтобы скомпенсировать влияние паразитных термопар, требуется некоторая опорная температура. Термин «холодный спай» появился из традиционной практики поддержания опорной температуры 0 °С в ванне со льдом. Градуировочные таблицы для термопар, разработанные Национальным институтом стандартов и технологий (НИСТ) США (NIST – National Institute of Standards and Technology), поясняются на рис. 7-9.
Рисунок 7-9. Обычное измерение температуры с поддержанием опорной температуры 0 °С Voltmeter – вольтметр, Isothermal Region – изотермическая область, Ice Bath – ванна со льдом, Copper – медь, Metal – металл На рис. 7-9 измеренное напряжение зависит от разности температур T1 и Tref. В данном случае Tref = 0 °C. Следует учесть, что поскольку обе точки присоединения выводов термопары к вольтметру имеют одинаковую температуру, т.е. являются изотермическими, ЭДС, формируемые в этих точках, равны по величине но отличаются по знаку. Поэтому погрешность результирующее напряжение, вносимое этими соединениями, равно нулю. В таких условиях, если измеряемая температура выше 0 °С, напряжение на выходе термопары имеет положительный знак. Если измеряемая температура ниже 0 °С, то выходное напряжение термопары имеет отрицательный знак. Когда опорная температура равна измеряемой температуре, выходное результирующее напряжение равно нулю. Несмотря на то, что ванна со льдом точно воспроизводит опорную температуру, использование ее не всегда удобно для практического применения. Более практичным является подход, основанный на прямом измерении температуры в опорной точке с помощью специального датчика и вычитание соответствующей этой температуры паразитной ЭДС. Этот процесс называют компенсацией холодного спая. Необходимые для компенсации вычисления можно упростить, используя некоторые характеристики термопары. На основе закона о термопарах промежуточных металлов и некоторых принятых допущений можно увидеть, что напряжение, которое измеряет DAQ-устройство на рис. 7-8, зависит только от типа термопары, ЭДС термопары и температуры холодного спая. Фактически измеряемое напряжение не зависит от химического состава проводников, соединяющих термопару и измерительное устройство, и холодных спаев J2 и J3. Согласно закону о термопарах промежуточных металлов, который поясняется на рис. 7-10, добавление в схему включения термопары проводника любого типа не влияет на выходное напряжение до тех пор, пока оба конца этого проводника имеют одну и ту же температуру, т.е. пока они являются изотермическими.
Рисунок 7-10. Закон о термопарах промежуточных металлов Рассмотрим схему, приведенную на рис. 7-11, которая похожа на ранее приведенную схему на рис. 7-8. Отличия заключаются в том, что в схему на рис. 7-11 перед соединением J3 добавлен короткий константановый проводник и считается, что соединения J3 и J4 имеют одинаковые температуры. С учетом этого согласно закону о термопарах промежуточных металлов схема на рис. 7-11 электрически эквивалентна схеме на рис. 7-8. Следовательно, любой результат измерений, полученный по схеме на рис. 7-11, также относится к схеме на рис. 7-8.
Рисунок 7-11. Добавление дополнительного проводника в изотермическую область На рис. 7-11 соединения J2 и J4 относятся к одному и тому же типу («медь-константан»). Поскольку они находятся в изотермической области, они имеют одинаковую температуру. А т.к. эти соединения находятся с противоположных сторон, их общее влияние на измеряемое напряжение равно нулю. Оба соединения J1 и J3 – «железо- константан» и также находятся с противоположных сторон, однако их температуры могут различаться. Таким образом, только соединения J1 и J2 оказывают некоторое влияние на итоговый результат измерения напряжения. Обозначив напряжение
где Следует обратить внимание, что напряжение Поскольку соединение J3 того же типа, что и соединение J1, только находится с противоположной стороны, справедливо равенство
Таким образом, температуру термопары можно определить путем измерения величин Методы реализации компенсации холодного спая требуют, чтобы опорная температура определялась непосредственно с помощью датчика. Обычно для таких измерений применяются полупроводниковые датчики, термисторы или термометры сопротивления. Например, в составе некоторых терминальных блоков SCXI есть термисторы, которые расположены возле винтовых зажимов, к которым присоединяется проводники от термопары.
|
,
- изменение напряжения, 
- коэффициент Зеебека, 
- изменение температуры.
, формируемоt соединением J x при температуре Ty, можно утверждать, что в целом задача измерения температуры с помощью термопары сводится к реализации следующего уравнения:
(7-1)
– напряжение, измеренное DAQ-устройством, 
– температура спая J1, а 
– температура опорного спая.
и 
являются функциями температуры относительно одной и той же опорной температуры. Например, как указывалось ранее, градуировочные таблицы NIST для термопар формируются при температуре опорного спая 0 °С.
Поскольку 
. Таким образом, уравнение 7-1 принимает следующий вид:
(7-2)
