Расчет измерительного канала цифровых весов с температурной компенсацией, страница 10

Влияние температуры изменяет сопротивления в цепи обратной связи. Стабильность коэффициента усиления зависит от стабильности резисторов, используемых в цепях обратной связи (т. е. от отношения резисторов). Для увеличения стабильности характеристик, резисторы, с помощью которых устанавливается коэффициент преобразования выполняются по одной технологии, желательно на одной подложке и размещаются в одном месте с целью сохранения одинаковых условий. Также температура влияет на токи входных каскадов, что вызывает смещение нуля.

Напряжение питания воздействует на перераспределение внутрикаскадных токов, а следовательно, может привести к изменению коэффициента преобразования и дополнительному смещению нуля. Во избежание существенных влияний  напряжения питания его стабилизируют.

Внешние электрические магнитные поля оказывают действие на характеристики нормирующего преобразователя, но конкретные  влияющие функции можно получить только путем эксперимента. Однако эти поля вызывают дополнительные сигналы, что приводит к возникновению помехи на входе преобразователя, она вызывает дополнительную аддитивную погрешность.

Аналого-цифровой преобразователь.

Одним из влияющих факторов является  температура. Под ее воздействием изменяется величина опорного напряжения, следовательно, изменяется цена наименьшего разряда, т.е. изменяется диапазон измерения – вызывается мультипликативная погрешность.Изменение температуры вызывает начальное смещение нуля АЦП – это аддитивная погрешность.

Изменение напряжения питания приводит к изменению опорного напряжения и соответственно изменению цены младшего разряда (мультипликативная погрешность). Для исключения возможности возникновения этой погрешности применяется внутренняя стабилизация.

Для АЦП характерна погрешность квантования, которая равна половине единицы младшего разряда.

Просмотрев анализ всех влияющих величин на прибор, можно сделать вывод о том, что наибольшую часть в погрешность вносит влияние температуры. Т. к. эта составляющая погрешности вносит наибольшую долю в погрешность (по ниже приведенным расчетам), то именно ее мы и компенсируем с помощью микропроцессора.

·  Погрешность канала измерения температуры

В эту погрешность включается погрешность измерителя температуры, а именно – датчика температуры. Для AD7816 характерными погрешностями являются относительная точность(максимум отклонения к концу нелинейности) - 1 ед. мл. разряда, дифференциальная нелинейность (разность между измеряемой величиной и действительной) -  ед. мл. разряда, ошибка выхода (отклонение первого кода) -  1 ед. мл. разряда

1.5.2 Суммирование погрешностей блоков измерительного канала

Для упругого элемента:

                                                         =                                                         (31)

В 31 уравнении изменяющейся величиной является модуль упругости. Для стали 30ХГСА эта величина равна 11.0*^-6 1/⁰С [7].

Т.е. ==11,0*10^-6 1/⁰С=0,0011 %/⁰C.

В расчете что температура изменяется на 10 ⁰С  _max=0,011%.

Принимаем что распределение изменения температуры окружающей среды близко к равномерному, можно предположить также равномерное распределение погрешности модуля упругости, тогда оценка СКО равна:

            S_E==0,006 %.

           

Мостовая схема с тензорезисторами:

                                                     ==S_T                                                   (32)

S_T-чувствительность тензорезистора

                      U_мост=U_питe_R= U_пит S_T= U_пит S_T                                          (33)

Для тензорезисторов мостовой схемы, если посмотреть на уравнение преобразования 33, изменяющимся параметром является чувствительность тензорезисторов KFB-03-C1-200 [4] и напряжение питания. Пределы изменения этих параметров находим по справочным данным.

Для константана т. к. это материал, из которого сделана тензорешетка l_R=40*10^-6 1/⁰С.

Так как мостовая схема включения предусматривает устранение погрешности температуры, то составляющей погрешности из-за изменения чувствительности не будет.

Источник напряжения стабилизированный, его нестабильность равна 0,0015 %/В.

s_пит=0,0015 %

Для источников питания распределение погрешности соответствует треугольному распределению, следовательно, S_пит==0,0006 %.

Нормирующий преобразователь:

                                   U_вых=U_мост(1+2)= U_пит S_T (1+2)        (34)

Считаем, что 2>1, тогда U_вых U_пит S_T 2.

В схеме нормирующего преобразователя используем высокоточные и стабильные резисторы, которые имеют ТКС меньше 10^-5 1/⁰С (погрешность влияния температуры компенсируется). Однако сохраняется аддитивная погрешность смещения нуля. Оценку этой погрешности можно получить по справочным данным входящего в нормирующий преобразователь операционного усилителя типа 140УД21.

Напряжение смещения нуля равно 50 мкВ для операционного усилителя.

Поскольку мы суммируем приведенные погрешности, то необходимо абсолютную аддитивную погрешность смещения нуля нормировать по отношению к номинальному значению входного сигнала (для нормирующего преобразователя входным сигналом является напряжение выхода моста).

_max==0.0047 %

Погрешность смещения нуля распределена по нормальному закону, следовательно, для вычисления оценки СКО необходимо задаться доверительной вероятностью.

s_max=t*S_нп,

где t-коэффициент Лапласа, который мы получаем из функции Лапласа.

При Р_дов=0,95   t=1.96

S_нп==0.0024 %

Аналого-цифровой  преобразователь:

Погрешностью АЦП является погрешность квантования – это аддитивная погрешность, она принимается равной цене наименьшего разряда.

_кв==100%=0,1 %

Погрешность квантования подчиняется равномерному распределению, тогда

S_кв= =0,06%   - СКО относительной погрешности квантования.

Дополнительной погрешностью для АЦП является погрешность нелинейности, возможна также погрешность смещения нуля. Погрешность смещения нуля автокомпенсируется в АЦП выбранного типа – этой погрешности не будет.