Что искажает показания промышленных датчиков?

Журнал РАДИОЛОЦМАН, июнь 2013

Jason Seitz, Texas Instruments

EDN

В современных системах промышленной автоматики и управления процессами присутствует огромное количество датчиков, измеряющих такие параметры, как давление, температура, уровень токсичного газа, водородный показатель (pH). Датчики делают промышленные процессы более безопасными, эффективными и менее затратными. Однако каждый тип датчиков имеет свой набор уникальных характеристик, что приводит к усложнению задачи проектирования. Подключение к таким сенсорам для получения точных показаний имеет первостепенное значение. В этой статье мы рассмотрим типы датчиков, проанализируем связанные с ними проблемы и приведем решения, необходимые для разработки точных систем измерения.

Одна из наиболее популярных величин, измеряемых в промышленных процессах – температура. Температура может быть измерена различными датчиками, включая термопары, резистивные детекторы температуры (RTD) и термисторы. Для измерений в широких температурных диапазонах разработчики систем часто используют термопары.

Например, термопара типа C имеет диапазон от 0 до 2320 °C. Принцип работы термопар основан на эффекте Зеебека, заключающемся в том, что при соединении двух разнородных металлов напряжение, возникающее в зоне контакта, пропорционально его температуре. Термопары являются биполярными устройствами, вырабатывающими положительное или отрицательное напряжение, в зависимости от разности температур между горячим и опорным холодным спаем. В связи с этим, во-первых, для термопары требуется смещение, так как при однополярном питании она не будет выдавать напряжение ниже земли. Во-вторых, для получения правильных результатов необходимо знать температуру холодного спая. Эта температура может быть измерена с помощью специальных микросхем, например, LM94022. Одним из недостатков термопар по сравнению с другими датчиками температуры является невысокая точность, которая обычно бывает хуже ±1 °С.

Если для системы требуется бóльшая точность в меньшем диапазоне температур, скажем, менее 660 °С, разработчик может выполнять измерения с помощью RTD, точность которого может быть лучше ±1 °C. RTD представляют собой резистивные элементы, сопротивление которых зависит от температуры среды, в которую они помещены. Такие датчики выпускаются в конфигурациях с двумя, тремя или четырьмя выводами. С увеличением числа выводов увеличивается и точность. Для RTD необходимо внешнее возбуждение в виде источника тока. Обычно для таких RTD, как PT100 (100 Ом при 0 °C) и PT1000 (1000 Ом при 0 °C), используются источники тока от 100 мкА до 1 мА.

Точность до ±0.1 °C, но в еще меньшем диапазоне температур (менее 100 °C), может быть получена с помощью термисторов. Как и у RTD, их сопротивление меняется при изменении температуры. Обычно термисторы включаются в делитель напряжения, где второй резистор имеет сопротивление, равное номинальному (при 25 °C) сопротивлению термистора. Один контакт термистора соединен с питанием, а другой с резистором, второй конец которого идет на землю (Рисунок 1). Для определения температуры измеряют напряжение в средней точке делителя. При 25 °C должно быть +V/2. При любом отклонении от этого значения можно рассчитать сопротивление термистора и по справочной таблице узнать измеряемую температуру окружающей среды.

Рисунок 1.	Схема подключения термистора.

Таким образом, датчикам температуры необходимо смещение (напряжения или тока). Если применяется термопара, то необходима компенсация холодного спая. Компания TI предлагает законченное решение, удовлетворяющее всем этим требованиям. LMP90100 представляет собой 24-разрядную схему сопряжения аналоговых сигналов с четырьмя дифференциальными или семью несимметричными входами, двумя согласованными программируемыми источниками тока и непрерывной фоновой калибровкой (Рисунок 2). LMP90100 является конфигурируемой микросхемой, идеально подходящей для различных приложений, в которых используются датчики температуры.

Рисунок 2.  24-разрядная конфигурируемая микросхема LMP90100 предназначена для сопряжения с различными датчиками температуры.

Использующие мост Уитстона датчики деформации (тензодатчики) и датчики нагрузки повсеместно применяются для измерения давления, силы и веса. Любая нагрузка, приложенная к датчику, вызывает изменение сопротивления и соответствующее изменение дифференциального напряжения на выходе датчика (Рисунок 3). Это напряжение невелико, и обычно составляет милливольты, поэтому его усиливают до полного динамического диапазона преобразователя данных. Чтобы сделать схему сопряжения универсальной, гибкой и способной работать с разнотипными датчиками, усилитель обязательно должен содержать каскад с программируемым коэффициентом усиления. Кроме того, усилитель должен иметь низкий уровень шума, малое смещение и малый дрейф.

Рисунок 3.  Схема моста Уитстона. Любое увеличение или уменьшение сопротивления датчика приводит к изменению выходного напряжения.

Для датчиков этих типов также требуется возбуждение в виде напряжения смещения. Наиболее распространенным видом отказов датчиков давления, искажающих результаты измерений, являются обрывы или короткие замыкания в мосте. Еще сложнее обнаружить причину выхода сигнала из допустимого диапазона, обусловленную повреждением или деградацией чувствительного элемента датчика. Решением всех этих проблем будет использование диагностической схемы, которая инжектирует небольшой ток в резистивную цепочку моста Уитстона и затем измеряет полученное напряжение. Например, если выходы моста имеют одинаковый потенциал (V+/2), означает ли это то, что к датчику не приложено давление? Или это происходит потому, что в системе имеется неполадка, закорачивающая выходы? Ответить на вопрос можно будет после подачи тока в один из дифференциальных выходов и измерения дифференциального напряжения между выходами. При отсутствии неисправностей дифференциальное напряжение будет равно падению напряжения на резисторах моста. Однако если в схеме есть короткое замыкание, то либо падения напряжения не будет совсем, либо оно будет очень незначительным.

Короче говоря, датчикам на основе моста Уитстона необходимо напряжение возбуждения, усилительный каскад с программируемым усилением, низким уровнем шумов и малым смещением, а также цепь диагностики. Для работы с такими датчиками, опять же, хорошо подойдет микросхема LMP90100. Выполняемая ею непрерывная фоновая диагностика датчика позволяет обнаруживать обрывы и короткие замыкания, а также сигналы, выходящие за допустимый диапазон. По завершению каждого цикла преобразования микросхема инжектирует в канал не искажающую результатов измерения порцию тока, характер отклика на который указывает на состояние датчика. Диагностика обеспечивает непрерывное неинвазивное обнаружение неисправностей, помогает в анализе их причин и сводит к минимуму время простоев системы.

Электрохимические элементы обычно используются для измерения концентрации различных токсичных и нетоксичных газов, таких как окись углерода, кислород и водород. Они основаны на принципах химического окисления и восстановления и вырабатывают ток, пропорциональный процентному содержанию измеряемого газа. Большинство таких элементов состоит из трех электродов: рабочего, интегрирующего, или противоэлектрода, и опорного. Рабочий электрод окисляет или восстанавливает газ и вырабатывает ток, пропорциональный концентрации этого газа. Противоэлектрод уравновешивает генерируемый ток, а опорный электрод поддерживает потенциал рабочего электрода в пределах установленной рабочей области. Электрохимические элементы предназначены для подключения к потенциостатическим цепям, которые подводят ток (и при необходимости смещение) к противоэлектроду, поддерживая на рабочем электроде тот же потенциал, что и на опорном, и преобразовывают выходной ток рабочего электрода в напряжение с помощью трансимпедансного усилителя.

Характеристики электрохимических датчиков, как и многих других, зависят от температуры. Для получения достоверных результатов необходимо измерять температуру элемента и на основании приводимых в технической документации температурных зависимостей параметров выполнять соответствующую коррекцию.

Величина тока рабочего электрода датчика определяется самим датчиком, видом газа и уровнем его концентрации. Для компенсации разброса используют трансимпедансные усилители с регулируемым коэффициентом усиления. Обычно токи датчиков лежат в диапазоне от единиц до сотен микроампер, поэтому коэффициент усиления должен находиться в пределах от единиц до сотен килоом.

Различные датчики требуют различного смещения, а некоторые в смещении вообще не нуждаются. Нужно знать и помнить об этих требованиях, чтобы ток, вырабатываемый датчиком, соответствовал техническим спецификациям. От характера реакции, происходящей в элементе, будет зависеть направление тока рабочего электрода: при окислении (CO) ток будет втекать, при восстановлении (NO₂) – вытекать. В системах с однополярным питанием для обеспечения максимального усиления без насыщения усилителя уровень напряжения на его неинвертирующем входе должен быть смещен. Например, выходное напряжение трансимпедансного усилителя определяется выражением

U_ВЫХ = –I_ВХ × R_ОС,

где I_ВХ – ток, проходящий через резистор обратной связи в усилитель. Если этот ток положителен (восстановительная реакция), то U_ВЫХ будет отрицательным по отношению к напряжению неинвертирующего входа. Чтобы предотвратить выход за границы отрицательной шины питания, это напряжение должно быть сдвинуто вверх.

Таким образом, прежде всего, важно, чтобы электрохимические элементы имели температурную коррекцию и потенциостатическую цепь, обеспечивающую протекание как втекающего, так и вытекающего тока, напряжение смещения, преобразование тока в напряжение и сдвиг уровня. Все эти задачи могут быть успешно решены с помощью конфигурируемого потенциостата LMP91000, входящего в семейство микросхем сопряжения аналоговых сигналов. Прибор содержит законченную потенциостатическую цепь, поддерживающую как втекающие, так и вытекающие токи, трансимпедансный усилитель с программируемым коэффициентом, блок смещения электрохимических источников и внутренний источник нулевого напряжения. Более того, в составе микросхемы, выпускаемой в 14-выводном корпусе площадью всего 4 мм², имеется встроенный температурный датчик, что позволяет устанавливать устройство непосредственно под электрохимическим элементом для точной температурной компенсации и лучшей помехоустойчивости.

Не все газы точно измеряются с помощью электрохимических элементов. Альтернативой может быть недиспергирующая инфракрасная технология (NDIR), являющаяся видом ИК-спектроскопии. ИК-спектроскопия основывается на способности большинства молекул газа поглощать ИК-свет с определенной длиной волны. Количество поглощенного света пропорционально концентрации газа. При NDIR измерениях свет всего ИК-диапазона пропускают через пробу газа, а для выделения волны необходимой длины используют оптические фильтры. Как правило, фильтры для конкретных газов снабжены термоэлектрическими охладителями. Например, углекислый газ имеет пик поглощения на волне 4.26 мкм, поэтому полосовой фильтр должен обрезать все составляющие спектра за пределами этой длины волны. Помимо определения концентрации CO₂ и алкоголя NDIR-датчики применяются для обнаружения парниковых газов и хладагентов, таких как фреон.

Самое сложное при разработке NDIR-систем – как с течением времени ответить на вопрос: связано ли изменение света, падающего на детектор, только с поглощением в газе, или же с деградацией источника света и загрязнением камеры. Настройка возможна только в начале работы NDIR-системы, однако, для борьбы с искажениями, вызванными долговременным уменьшением светоотдачи источника и загрязнением, требуется текущая калибровка. Эта процедура может быть дорогой и трудоемкой, и не подходит для продолжительной работы в полевых условиях. Одним из способов решения проблемы является использование в системе опорного канала. Опорный канал содержит детектор, измеряющий источник света в диапазоне, в котором не происходит поглощения. В таком случае концентрация газа определяется отношением двух чисел, выражающих количество переданного света. Любые ошибки, возникающие из-за изменений параметров источника света, устраняются. Эти изменения происходят в течение длительного времени, поэтому одновременная выборка по опорному и активному каналам не требуется. Можно использовать входной мультиплексор для переключения между двумя каналами, что без ущерба для точности снизит стоимость и сложность системы.

Термоэлементы, применяемые в качестве ИК датчиков в NDIR-системах, вырабатывают напряжение, зависящее от мощности падающего на них светового потока. Тип исследуемого газа, его коэффициент поглощения и диапазон концентрации влияют на количество света, достигающего термоэлектрического датчика. Величина напряжения на выходе датчика обычно имеет порядок десятков микровольт. Таким образом, выходной сигнал датчика необходимо усиливать, причем с различными коэффициентами передачи. Для этой цели используются специализированные микросхемы сопряжения аналоговых сигналов, содержащие блоки с программируемым коэффициентом усиления. Для усиления слабого выходного сигнала термоэлемента до полного входного диапазона АЦП системы, что необходимо для достижения максимальной точности, требуется настройка коэффициента передачи в пределах от сотен до тысяч единиц.

При разработке NDIR-систем также приходится решать задачу компенсации значительного напряжения смещения термодатчиков. Ожидаемая составляющая смещения на выходе термоэлемента (до 1 мВ) превышает уровень полезного сигнала, ограничивая динамический диапазон системы. Для решения этой проблемы используются схемы компенсации смещения, например, на основе ЦАП. Системный микроконтроллер может определять уровень смещения и, программируя ЦАП, сдвигать выходной сигнал в направлении отрицательной шины. Такое решение позволяет использовать полный динамический диапазон АЦП и снижает требования к его разрядности.

Помимо этого, из-за наличия напряжения смещения термоэлемента необходимо поднимать сигнал выше уровня земли. Это можно сделать с помощью генератора синфазного сигнала, подводящего к датчику синфазное напряжение. Такой сдвиг уводит сигнал термодатчика от шины с отрицательным потенциалом, обеспечивая точность измерений в присутствии напряжений смещения датчика.

Таким образом, NDIR-системам требуется опорный канал, регулируемое усиление, компенсация смещения и сдвиг сигнала. Все это можно реализовать с помощью конфигурируемой микросхемы сопряжения аналоговых сигналов LMP91051, предназначенной для NDIR-систем (Рисунок 4). Она содержит двухканальный вход для поддержки активного и опорного канала, усилитель с программируемым коэффициентом передачи, настраиваемый ЦАП для компенсации смещения и генератор синфазных сигналов.

Рисунок 4.  LMP91051 – конфигурируемая микросхема сопряжения для NDIR систем.

pH-электрод измеряет активность ионов водорода (H+) и вырабатывает электрический потенциал или напряжение. Принцип работы pH-электрода основан на возникновении разности потенциалов в электродной системе, образованной двумя жидкостями с различными водородными показателями, вступающими в контакт с противоположных сторон тонкой стеклянной мембраны. Этот принцип одинаков, независимо от областей применения pH-электродов, включающих системы очистки воды, химическую обработку, медицинские приборы и системы контроля окружающей среды.

pH-электрод относится к пассивным датчикам, и никакого источника возбуждающего сигнала (напряжения или тока) для него не требуется. Однако выходной сигнал датчика является биполярным и может изменяться вверх или вниз относительно некоторой опорной точки. Поэтому в системе с однополярным питанием во избежание выхода сигнала за пределы земли потребуется подключение датчика к синфазному напряжению, в качестве которого нередко используют среднюю точку питания.

Импеданс источника рН-электрода очень высок, поскольку колба из тонкого стекла имеет большое сопротивление, в типичном случае находящееся в диапазоне от 10 до 1000 МОм. Это означает, что за состоянием электрода можно наблюдать только с помощью высокоимпедансной измерительной схемы. Кроме того, схема должна иметь низкий входной ток смещения, поскольку даже ничтожный ток, подаваемый в электрод с высоким импедансом, создает значительное напряжение смещения и вносит ошибку измерения в систему. Также вполне возможно, что ток, протекающий через рН-электрод при выключенной системе, с течением времени может ухудшить параметры датчика. Поэтому важно, чтобы входной ток смещения оставался низким даже тогда, когда на измерительную цепь не подается питания.

Рисунок 5.  Выходное напряжение рН-электрода линейно зависит от измеряемого водородного показателя.

pН-электрод вырабатывает напряжение, линейно зависящее от уровня рН исследуемого раствора. Передаточная функция и шкала рН на Рисунках 5 и 6 показывают, что при увеличении водородного показателя раствора выходное напряжение электрода уменьшается. Не следует забывать о температурной зависимости чувствительности рН-электрода. Глядя на передаточную функцию, можно увидеть, что чувствительность линейно возрастает с температурой. В связи с этим необходимо измерять температуру раствора и соответствующим образом компенсировать измерения.

Рисунок 6.  С увеличением водородного показателя напряжение на выходе pH-электрода падает.

Итак, мы увидели, что датчикам pH необходим высокоимпедансный интерфейс с низким входным током смещения, синфазное напряжение и возможность температурной компенсации. Все эти функции может выполнять специально разработанная для химических датчиков схема сопряжения LMP91200 (Рисунок 7). Содержащийся в ней программируемый источник тока максимально упрощает подключение резистивных датчиков температуры. Для повышения точности предусмотрен режим многоступенчатого измерения, исключающий ошибки, вносимые в канал сигнала температуры. Прибор, входной ток смещения которого при 25 °C находится в диапазоне десятков фемтоампер, идеально подходит для подключения высокоимпедансных рН-электродов. Наконец, в выключенном состоянии ток смещения составляет лишь сотни фемтоампер, сводя к минимуму деградацию от долговременного тока.

Рисунок 7.  Конфигурируемая микросхема сопряжения LMP91200 предназначена для химических измерений.

Мы рассмотрели некоторые наиболее распространенные проблемы, возникающие при разработке систем с промышленными датчиками. Решение этих проблем связано с необходимостью обеспечения возбуждения датчиков, усиления сигналов, температурной компенсации, нейтрализации смещения, преобразования тока в напряжение, создания высокоимпедансных интерфейсов и схем диагностики. Использование соответствующих схем сопряжения повышает точность измерений и упрощает разработку.

На современном рынке представлено множество конфигурируемых и простых в использовании решений для сопряжения с датчиками. У компании TI все эти устройства поддерживаются онлайн-средством разработки WEBENCH Sensor AFE Designer, позволяющим конструкторам создавать высококачественные интегрированные сенсорные системы при одновременном сокращении цикла разработка-производство.

Ссылки

1. «Designing CO₂ and alcohol-sensing applications,» Jason Seitz, ECN, April 2012.
2. «Designing with pH electrodes,» Application Note (AN-1852), Jason Seitz, TI, October 2008.
3. «Designing with thermocouples,» Application Note (AN-1952), Jason Seitz, TI, March 2009.
4. «Detect faults between a sensor and amplifier,» Mike Stout, Electronic Design, December 2010. Download these datasheets: LMP90100 and Family, LMP91000/2, LMP91050/1, LMP91200.