ASPECTE DE SIGURANȚĂ

În Statele Unite, potențialele electrice mai mari de 48 V sunt considerate periculoase pentru viața umană. Deși oamenii au supraviețuit șocurilor electrice care depășesc mii de volți și lovituri de trăsnet care transportă milioane de wați de putere, toată lumea ar trebui să trateze electricitatea cu prudență și respect. Tensiunea nu este totuși singura preocupare. Curenții din gama mA pot opri o inimă normală în anumite condiții. De exemplu, NIOSH (Institutul Național pentru Securitate și Sănătate în Muncă) estimează că doar 20 mA la 110 Vac, tensiunea de utilitate comună, poate paraliza mușchii respiratori.

Toate echipamentele și sursele de tensiune și curent, cum ar fi elementul testat, nu ar trebui să fie alimentate atunci când se realizează conexiuni între senzori, dispozitive de acționare sau alte componente și sistemul de achiziție de date. Acest lucru este deosebit de important atunci când se utilizează transformatoare de curent și se măsoară tensiuni înalte și curent alternativ.

EFECTUAREA MĂSURĂTORILOR VALIDE

Acuratețea măsurătorii depinde de acuratețea echipamentului și de conexiuni robuste. Conexiunile slabe și zgomotele captate de cablurile neecranate și de circuitele legate necorespunzător la masă vor furniza cu siguranță date inexacte. Senzorii condiționați sunt proiectați în mod tipic pentru a asigura semnale de ieșire exacte, cu plasarea corectă a componentelor, ecranarea, filtrarea și ocolirea conexiunilor I/O de alimentare și de masă. Senzorii neprotejați, cum ar fi termocuplele și mărcile tensometrice, sunt adesea expuși la numeroase tipuri de semnale de zgomot care se pot cupla în senzori și cabluri și pot contamina semnalul dorit. Cei care instalează astfel de senzori trebuie să respecte practicile acceptate de industrie pentru a se asigura că semnalele de ieșire ale senzorilor sunt fiabile, imparțiale și fără zgomot și interferențe.

TENSIUNEA DC

Nivelul de tensiune DC al instrumentului

Sistemele de achiziție a datelor conțin, de regulă, condiționatoare de semnal cu circuite integrate (IC) și multiplexoare la terminalele lor de intrare. Aceste IC-uri nu pot trata mai mult decât ± 10 VDC pe intrare, deși unele pot tolera până la ± 25 VDC. O cale de a limita este de a plasa un divizor de tensiune pe bornele de intrare ale sistemului care reduce tensiunea pentru a îndeplini specificațiile IC. Unele sisteme sunt comutate manual la gama corespunzătoare, în timp ce altele selectează gama automat.

În plus, după conectarea corectă a senzorilor, a subiectului supus testării și a sistemului de achiziție de date, se aplică mai întâi alimentarea la sistemul de achiziție de date. Apoi se alimentează senzorii și, în final, subiectul testat. Unele sisteme de achiziție de date pot fi deteriorate atunci când tensiunile sunt aplicate la intrările lor în timp ce nu sunt alimentate.

TENSIUNEA ÎNALTĂ DC

Tensiunile mai mari de aproximativ 24 VDC sunt considerate drept tensiuni înalte în termenii sistemului de achiziție a datelor. Divizoare de tensiune încorporate sau externe și dispozitive de condiționare speciale de semnal sunt necesare pentru a diviza zeci sau sute de volți până la doar 10 V sau mai puțin pentru a proteja circuitele de intrare ale instrumentului. Un factor esențial pentru siguranța echipamentelor și a operatorilor este utilizarea izolației de înaltă tensiune în cabluri, terminale, conectori, cabluri, senzori și alte componente pentru a preveni scurgerile și arcurile spre terminalele cu potențial scăzut și la obiectele din apropiere.

TENSIUNE JOASĂ DC

În comparație cu tensiunile mari, măsurarea cu succes a semnalelor DC low-level depinde de tehnicile de cablare adecvate între sursa de semnal și dispozitivul de achiziție a datelor. Etajele amplificatorului de intrare în echipamentul de condiționare a semnalului nu pot face distincția între semnalul măsurat și tensiunea de zgomot cuplată în firele de legătură. La măsurarea semnalelor mai mici de un volt, perechile răsucite protejate sau neecranate asigură cea mai bună protecție împotriva captării tensiunii de zgomot. Cele mai bune practici de cablare impun ca ecranele să fie împământate numai la un capăt, preferabil la sursa de semnal.

TENSIUNEA AC

Tensiune AC joasă

Sistemele de achiziție a datelor cu scop general măsoară adesea tensiunile AC low-nivel pe secundarul transformatoarelor de curent în sarcină, al transformatoarelor de potențial coborâtor, sondele de curent fixate, rezistoarele de detectare a curentului sau pe senzorii lipsiți de izolare galvanică. Toate aceste tensiuni AC de low-level trebuie să aibă o componentă de tensiune joasă de mod-comun în raport cu pământul sau flotantă cu scurgeri AC minime. De asemenea, conectați sursa de tensiune la pământ atunci când este necesar.

Nivelul tensiunii AC la priză

În SUA și Canada, cablajul utilitar suportă o tensiune nominală monofazată de 110 VAC, 60 Hz, furnizată cu trei fire; cald, neutru și masă. Europa utilizează de obicei 220 VAC, 50 Hz, iar Japonia furnizează 100 VAC; 50 Hz în Japonia de Est și 60 Hz în vestul Japoniei. În multe fabrici, tensiunile de la 220/230 la 460/480 VAC, monofazate și trifazate, configurațiile Wye și Delta sunt distribuite echipamentelor de control electric și electronic. Toate aceste tensiuni sunt letale și cablurile trebuie să fie conectate sau deconectate de la sistemul de achiziție de date și de la echipamentele supuse încercării cu alimentarea întreruptă.

La conectarea acestor surse de tensiune la sistemele de achiziție a datelor, problemele apar adesea în buclele de masă, care produc zgomot. Există o serie de căderi de tensiune între firul neutru și masă, din mai multe motive, dintre care unele nu pot fi eliminate cu ușurință sau chiar găsite. Practicile acceptate pentru ecranare, împământare și izolare ar trebui urmate cu strictețe. Consultați Capitolul 10 pentru informații mai detaliate referitoare la buclele de masă și la interferențe.

Tensiune înaltă

Similar cu nivelele tensiunii DC, intrările sistemului de achiziție a datelor nu pot trata, în mod tipic, mai mult de ± 10 VAC de vârf. Tensiuni AC mai mari sunt atenuate și scalate cu un etaj de condiționare a semnalului înainte ca acestea să fie procesate. Tensiunile de până la 2.000 V, peak-to-peak, pot fi măsurate cu un atenuator complet diferențial, calibrat pentru a se potrivi cu intrările diferențiale tampon ale unui sistem de achiziție de date. Atenuatoarele sunt în mod obișnuit rețele de divizare a tensiunii conectate de la borna de intrare High la o masă comună.

Cu toate acestea, pentru sistemele cu o intrare diferențială adevărată, nici partea low și nici cea high a intrării nu pot fi conectate direct la masă. Două divizoare de rezistență potrivite atenuează semnalul de intrare, unul pe partea high și celălalt pe partea low. Doar partea low a atenuatorului este legată la pământ. De exemplu, este necesar un dispozitiv auxiliar pentru a oferi o atenuare 200:1 fără a afecta impedanța de intrare ridicată a amplificatorului. Într-un sistem tipic, cele două amplificatoare tampon potrivite, A și B (figura 4.01), pe front-end-ul sistemului de achiziție a datelor, trag curent de polarizarea intrării aproape identic. Divizoarele de tensiune potrivite așezate pe intrările high și low asigură o limitare a curentului simetrică de la oricare dintre intrări și permite intrarea cvasi-diferențială a sistemului de achiziție a datelor să măsoare o tensiune mai mică raportată la comunul analogic. Deoarece ieșirile de la amplificatoarele A și B sunt identice, ele pot fi considerate o tensiune de mod-comun pe care amplificatorul diferențial C o rejectează.

Fig. 4.01. Un sistem tipic de achiziție a datelor necesită uzual un atenuator la intrările sale pentru a accepta tensiuni care depățesc 10 V.

Această schemă atenuează semnalele high și low și permite ambelor capete să floteze sute de volți deasupra masei. De exemplu, intrarea high poate fi de 110 VAC, în timp ce partea low are un offset de 50 VDC. După atenuare, tensiunea de vârf a semnalului de pe partea high este de 0,77 V, iar semnalul pe partea low este de 0,25 V, care se află bine în intervalul lizibil al intrărilor diferențiale ale sistemului de achiziție a datelor.

Când se încearcă o măsurătoare single-ended prin atenuarea numai a semnalului high și prin tragerea semnalului low la masă, se pot dezvolta două probleme. Mai întâi, atunci când masa sistemului de achiziție a datelor și masa semnalului sunt diferite, legarea acestora formează o buclă de masă, ceea ce poate duce la un curent excesiv și poate distruge instrumentul sau echipamentul. A doua componentă de eroare provine de la curenții de polarizare Ib care curg prin pinii de intrare ai celor două amplificatoare operaționale, A și B prezentate în figura 4.02. Curentul de polarizare produce o cădere de tensiune prin divizorul de intrare de pe partea high, dar partea low de intrare nu are o cădere egală. Diferența apare la intrarea amplificatorului diferențial C și produce un offset la ieșirea sa.

Fig. 4.02. Un amplificator diferențial necesită un resistor pe ambele intrări când rulează single-ended, dar numai un rezistor în atenuatorul divizor de tensiune.

Tensiune efectivă, de vârf, medie și RMS

Tensiunile și curenții DC sunt relativ ușor de măsurat și se calculează cu legea lui Ohm. De exemplu, puterea DC este echivalentă matematic cu produsul tensiunii și curentului DC și generează o cantitate unică de energie termică sau realizează o cantitate unică de lucru (mecanic). Prin comparație, calculele de putere pentru tensiunea și curentul AC includ un factor suplimentar, cosinusul unghiului de fază dintre ele, numit factorul de putere. Atunci când undele de tensiune și curent sunt în fază, cosinusul unghiului este unitate, astfel încât produsul de tensiune și curent este o valoare de putere validă măsurată în wați. În cazul în care acestea nu sunt în fază, totuși, factorul de putere este mai mic decât unitatea, astfel încât puterea generată este mai mică decât produsul simplu de tensiune și curent. Într-un caz extrem, de exemplu 90°, cosinusul unghiului de fază este zero, deci puterea este de asemenea zero. Totuși, puterea este atunci total reactivă, nu generează căldură (teoretic) și este numită simplu VA (volt-amperi).

Fig. 4.03. Valoarea numerică pentru tensiune de vârf (peak) AC trebuie să fie de 1,414 ori tensiunea DC pentru a produce același efect de încălzire.

EQN 4.01. Putere DC: P = E x I

unde:
E și I sunt în fază
P = putere, W
E = tensiune DC, V
I = curent DC, A

EQN 4.02. AC Putere AC: P = E x I x Cos Φ

unde:
P = putere, W
E = tensiune AC, V
I = curent AC, A
Φ = unghiul de fază între tensiune și curent

Tensiune efectivă

Forma undei de tensiune AC urmărește o funcție sinusoidală (în mod ideal) și deoarece crește continuu și descrește pe fiecare ciclu, suprafața de sub curbă pentru AC este mai mică decât pentru DC pe aceeași amplitudine (vârf) și perioadă de timp. Astfel, vârful de 100 VAC generează mai puțină căldură decât 100 VDC în aceeași sarcină (a se vedea figura 4.03). Pentru a compensa acest lucru, tensiunile de vârf AC trebuie să fie mai mari decât DC pentru a genera o cantitate echivalentă de căldură. Valoarea tensiunii AC care produce o cantitate echivalentă de lucru (mecanic) ca valoarea DC se numește tensiunea efectivă și este egală cu valoarea DC înmulțită cu 1,414. Deci, 141,4 VAC vârf produce aceeași cantitate de căldură într-o sarcină dată, ca și tensiunea de 100 VDC.

Tensiunea RMS

Pentru ca scalele de voltmetru AC și DC să citească aceeași valoare pentru aceeași cantitate de lucru mecanic efectuată, scalele de voltmetru AC sunt calibrate în valori ale tensiunii RMS (rădăcină medie pătratică). Când se observă 100 VAC rms pe aparat, tensiunea este, de fapt, 141,4 VAC vârf, iar cantitatea de lucru mecanic este egală cu cea de 100 VDC (în aceeași sarcină). În plus, pentru AC, excursia maximă (vârf) pozitivă și excursia negativă maximă sunt aceleași; prin urmare, valoarea vârf-vârf în acest exemplu este de două ori 141,4 sau 282,8 Vp-p (peak-to-peak).

Valoarea tensiunii RMS a unei unde sinusoidale este egală cu valoarea efectivă și este definită ca rădăcină pătrată a mediei pătratelor tensiunilor instantanee măsurate pe un număr dat de cicluri.

Atunci când forma semnalului AC nu este o undă sinusoidală aproape perfectă, voltmetrele obișnuite nu vor indica o valoare AC rms reală. Aparatele speciale și unele sisteme de achiziție a datelor sunt, totuși, concepute pentru a compensa discrepanțele de formă și se numesc aparate de rms adevărate. Ele măsoară și indică valoarea rms reală a semnalului AC, indiferent de distorsiune. Valoarea medie a tensiunii AC este zero, deoarece magnitudinea pozitivă a jumătății ciclului este egală cu magnitudinea negativă a jumătății de ciclu al formei de undă.

CURENT

O problemă fundamentală

Căderile de tensiune sunt relativ ușor de măsurat cu majoritatea instrumentelor, deoarece diferența de tensiune apare între oricare două puncte dintr-un circuit. Circuitul nu trebuie să fie perturbat sau schimbat (cu condiția ca impedanța instrumentului de măsurare să fie ridicată în comparație cu impedanța circuitului măsurat) pentru efectuarea măsurătorilor. Prin comparație, măsurătorile curentului cu conectare directă sunt mai problematice, deoarece curentul apare într-o buclă și buclă trebuie deschisă pentru a introduce ampermetrul. În plus, ampermetrul conține o rezistență sau o impedanță caracteristică care modifică cel mai adesea parametrii circuitului și trebuie compensată pentru a obține măsurători exacte.

Unele instrumente de măsurare curent se pot cupla inductiv și pot avea un efect mic sau deloc asupra parametrilor circuitului. Aceste sonde sunt proiectate atât pentru circuitele AC cât și DC.

Pierderi de inserție

Introducerea unui instrument sau a unui dispozitiv în serie cu circuitul determină modificarea impedanței serie totale. În multe aplicații, componenta adăugată sau senzorul necesită o anumită putere de a funcționa sau scade ceva tensiune rezultând în ceea ce se numește pierderea de inserție. Prin urmare, o anumită putere de semnal poate fi consumată la efectuarea măsurătorilor, care trebuie compensată pentru a oferi o măsurare mai exactă.

Limitări de mod-comun

Majoritatea amplificatoarelor diferențiale, utilizate pentru condiționatoarele de semnal din sistemele de achiziție a datelor, pot susține numai o tensiune limitată de mod-comun, tipic de aproximativ ± 10 VDC. Cu toate acestea, sunt disponibile amplificatoare mai scumpe sau condiționatoare de semnal pentru aplicații speciale care susțin tensiuni de mod-comun care depășesc limita de 10VDC.

O aplicație, de exemplu, implică măsurarea căderii de tensiune pe un rezistor de șunt calibrat în circuitul de încărcare al alternatorului. Când intrarea amplificatorului este conectată la rezistorul de șunt pentru măsurarea mV scalată la curentul de încărcare, tensiunea de mod-comun văzută de intrarea amplificatorului este tensiunea maximă a bateriei, în mod nominal 13,8 VDC, dar poate fi la fel de mare ca 18,5 VDC în timpul încărcării cu curent mare. De aceea, gama de tensiune de mod-comun pentru intrarea sistemului de achiziție de date trebuie să fie mai mare de 18,5 VDC.

Fig. 4.04. Curentul de încărcare a bateriei unui automobil este, tipic, măsurat cu un voltmetru de mână pe un rezistor de șunt, care este total izolat de tensiunea bateriei. Totuși, când un amplificator de intrare al achiziției de date este conectat la șunt, intrarea trebuie să susțină tensiunea de mod-comun reprezentată de baterie.

Șunturi

Instrumentele de achiziție a datelor măsoară, de obicei, curenți DC de nivel înalt (în gama amperilor) ca o cădere de tensiune de 50 sau 100 mV pe un rezistor de șunt calibrat. Figura 4.05 prezintă o aplicație specială pentru măsurări diferențiale în cazul în care cele trei șunturi au un capăt plasat în partea comună a unui circuit cu trei motoare. Acest aranjament oferă o masă comună care poate fi conectată la o unitate de monitorizare ieftină, cu o intrare neizolată, de joasă tensiune. Din nefericire, nu toate circuitele care au nevoie de mai mult de un șunt vor avea un capăt al fiecărui șunt conectat convenabil la un punct comun. În aceste cazuri, sunt recomandate amplificatoare de intrare analogice, izolate, mai scumpe. Sistemele de achiziție a datelor măsoară curenții DC de nivel mic cu șunturi.

Mulți senzori dau un curent standard de 4 până la 20 mA, care este linear legat de cantitatea măsurată. Curentul semnal trece prin rezistorul șunt, ca în fig. 4.06, și tensiunea căzută pe șunt reprezintă intrarea pentru ADC.

Legea lui Ohm definește natura acestui circuit simplu în care produsul rezistenței (R) și curentului (I) produce tensiunea: V = IR. În consecință, atunci când sistemul de achiziție a datelor necesită o intrare de 10 V pentru o citire la scală maximă de 20 mA, un rezistor de 500 Ω face relația:

EQN. 4.04. Rezistența șuntului: R = V/I = 10 V/0,02 A = 500 Ω.

Bucla de curent asigură o imunitate la zgomot și o acuratețe mai mari decât o sursă de tensiune atunci când se măsoară cu conductori lungi de rezistență relativ ridicată. În acest caz, rezistența conductorilor face parte din cei 500 Ω, astfel că într-un circuit simplu serie, rezistorul șunt este adesea ajustabil pentru a calibra bucla la scală maximă de exact 20 mA.

Acuratețea și stabilitatea tensiunii măsurate pe șunt sunt doar la fel de exacte și stabile ca și rezistorul de șunt. Toleranțele la rezistoare sunt de obicei 5, 1, 0,5, 0,1 și 0,01% și au un coeficient de temperatură care specifică stabilitatea lor pe un anumit interval de temperatură. În plus, o rezistență de 0,1% are, de obicei, un coeficient de temperatură mai scăzut și o stabilitate mai bună pe termen lung decât un rezistor cu o precizie mai scăzută datorită construcției sale, care este, de obicei, o ramă de sârmă sau o peliculă metalică față de pelicula de carbon sau compoziție de carbon.

Transformatoare de curent

Curenții AC mari pot fi măsurați cu șunturi în circumstanțe speciale, dar cel mai adesea astfel de conexiuni directe la liniile AC sunt extrem de periculoase pentru oameni. O modalitate de a depăși pericolul este utilizarea transformatoarelor de curent (CT) care izolează tensiunile AC de linie și reduc curentul de intrare cu un raport specificat (vezi figura 4.07). Un CT de 500:5, de exemplu, are un raport de 100:1 și generează un curent secundar de 5 A cu 500 A în primar. Când un rezistor de sarcină cu valoare mică, cum ar fi 0,01 Ω, se conectează la ieșirea transformatorului de curent, curentul secundar de sarcină maximă produce 50 mVrms, care poate fi ușor de citit cu intrarea analogică a sistemului de achiziție a datelor. Deși această tensiune de ieșire pare scăzută, valori mai ridicate ale rezistenței vor conduce CT în afara intervalului său calibrat și vor reduce acuratețea măsurătorilor. În plus, un CT calibrat la 2 VA poate manevra numai o rezistență de sarcină maximă (incluzând firele de legătură) de 0.08 Ω.

Fig. 4.07. Transformatoarele de curent sunt un mijloc convenabil de a măsura curenții AC mari. Tensiunea căzută pe rezistor este proporțională cu curentul prin transformator.

Pentru siguranță, asigurați-vă întotdeauna că buclele de curent sunt închise înainte de a aplica alimentarea. Un CT cu circuit deschis poate genera multe mii de volți la terminalele sale cu nivele letale de curent. De exemplu, luați în considerare un transformator de curent de 5.000:5-A cu o rație de transformare de 1.000 la 1 și un semnal de ieșire 10 VAC dezvoltat pe o sarcină calibrată cu impedanță redusă. Tensiunea din secundar cu circuit deschis este 1000 X 10 = 10.000 VAC, un nivel foarte periculos de conectare sau deconectare la un rezistor de șunt al sistemului de achiziție de date.

Senzori cu efect-Hall

În 1879, Dr. Edwin Hall a descoperit principiul fundamental de funcționare al senzorului numit după el. Senzorul de bază cu efect-Hall funcționează sub influența a trei parametri; curent, tensiune și un câmp magnetic. Hall a trecut un curent constant printr-un conductor de folie de aur în timp ce expune suprafața conductorului la un câmp magnetic. O cădere de tensiune a apărut de-a lungul părților opuse ale conductorului, cu o magnitudine dependentă de proprietatea materialului senzorului (coeficientul Hall) și proporțională cu intensitatea câmpului magnetic (vezi figura 4.08).

Un dispozitiv modern Hall înlocuiește conductorul original cu o foaie subțire de material semiconductor. Tensiunea de ieșire apare între două margini opuse ale foii atunci când suprafața plană este expusă unui câmp magnetic și un curent calibrat este injectat peste celelalte două margini opuse.

Figura 4.08. Când fie tensiunea, fie curentul sunt regulate și calibrate, dispozitivul cu efect Hall poate fi folosit ca un senzor de flux magnetic. Portul neregulat furnizează un semnal de ieșire proporțional cu magnitudinea sau densitatea de flux necunoscute. Totuși, un senzor de proximitate cu efect Hall sau comutator este o componentă utilizată pe scară largă, bazată pe acest principiu.

Senzorul cu efect-Hall este ideal pentru măsurarea câmpurilor magnetice sau a puterii AC și DC. Pentru aplicațiile de alimentare, devine un dispozitiv multiplicator. Se înmulțește în mod automat tensiunea și curentul pentru a obține puterea și include factorul unghi de fază ca o proprietate integrală. O bobină electromagnetică generează câmpul Beta cu miezul său perpendicular pe suprafața subțire a elementului Hall din interiorul unui pachet ecranat. Bobina se conectează în serie cu sarcina pentru a detecta curentul de sarcină, iar tensiunea de sarcină se conectează pe elementul semiconductor, așa cum se arată în figura 4.09. Vectorul de curent rezultat comandă un dispozitiv de citire calibrat în wați sau devine un semnal de comandă la un controler de putere într-un circuit cu buclă închisă. Deoarece materialul din elementul Hall este sensibil la temperatură, un wattmetru cu efect Hall conține circuite de compensare a temperaturii. Ecuația de definire pentru ieșire este produsul vectorilor:

EQN: 4,05. Puterea senzorului cu efect Hall: P = E x I x Cos (ϕ)

unde:
P = puterea în sarcină, W
E = tensiunea de sarcină, V
I = curent de sarcină, A
ϕ= unghiul de fază dintre tensiunea de sarcină și curentul de sarcină

Fig. 4.09. Un senzor cu efect Hall este un wattmetru ideal pentru măsurarea puterii AC. El include, inerent, unghiul de fază dintre vectorii de tensiune și curent ca un factor de multiplicare pentru a converti VA în W.

Un senzor cu efect Hall destinat măsurării unui câmp magnetic este construit astfel încât suprafața plană a elementului senzor să fie expusă câmpului magnetic. O tensiune sau curent calibrat se aplică marginilor semiconductorului, așa cum este descris mai sus, iar unitatea este calibrată pentru a măsura cu precizie un domeniu specific de valori Beta (flux magnetic). Același principiu este utilizat pe scară largă într-un comutator cu efect de Hall, unde polarizarea câmpului magnetic poate fi aplicată cu un magnet permanent și o tijă cu fantă alternativ întrerupe traseul fluxului. Ieșirea senzorului comută între o tensiune low și o tensiune high, deoarece traseul fluxului este întrerupt. Un astfel de dispozitiv a fost folosit ca un comutator pentru mulți ani în numeroși distribuitori din automobile pentru a înlocui punctele de aprindere.

REZISTENȚA

Ohmmetrele obișnuite măsoară rezistența indirect prin injectarea unui curent mic în rezistorul testat și măsurarea căderii de tensiune rezultate pe terminalele sale. Rezistoarele de referință de precizie sunt numite contoare de măsurare analogice scalabile pentru a citi în porțiunea de mijloc a scalei sale, în timp ce ohmmetrele digitale sunt scalate fie manual, fie automat pentru a poziționa corect punctul zecimal. Multimetre digitale (DMM) aplică în mod similar o tensiune DC pe un rezistor necunoscut și un rezistor șunt de precizie. Curentul de testare generează o cădere de tensiune pe rezistența șuntului, care este citită de către ADC pentru a scoate o valoare digitală a rezistenței necunoscute. Sistemele de achiziție a datelor, cu toate acestea, nu citesc în mod normal ohmi direct; ele măsoară tensiunile și rapoartele de tensiune pe divizoare de rezistență cunoscute și necunoscute și calculează valorile rezistenței echivalente.

Metoda divizorului de tensiune

Rezistența circuitelor divizoare de tensiune poate utiliza amplificatoare de intrare single-ended sau diferențiale (vezi figura 4.10). Rezistorul de referință cunoscut trebuie să aibă o valoare apropiată de valoarea necunoscută, iar tensiunea sursei ar trebui să fie suficient de mică pentru a se asigura că curentul se încadrează în limite acceptabile, cum ar fi 1,0 mA sau mai puțin. De exemplu, atunci când măsurați un rezistor necunoscut în apropiere de 1000 Ω, selectați un rezistor de referință de 1000 Ω și o sursă de alimentare de 2,0 VDC. Acest lucru produce un curent de 2/2.000 = 1 mA. Un rezistor de referință de 1000 Ω păstrează curentul relativ scăzut și măsoară în mod satisfăcător valori necunoscute până la gama de 100 Ω. Valoarea rezistorului necunoscut este calculată din:

EQN. 4.06. Rezistorul divizorului de tensiune Ru = (Rk)(Vm)/(Vs - Vm)

unde:
Vm = tensiunea de intrare măsurată, V
Vs = tensiunea sursei, V
Rk = rezistența cunoscută, Ω
Ru = rezistență necunoscută, Ω

De exemplu:
unde:
Vs = 2 V
Vm = 1,10 V
Rk = 1000 Ω
Ru = rezistor necunoscut , Ω

Atunci : Ru = (1k) (1,10V) / (2,0-1,10 ) Ru = (1,100) / (0,90) = 1.222,2 Ω

Fig. 4.10. Divizoarele de tensiune rezistive lucrează cu amplificatoare single-ended sau diferențiale și un rezistor de referință a cărui valoare este aproape de valoarea rezistorului necunoscut.

Curent constant/Cădere de tensiune

Metodele sursă de curent/cădere de tensiune de a măsura rezistențe necunoscute utilizează ambele circuite cu două și cu patru fire. Circuitele cu două fire ar trebui să fie evitate pentru măsurarea rezistențelor joase spre moderat, deoarece firele și conexiunile de legătură pot face parte din rezistența totală (care se adaugă la valoarea necunoscută).

Deviații mici

Erorile de măsurare a rezistenței provin din mai multe surse. Cele mai frecvente erori ale circuitelor cu rezistență scăzută pentru metodele simple curent constant/cădere de tensiune folosind două fire provin din rezistența firului de legătură și conexiunile adăugate rezistenței necunoscute. Păstrarea scurtă a firelor de legătură și utilizarea circuitelor cu patru fire, cum ar fi conexiunile Kelvin, pot reduce aceste erori. Erori la măsurătorile de rezistență ridicată pot rezulta din rezistența de șuntare a izolației, cum ar fi în cazul corpurilor de legare și de conectare. Atunci când utilizați o sursă de curent și măsurați căderea de tensiune, utilizați dispozitive de măsurare cu impedanță mare de intrare, indiferent dacă sunt voltmetre sau intrări ale condiționatorului de semnal. Pentru măsurători de rezistente extrem de mari, utilizați o sursă de tensiune și măsurați curentul folosind fire scurte și conexiuni robuste.

PUNTEA WHEATSTONE

Principiu de bază

Puntea Wheatstone măsoară adesea rezistențe precis și schimbări extrem de mici de rezistență. Un circuit tipic de punte este aranjat într-un model simetric de rezistori paralel-serie de valori egale pe o sursă de energie, așa cum se arată în figura 4.11. Când toate rezistoarele sunt identice, căderea de tensiune pe ele este egală, iar tensiunea dintre nodurile A și B este zero. Atunci când una sau mai multe rezistențe nu sunt egale, cum este, de obicei, rezistorul testat, puntea se dezechilibrează și un aparat de nul introdus între noduri măsoară valoarea de dezechilibru. Un rezistor reglabil sau un potențiometru pot fi plasate într-un braț al punții pentru a reechilibra manual circuitul. Când potențiometrul acționează aparatul înapoi la zero, valoarea sa este egală cu cea a rezistenței necunoscute. Potențiometrul vine cu un dispozitiv de citire calibrat precis, care indică rezistența sa, care este de fapt valoarea rezistorului necunoscut.

Fig. 4.11. Un rezistor necunoscut plasat în unul dintre brațele unei punții Wheatstone dezechilibrează simetria circuitului și produce o tensiune de offset la nodurile A și B. Dar prin ajustarea unui rezistor variabil de precizie din brațul opus se aduce circuitul înapoi în echilibru, când egalează valoarea rezistorului necunoscut, care poate fi citită pe un disc calibrat.

Alternativa buclei Anderson

Bucla Anderson de bază este adesea comparat cu un circuit pasiv în punte, dar oferă măsurători de precizie mai mari cu o tensiune de excitație mai mică. În plus, aceasta conține un amplificator, care îl pune în clasa unui dispozitiv activ.

Bucla Anderson de bază este un circuit serie compus dintr-un element de detectare în serie cu un element de referință alimentat de o sursă de curent constant. Un amplificator operațional dual-diferențial cu stabilitate ridicată la temperatură și CMRR ridicat, numit subtractor, furnizează răspunsul la ieșire din elementul de detectare (vezi figura 4.12). Avantajul acestei topologii constă în capacitatea sa de a ignora modificările în rezistența firelor de legătură și de a amplifica numai modificările de ieșire ale elementului de detectare.

Fig. 4.12. Bucla Anderson utilizează un singur circuit subtractor, care elimină erorile provenite din rezistența firelor de legătură. Ea măsoară numai modificarea rezistenței elementului de detectare.

Răspunsul de ieșire Vout al unui circuit bazat pe mărci tensometrice este definit de:

EQN. 4.07. Ieșirea buclei Anderson Vout = A1V1 - A2V2

Vout = Ir (ΔRg)

unde:
A1 = factorul de amplificare al etajului 1
A2 = factorul de amplificare al etajuluii 2
V1 = tensiunea pe marca tensometrică de detecție, V
V2 = tensiunea de referință pentru marca tensometrică, V
Ir = curent constant, A
ΔRg = variația de rezistență a mărcii tensometrice, W

Circuitul nu este limitat la un singur senzor; acesta poate fi extins pentru a conține numeroși senzori în serie, cum ar fi o rozetă de mărci. Acesta poate fi conectat la condiționatorul de semnale cu numai șase fire plus unul comun, așa cum este ilustrat în figura 4.13. Avantajele suplimentare includ o tensiune de ieșire care este liniară pentru răspunsul fiecărei mărci tensometrice, necesită doar un sfert din puterea necesară pentru circuitul în punte convențional, iar tensiunea de ieșire a buclei este de două ori mai mare decât cea a unei mărci tensometrice convenționale. al tensiunii. Faptul că semnalul de ieșire al buclei Anderson este de două ori mai mare decât cel al unui circuit în punte Wheatstone cu mărci tensometrice reprezintă o creștere de 6 dB a raportului semnal-zgomot.

Fig. 4.13. Bucla Anderson poate fi conectată la mai mulți senzori legați în serie cum ar fi în această rozetă de mărci.

Răspunsurile de ieșire ale unui aranjament multiplu de mărci tensometrice pot fi exprimate ca:

EQN 4.08. Ieșirea mărcilor tensometrice multiple:

V1out - Vref = IΔR1
V2out - Vref = IΔR2
V3out - Vref = IΔR3
V4out - Vref = IΔR4

unde:
Rref = Rn rezistența nominală a mărcii
Vnout = tensiunea de ieșire, V
I = curent constant, A
ΔRn = variația rezistenței mărcii tensometrice n, Ω
Vref = tensiunea de referință, V

Semnificația tensiunii semnalului de ieșire, IΔRn este faptul că aceasta este în principal o funcție de variația rezistenței sau impedanței elementului de detectare, nu este rezistența terminală absolută.

MĂSURĂTORI SINGLE-ENDED ȘI DIFERENȚIALE

Principii de bază

Sistemele de achiziție a datelor oferă atât conexiuni de intrare single-ended, cât și conexiuni diferențiale. Diferența de bază dintre cele două este alegerea conexiunii comune pentru intrările de tensiune analogică. Măsurătorile multi-canale single-ended necesită ca toate tensiunile să fie raportate la același nod comun, bine ales, pentru a preveni anumite tipuri de erori de măsurare. Uneori însă, un punct comun ideal nu poate fi asigurat și este necesară o intrare diferențială.

Conexiunile diferențiale anulează sau ignoră tensiunile de mod-comun și pot măsura diferența dintre cele două puncte conectate. Tensiunile de mod-comun rejectate pot fi nivele DC stabile sau spike-uri de zgomot. Când se poate, este preferată intrarea diferențială.

Când trebuie să efectuați măsurători single-ended

Atunci când sunt oferite măsurători de intrare single-ended și diferențiale în același sistem de achiziție de date, intrările diferențiale consumă de obicei două intrări single-ended. Asta înseamnă că 16 canale single-ended ale amplificatorului de intrare sunt egale cu 8 canale diferențiale ale amplificatorului de intrare. Atunci când sensibilitatea la zgomot și buclele de masă nu reprezintă o preocupare, măsurătorile de intrare single-ended pot fi satisfăcătoare.

Când să efectuați măsurători diferențiale

Măsurătorile diferențiale necesită un amplificator diferențial pentru măsurarea diferenței de tensiune dintre cele două conductoare de semnal de intrare. Amplificatoarele diferențiale sunt preferate deoarece oferă o mai mare rejectare a zgomotului decât amplificatoarele single-ended. Mai mult, unii senzori, în special mărcile tensometrice, necesită măsurarea diferenței de tensiune dintre cele două puncte de semnal. Figura 4.14 prezintă un amplificator diferențial configurat pentru un termocuplu. Deși amplificatorul măsoară diferența de tensiune dintre cele două intrări, este necesară o cale către masă la cel puțin o intrare a amplificatoarelor. Rezistorul de 10 kΩ între partea low și masă oferă o cale pentru curentul de polarizare al amplificatorului.

Fig. 4.14. Rezistorul este necesar la cel puțin o intrare pentru a realiza o cale la masă pentru curenții de polarizare ai amplificatorului.

Dacă rezistorul este absent sau prea mare în valoare, curentul de polarizare comandă intrarea la una dintre valorile șinei de alimentare, saturând amplificatorul, care depășește gama de mod-comun obișnuit de ± 10 V. Tensiunea de mod-comun generată de curentul de polarizare, ib, este:

EQN. 4.09. Tensiunea de mod-comun: Vcm = 2ibRb

unde:
ib = curent de polarizare, A
Rb = rezistență de polarizare, Ω

Valoarea minimă pentru Rb poate fi la fel de mică ca un scurt-circuit (pe o singură parte), ceea ce reduce la o configurație de intrare single-ended. În caz contrar, în condiții mai nefavorabile, eroarea de tensiune în procente a tensiunii aplicate, din cauza rezistenței sursei și Rb, este:

unde:
ΔE = eroare, %
Rs = rezistența sursei, Ω
Rb = rezistența de polarizare, Ω

Acest lucru se aplică la Rb pentru un circuit echilibrat, unde rezistențele de polarizare se află pe ambele intrări. Valorile pentru Rb variază de obicei între 10 kΩ și 10 MΩ. Dacă ambele ecuații nu pot fi satisfăcute simultan, rezistența sursei este prea mare pentru a funcționa în cadrul specificațiilor.

Unele intrări ale amplificatorului vin cu rezistențe de polarizare încorporate pentru măsurători diferențiale, în timp ce utilizatorii furnizează rezistoarele de polarizare pentru intrări de impedanță extrem de mare. Cu toate acestea, un rezistor de polarizare furnizat de utilizator poate duce la scăderea drastică a impedanței de intrare în sistemele neizolate și la încărcarea circuitelor măsurate. Alte sisteme de achiziție a datelor oferă o gamă adecvată de rezistoare care pot fi comutate la comunul analogic (împiedicând utilizatorii să selecteze un rezistor incorect). Alternativ, utilizatorii pot deconecta toate rezistoarele atunci când există deja o cale DC la senzor pentru curentul de polarizare ca să curgă de la intrările amplificatorului la comunul analogic.

Luați în considerare marca tensometrică din figura 4.15. Atunci când tensiunea de excitație este raportată la același comun ca amplificatorul diferențial, rezistoarele de polarizare nu sunt necesare deoarece marca tensometrică însăși asigură o cale de curent la masă pentru amplificatorul de instrumentație. Cu toate acestea, atunci când amplificatorul de instrumentație flotează sau este raportat la un comun diferit, este necesar cel puțin un rezistor de polarizare. O terminare echilibrată cu un rezistor de 100 kΩ poate fi, de asemenea, utilizată.

Fig. 4.15. Când tensiunea de referință a mărcilor tensometrice și amplificatorul împart același terminal comun, nu mai sunt necesare rezistoarele de polarizare comutate.

Raportul de rejectare de mod-comun, CMRR, este o specificație critică a amplificatorului și o măsură de calitate a instrumentelor care efectuează măsurători diferențiale. Un CMRR mare este necesar pentru a măsura cu acuratețe un mic semnal diferențial pe o tensiune de mod-comun mare. CMRR specifică efectul maxim al tensiunii de mod-comun pe o măsurătoare diferențială. Figura 4.16 prezintă semnalul de ieșire fără zgomot de intrare de mod-comun după trecerea prin amplificatorul diferențial.

Fig. 4.16. Amplificatorul diferențial rejectează tensiunile care sunt comune la ambele linii.

Cele două vârfuri de zgomot care intră în amplificator sunt egale în fază și amplitudine, astfel încât amplificatorul diferențial le anulează. Un CMRR al unui amplificator este de obicei specificat în decibeli, dB, un raport de două tensiuni care pot fi diferite prin magnitudine mare și determinate de:

EQN. 4.11. Raportul de rejectare a modului comun: dB = 20 log (V1/V2)

unde:
V1 = tensiune mai mare, V
V2 = tensiune mai mică, V

De exemplu, un raport de 10 este egal cu 20 dB, un raport de 100 este egal cu 40 dB și fiecare factor suplimentar de 10 adaugă alte 20 dB la sumă. Mai mult, un amplificator cu o specificație de 100 dB corespunde unui raport de 100.000, astfel încât un instrument cu un CMRR de 100 dB care măsoară un semnal pe o tensiune de mod-comun de 1 volt poate avea o eroare de 0,01 mV. Dacă tensiunea de mod-comun este mai mare sau dacă este necesară o acuratețe mai mare, este necesar un amplificator cu un CMRR de cel puțin 120 dB, cu un raport de un milion la unu.

Calculați CMRR pentru un amplificator diferențial dat într-o fișă de date:

unde Adiff = câștig diferențial = 10
Acm = câștig de mod-comun = 0,001553

EQN. 4.12. Raportul de rejectare al modului-comun: CMRR = Adiff /Acm

CMRR = 10/0,001553

CMRR = 6.439

Găsiți CMRR în dB:

EQN. 4.13. Exemplu CMRR: CMRRdB = 20 log 6439 = 20 (3,820) = 76,4 dB

Măsurători de tensiune înaltă de mod-comun

Frecvent, trebuie măsurată o tensiune mică transmisă pe o tensiune mult mai mare. De exemplu, atunci când un termocuplu este așezat pe un terminal al unei baterii, intrarea condiționatorului de semnal trebuie să poată măsura ieșirea în milivolți a termocuplului în timp ce suprimă tensiunea bateriei. Când tensiunea de mod-comun este mai mică de 15 V, un amplificator de instrument cu intrări diferențiale poate citi tensiunea termocuplului în timp ce ignoră tensiunea bateriei. În cazul în care tensiunea de mod-comun este mai mare de 15 V, este însă necesar un amplificator de izolare (vezi și figura 4.04).

Deși izolarea nu protejează amplificatoarele împotriva tensiunii de intrare excesive (tensiune pe o pereche de intrări), aceasta protejează împotriva tensiunii excesive de mod-comun. Izolarea elimină un curent potențial mare și dăunător care ar putea curge de la sursa de semnal datorită tensiunii de mod-comun.

Câteva metode de izolare implică în mod inerent o rejectare a tensiunii înalte de mod-comun. Fiecare canal poate avea un amplificator de izolare sau un grup de canale (nu izolat unul de celălalt) pot fi multiplexate și digitalizate de un ADC înainte ca datele digitale să fie izolate. Barierele de izolare pot fi optice, magnetice sau capacitive. Cele mai obișnuite tipuri sunt optocuploarele compuse din diode cu emisie de lumină (LED)- în infraroșu (IR), detectate de fotodiode aflate pe partea opusă a unei bariere de cuarț de înaltă tensiune. Optocuploarele pot transmite date numerice în trenuri de impulsuri seriale sau unde sinusoidale și trenuri de impulsuri a căror frecvență sau lățime de impulsuri pot fi modulate cu semnale analogice. Variația curentului LED, așa cum se arată în figura 4.17, poate de asemenea să transmită informații analogice. Barierele magnetice utilizează transformatoare iar barierele capacitive sunt, în general, interne și sunt utilizate în amplificatoare de izolare monolitice sau hibride.

În izolarea cuplată în frecvență, un semnal purtător de frecvență înaltă este cuplat inductiv sau capacitiv peste bariera de izolare. Semnalul este modulat pe partea de intrare și demodulat pe partea de ieșire pentru a reproduce semnalul inițial de intrare.

ADC-urile izolate și circuitele lor de condiționare a semnalului ce le însoțesc flotează. ADC convertește semnalul de intrare într-un semnal digital, iar interfața pentru transferul codului digital este izolată digital (vezi Capitolul 6).

Fig. 4.17. Când se fac măsurători cu tensiune de mod-comun înaltă, opto-cuploarele sunt un mijloc convenabil și sigur pentru conectarea tensiunii la sisteme de achiziție a datelor.

CONECTĂRI KELVIN

Principiu de bază

Circuitele în punte Wheatstone sunt ohmmetre exacte, simple, sensibile și convenabile pentru a funcționa atunci când puntea, rezistența necunoscută și citirea sunt situate aproape una de cealaltă. Dar când circuitul de excitație și de reglare este situat la câțiva metri distanță de circuitul punții, rezistența legăturilor, RL poate provoca o eroare la tensiunea de excitație.

O modalitate de rezolvare este de a folosi o conectare Kelvin, o metodă care conectează circuitele de excitație și de reglare la puntea cu patru fire.

Două fire poartă curentul de excitație, iar celelalte două, linii de sens, măsoară tensiunea de excitație la punte și nu transportă curent. Deoarece circuitul de condiționare a semnalului are o impedanță de intrare ridicată, prin legăturile de intrare circulă curenți mici, astfel încât rezistența lor nu introduce erori semnificative (vezi figura 4.18).

Exemple de măsurători tip Kelvin

Un exemplu de circuit Kelvin ilustrează un ohmmetru compus dintr-o sursă de curent și un voltmetru (a se vedea figura 4.19). Voltmetrul măsoară tensiunea scăzută pe rezistența de sarcină, astfel încât valoarea rezistorului este pur și simplu V/I. Acuratețea rezistenței calculate în această configurație este direct proporțională cu acuratețea ampermetrului și a voltmetrului. Rezistența este calculată cu legea Ohm:

EQN: 4.14. Rezistența în conectare Kelvin: Ru = V/I

unde:
Ru = rezistența necunoscută, Ω
V = citirea voltmetrului, V
I = măsura ampermetrului, A
Rw = rezistența legăturilor
Vs = sursa de tensiune

Fig. 4.18. Conectarea Kelvin elimină rezistența legăturilor de la alterarea tensiunii de excitație prin utilizarea unei perechi secundare de fire. Dispozitivul de măsurare are impedanța de intrare relativ mare astfel că el nu consumă curent și nu produce cădere de tensiune pe legăturile sale, care ar fi putut adăuga o eroare.

Deși sarcina sau rezistorul necunoscut poate fi localizată la o distanță considerabilă de ampermetru și voltmetru, pe conductoarele lungi ale voltmetrului, în circuitul echivalent Kelvin, nu cade tensiune semnificativă, deoarece ele conduc un curent neglijabil. Mai mult, sunt disponibile clipsuri Kelvin special concepute care se conectează la sarcină cu o cădere minimă a tensiunii la balamalele clipsului și la suprafețele de contact.

Voltmetru calibrat în ohmi
Rm = Rezistoare de multiplicare
Rw = Rezistența legăturilor
Ru = Rezistor necunoscut
Vs = Sursa de tensiune
Is = Sursa de curent

Fig. 4.19. Circuitul de bază al ohmmetrului conține o sursă de curent și rezistoare de multiplicare astfel că scala voltmetrului poate fi calibrată în Ω. Conectarea Kelvin utilizează mai multe seturi de legături pentru a elimina rezistența legăturilor ca o variabilă în ecuația pentru ambele măsurători, locală și de la distanță.