Obrada i Prenos Mernih Signala o

Обрада и пренос мерних сигнала Merna tehnika

3. Обрада и пренос мерних сигнала

Обрадом мерних сигнала остварује се излазна електрична величина пропорционална улазној неелектричној величини довољног енергетског нивоа да се може искористити за даљу обраду мерних информација или у уређајима за регистровање. У примени су аналогна и дигитална обрада мерних сигнала.

Можемо дефинисати три врсте напонских сигнала: аналогни, дигитални и импулсни. Мада се сви сигнали временски мењају, једино аналогни сигнали носе додатну информацију у варијацијама амплитуде. Импулсни сигнали који се овде срећу су по много чему слични дигиталним сигналима: имају сталну амплитуду и само две могуће вредности (ниски и високи ниво). На пример, ови нивои могу да буду 0 V и +5V. Опсези у којима ниски и високи нивои сигнала могу да буду су ниски ниво: 0,0 ÷ 0,8 V и високи ниво: 2,0 ÷ 5,0 V.

Могу да се употребе и други нивои, као нпр, 24 или 220V. За аналогне сигнале је важно колики је тренутни ниво сигнала, док је за дигиталне сигнале важно да ли уопште постоји сигнал или не. Разлика између дигиталних и аналогних сигнала зависи од информације коју носе и од врсте хардвера који се користи. Дигитални сигнали се још зову и "дискретни" сигнали. Они се могу мењати великом брзином, и информација је обично садржана статичком стању бита, односно групе битова у одређеном тренутку. Информација коју импулсни сигнал носи је садржана у броју или брзини промена стања (импулса/секунди). Следећа слика 1 приказује разлике између аналогних и дигиталних сигнала.

слика 1. Аналогни и дигитални сигнал

Аналогни сигнали се претварају у дигиталне (бинарни број) помоћу системског аналогно-дигиталног конвертора. Аналогни улазни сигнали обично долазе из неког појачавача, где се примарни сигнал из сензора кондиционира, појачава и даље води у систем за аквизицију. Већина прекондиционираних сигнала су релативно високе импедансе, чији су напони у опсегу од ±1 V до ±10 V. Многи примарни сензори, као што су: термопарови, фотонапонски елементи, пиезоелектрични и биомедицински сензори, производе мале сигнале који могу да имају максимални опсег од 10 mV. Квалитетан систем за аквизицију би са лакоћом морао да прихвати (обради) како сигнале малих, тако и сигнале великих амплитуда.

U[V]

t t

U[V]

0

5

0

5

-5

-10

10

1/10


3.1. Аналогна обрада мерних сигнала

Основни задатак аналогне обраде мерних сигнала је да се остварена промена електричног параметра ( ) претвори у електрични напон U(t), слика 2.

слика 2. Аналогна обрада мерних сигнала

У давачу D (мерни претварач) се мерена неелектрична величина трансформише у промену електричног параметра ( ). Остварена промена електричних параметара се мерним мостовима трансформише у одговарајући, али веома низак напон [mV]. Овај се напон најпре води у модулатор М, где се врши његово модулисање, да би се лакше извршило појачање у појачивачу Р. Коначно, после демодулисања у демодулатору DM, добија се излазна величина, напон U(t), који је на таквом енергетском нивоу да се може искористити у уређају за записивање мерних података или за даљу обраду информација.

Кључну улогу у аналогној обради мерних сигнала имају мерни мостови.

3.2. Мерни мостови

За мерење малих промена електричних параметра давача користи се мерни мост као на слици. Помоћу њих се веома мале промене електричних параметара претварача ( ) пропорционално трансформишу у такође мале промене напона ΔU слика 3.

слика 3. Weaston-ов мост

Xi(t)Xu(t) ∆U M P DMDнеелектрична

величинаeлектричнавеличина

U(t)

∆R,∆L,∆C

2/10


Напајање мерног моста U0 може бити наизменично или једносмерно, у зависности од врсте комплексних отпора. Уколико се ради о омским отпорностима, може се употребити једносмерни напон, док је у свим осталим случајевима напон наизменични.

Мерни мост чини мерни претварач и додатни комплексни отпори везани као на претходној слици. Пре почетка мерења, уравнотежава се мерни мост тако да је напон у мерној дијагонали U = 0. Услов за уравнотежење мерног моста је:

Под дејством мерене неелектричне величине ремети се равнотежа моста, тако да је остварена промена напона у мерној дијагонали U пропорционална промени параметра мерног претварача, тј. промени мерене неелектричне величине.

Постоје мерни мостови са омским и индуктивним претварачима као и Вистонов мост са капацитивним претварачима.

a.) Вистонов мост са омским отпором

Помоћу отпорника R3 пре почетка мерења уравнотежава се мост. У целом мосту мора бар један отпорник да мења отпорност да би реметио равнотежу моста (мерна трака). Осетљивост се може повећати ако се истовремено мењају и остали отпорници при томе треба водити рачуна да је пораст и опадање отпорности усаглашено са сликом 4. Тиме се сабирају утицаји промене појединих отпорника.

слика.4. Weaston-ов мост са омским отпорницима

3/10


b.) Мерни мост са индуктивним претварачима

слика 5. Мерни мост са индуктивним претварачима

- услов уравнотежења;

Пошто имамо две једначине постоје и два променљива отпорника за уравнотежење мерног моста R3 и R4.

c.)Вистонов мост са капацитивним претварачима

На следећој слици приказана је још једна варијанта Вистоновог моста са капацитивни претварачима.

слика 6. Weaston-ов мост са капацитивним претварачима

4/10


3.3. Обрада сигнала

3.3.1. Модулисање

Да би се добијени електрични сигнал могао лако појачати врши се његово модулисање

Ω>>ω

Ω>5ω

слика 7. Модулисање

ω – модулишући сигнал, Ω – носећи сигнал,За веома осетљиве мерне поступке капацитивних или индуктивних претварача користе се фреквентни модулатор електричних сигнала.

3.3.2. Појачавач

Од појачавача који се примењују захтева се:

Фактор појачања уз могућност ступњевите промене,

Потребно је остварити могућност калибрисања појачавача, Појачавач треба да има што је могуће мање сигнале сметње,

5/10


Појачавач треба да има одговарајућу излазну снагу Pizl на одређеном излазном отпору,

За одређене сврхе је потребна знатна улазна отпорност на улазу за пиезоелектричне претвераче,

Од појачавача се захтева да стабилно држи нулту тачку, У зависности од тога да ли је напајање из мреже или са батерије захтева се

што мања потрошња, За појачавач је веома значајна доња граница носеће фреквенце ωd=20-50Hz, ωg=10KHz-10MHz (слика 8)

слика 8. Границе носеће фреквенције

Појачавачи се деле на појачаваче једносмерног напона и појачаваче наизменичног напона.

3.3.3. Демодулисање

После извршеног модулисања сигнала потребно је извршити демодулисање као на слици (9):

слика 9. Демодулисање

Најпре се одстрањује доња граница модулишућег сигнала, а онда се од остатка формира омотач осцилација са носећом фреквенцијом тј. омотач модулишућег сигнала. У примени су различити демодулатори који се карактеришу повољном динамичком карактеристиком.

3.4 Дигитална обрада мерних сигнала

6/10


Мерена величина се може представити на дигиталан и аналоган начин, уколико је мерена величина из давача дата у аналогном облику, може се на погодан начин дигитализовати. Циљ је да се обрада мерних сигнала обавља дигиталним путем. Дигитални поступак обраде мерних сигнала састоји се у томе да се мерена величина може представити у дигиталном облику бројем струјних импулса и сл. и да се у даљем поступку на одговарајући начин врши обрада тих сигнала. Развој многобројних уређаја за обраду дигиталних сигнала (дигитални рачунари) омогућио је у последње време веома брзи развој ове области. Посебну погодност чини развој и примена микроелектронике у овој области.

слика 10. Дијаграм – однос цена-тачност

Дигитална обрада сигнала има неколико предности над аналогном обрадом. Повећање поузданости обраде сигнала дигиталних кола над аналогном обрадом се састоји у:

смањењу промена радне тачке услед промене околне температуре. Карактеристике аналогних компонената као што усу отпорници, кондензатори, операциони појачавачи.. мењају се са променом температуре. Дигитална кола не показују никакве промене са променом радне температуре у опсегу њиховог подручја рада;

смањивање ефекта старења. Старење компонената такође утиче на перформансе аналогних кола. Диелектрици у кондензаторима су посебно осетљиви на старење тако што мењају импедансу кондензатора, а самим тим и његове перформансе;

смањивање осетљивости на шум. Како су из једног логичког стања у други код дигиталних кола прелази када је достигнут неки праг, она су мање осетљива на шумове који се појављују у колима, као и на електромагнетна зрачења која долазе из околине;

одлучујућа предност дигиталног поступка огледа се у неосетљивости на спољашње штетне утицаје. Спољашње сметње се могу изразити само на облик тих импулса али не и на њихов број. Даља предност се огледа и у све мањој цени коштања која се уочава са претходног дијаграма (слика 10).

Недостатак дигиталног поступка се огледа у слабијим динамичним карактеристикама, јер је за бројање импулса потребно одређено време и за то време не може да се измери мерена величина. Због тога се брзопроменљиве величине још увек обрађују аналогним поступцима, мада се дигитална техника примењује за употребу све већих фреквенција импулса.

7/10


Дигиталном обрадом мерних сигнала се обрађују оне мерене величине које су дате у облику импулса. Ови импулси се генеришу директно из инкременталног претварача или трансформацијом помоћу A/D претварача аналогног сигнала, који карактерише мерену величину (слика 11).

У колу T се генеришу временски импулси који дефинишу период отварања t0

кола за пропуштање импулса R. Поворка импулса се уводи у коло R које само у тачно дефинисаном временском интервалу t0 пропушта импулсе. У бројачу B се детектује број импулса у јединици времена t0 и он представља интензитет мерене величине. Уколико је потребан аналогни излаз, импулси се после извршене обраде воде у D/A претварач.

слика 11. Дигитална обрада мерних сигнала

3.5. Дигитални претварачи

У мерној техници се веома често примењују такви претварачи који директно мерену величину претварају у дигитални сигнал.

слика 12. Дигитални претварачи

Један од таквих примера је приказан на претходној слици (слика12), где се са променом индуктивности региструје окретање зупчаника, или пример перфориране траке код које је са једне стране постављен извор светлости, а са друге фотодиода која региструје промену светлости, и на излазу имамо промену напона.

3.6. D/A претварачи

8/10


Ако се жели добити аналогни сигнал из дигиталног могу се употребити D/A конвертори, чији је принцип рада приказан на следећи начин (слика13):

слика 13. D/A конвертори

Основна карактеристика D/A претварача је да је излазни напон пропорционалан фреквенцији улазних импулса.

3.7. Пренос мерних сигнала

При електричним мерењима неелектричних величина и аналогне и дигиталне вредности представљене су напонима. Зато се овде јавља проблем преноса датог напона од претварача као осталим елементима мерног ланца. За пренос сигнала се углавном употребљавају заштићени проводници да би се отклониле спољашње сметње. Централни проблем у преносу сигнала је пренос сигнала са обртних делова покретних на непокретне делове мерних уређаја.

3.7.1. Пенос сигнала преко клизних прстенова

Овај начин се примењује за мање бројеве обртаја јер се код њега јављају сметње варничења, осцилације вратила итд. Нешто боља варијанта је са варирањем прстенова чиме се смањује трење али постоји опасност од живиних пара.

слика 14. Пренос сигнала преко клизних прстенова

3.7.2. Капацитивни принцип

9/10


За већи број обртаја од 5000 обртаја у минути примењује се бесконтактни пренос сигнала. На слици 15. је приказан такав пренос. Унутрашњи прстен кондензатора чине прстенови причвршћени на вратило а спољашњи прстен је на малом растојању, тако да између њих не постоји електрични контакт.

слика 15. Пренос сигнала- капацитивни принцип

3.7.3. Индукциони принцип

На слици 16 је приказан индукциони пренос сигнала са покретног унутрашњег калема на спољашњи непокретни калем.

слика 16. Индуктивни принцип преноса сигнала

10/10

Documents

Obrada i Prenos Mernih Signala o