Форум: Выбор оборудования

Есть у нас такая старая термовесовая установка. Выходной сигнал: 0-10 мВ. Сейчас он подключен к ISA плате PCL-818L, через усилитель с к.у. 1000. Плата старая, комп старый, усилитель самодельный. Хочется все это модернизировать. Что посоветуете? Усилителей я в вашем ассортименте не вижу. Как подготовить сигнал? Или можно использовать какие-то специализированные решения (например, вижу милливольтовый диапазон у LTR212, но я сомневаюсь, что сигнал весов имеет отношение к тензодатчикам)? А может LTR114 подойдет (хотя опять сомнение - разрешение LTR114 позволяет измерять этот диапазон, но какова будет реальная погрешность измерения единиц милливольтов на диапазоне +-0.4В?)?

Станислав. Основной вопрос состоит в определении типа датчика (мостовой, полу- или четвертьмостовой, какой физический принцип), и его характеристик, в частности, внутреннего сопротивления. В весах тензодатчики используют часто.
LTR212 может быть подключен только к мостовым/полумостовым датчикам напрямую без усилителя, причём мост должен быть запитан от LTR212. LTR114 может быть применён для более широкого спектра датчиков. В документации на эти АЦП есть сведения об их основных погрешностях, приведённых к их диапазону. Но погрешность весов будет определяться также свойствами датчика, а также диапазоном физических воздействий на него.

К сожалению сейчас документации у меня нет (возможно она есть где-то), так что пока только догадки. Почему я думаю, что тензодатчика там нет? Весы - коромысельные. Предназначены для измерения только относительных изменений массы в пределах, заданных одним из 5-ти диапазонов (что-то около десятков-сотен миллиграмм). Предварительно производится грубое ручное уравновешивание, чтобы ввести в диапазон (дробинки на спец. чашечках и набор стандартных противовесов). Оставшийся разбаланс компенсируется электромагнитной катушкой с подвижным сердечником, подвешенным на противоположную сторону коромысла - катушка просто пытается удержать сердечник на нужной высоте (авторегулировка по лампочке). Вроде бы, места для тензодатчика нет, достаточно знать ток в катушке магнита и выдавать пропорциональный ему сигнал (калибровка - ручная, по стандартным противовесам). Сопротивление входа по омметру: 6 ом при выкл. состоянии, около 60 ом при вкл. и поднятом (зафиксированном) коромысле, при свободном коромысле сопротивление разное в разных случаях, но все лежит в пределах 1-10 ом.  Еще уточнил по уровню сигнала - максимальный диапазон плавно настраивается ручкой в пределах от +-0.5 мВ до +-5 мВ. Сейчас мы как раз используем максимальное усиление, то есть +-5 мВ.

Еще, по поводу типичного режима измерений. Скажем, обычно это достаточно медленное (за десятки минут - часы) изменение сигнала от, например, -3мВ до +3мВ, соответствующее изменению массы. Соответственно, абсолютное значение напряжения не особенно важно, но важно, чтобы хватало разрешения, и главное, чтобы дрейф был мал относительно диапазона. Как я понял, на диапазоне +-0.4В у LTR114 погрешность составляет около 40 мкВ. По-видимому, дрейф может быть оценен такой величиной? Если да, то для нашего диапазона измерений это около процента. Скажем так, нельзя назвать это совсем плохим результатом, но... (я понимаю, это, как минимум, в предположении, что все остальное - идеально, но это не к вам вопрос, я говорю только об устройстве измерения) Может я в чем-то ошибаюсь? Может не все так плохо, или все еще хуже?...

Как раз для задач, в которых важен минимальный дрейф нуля, в  LTR114 предусмотрен режим автокалибровки нуля <<на лету>>, при котором LTR114 постоянно промеряет своё смещение нуля и динамически учитывает его на фоне сбора данных. В этом режиме абсолютная ошибка в нулевой точке шкалы измеряется единицами микровольт, а максимумы абсолютной ошибки могут набежать на границах шкалы (порядка 0,1% от величины шкалы).

Из Вашего описания устройства весов я не смог уловить целесообразность применения АЦП, и понять здесь его роль. Если ток в катушке электромагнита хотите измерять (и в этом состоит задача), тогда точность этой системы зависит также от стабильности  сопротивления токоизмерительного шунта, а также от точности исполнительного устройства на основе электромагнита. А как ручные операции учитывать с подкидыванием дробинок?

А что есть <<нулевая точка>> исполнительного устройства на основе электромагнита. Разве когда ток равен нулю? Может там балансная  система на основе 2-х электромагнитов с противоположным направлением магнитных полей?

Исправляю опечатку в сообщении от 21.09.10 18:48:

- порядка 0,01% от величины шкалы

Автокалибровка - это уже хорошо. Похоже, это подходит. Хотя, все таки, хотелось бы узнать какие есть варианты для нормализации/усиления подобных сигналов.

Теперь про целесообразность... Мне казалось, что я даже через чур подробно все изложил Представьте, есть некое вещество. У него постепенно изменяется масса (хим реакция, обмен с атмосферой). Скажем, образец массой 100 мг, теряет за несколько часов 10 мг. Необходимо регистрировать, как этот процесс протекает во времени. Теперь представьте, у вас нет в наличии нормального современного, полностью автоматизированного, компьютеризированного агрегата для этой задачи, или он занят другими задачами. Но есть такой вот винтажный агрегат. Его родной шкаф с самописцем и системой управления давно уже на свалке, остались весы. Тот кабель, который раньше подключался к самописцу, теперь просто подключается к АЦП и данные собираются компьютером. Правда ведь это удобнее, чем записывать ручкой данные с милливольтметра?
Про ток в катушке, это я писал, чтобы пояснить сам принцип работы этих весов. Я не собираюсь измерять этот ток (в смысле внедряться во внутреннюю схему). Зачем? Весы сами выдают милливольтовый сигнал (да, возможно просто напряжение с шунта, мне не важно). Точность всего, что внутри весов - данность. По-крайней мере, нас она всегда удовлетворяла (и 10 лет назад, когда был самописец, и сейчас с усилителем и АЦП адвантек). Просто есть идея несколько обновить оборудование и убрать самодельный усилитель из схемы.
Первоначальное уравновешивание дробинками не играет никакой роли и никак не мешает. Повторю - необходимо измерять только относительное изменение массы. Абсолютная масса этими весами не измеряется принципиально.
Про два магнита - все возможно, не могу сейчас утверждать противоположного. Про нулевую точку исполнительного устройства (а также про соответствие милливольт миллиграммам) уже говорил, но скажу подробнее - допустим, в неком состоянии весы выдают нулевой сигнал (или какой-нибудь). Добавляем стандартный противовес, 10 мг. Сигнал меняется на, скажем, 3 мВ. Все, калибровка для заданного диапазона получена. А ноль, сам по себе, не важен.

Станислав. Ваша постановка задачи понятна.
Готового предусилителя с малым дрейфом нуля у  L-Card нет.
Ноль, сам по себе, важен в том случае, если хотите воспользоваться LTR114 в режиме автокалибровки для получения минимальной абсолютной погрешности в окрестности нуля.
Если готовый предусилитель найдёте у другой фирмы, Вы наверняка сможете использовать совместно с ним более дешевый АЦП от L-Card, например, E14-140-М. Автокалибровку нуля у E14-140-М можно организовать программно, поскольку режим измерения собственного нуля у него есть.

Но предусилитель вряд ли даст Вам выигрыш в точности измерений. Качественный предусилитель, скорее, даст выигрыш в соотношении сигнал/шум, если он будет оптимально согласован с сопротивлением источника сигнала. Но Ваша задача, как я понял, медленная, поэтому, установив частоту сбора 5 Гц LTR114 (где у него минимальное разрешение), Вы получите шумы на уровне микровольт. Это Вас разве не устраивает?

Микровольты устраивают.
"..(где у него минимальное разрешение).." - вы имели в виду максимальное? Или я не понимаю о чем речь?

Да, максимальное разрешение. Я оговорился, конечно.
Для оптимизации сигнал/шум LTR114 подключать нужно 3-х проводным кабелем (две жилы в экране): цепи  X, Y, внутри экрана, AGND - по экрану. Если источник сигнала 2-х полюсный, то цепи Y и AGND объединяются у источника сигнала. Про цепи заземления расскажу отдельно, если потребуется.
LTR114 + LTR-U-1-4 - эта конфигурация по цене/качеству мне кажется оптимальной для Вашей задачи. Бесплатное ПО  Lgraph2 прилагается. Протестировать можно также под UTS - поскольку на сегодняшний день там предоставляются более широкие возможности задания режимов для одномодульной конфигурации LTR.

Да, от весов идет кабель - два провода и экран. Про заземление спрошу, при необходимости. С ltr114 + ltr-u-1-4 согласен. Что такое uts? Обычно я для сбора пишу в labview, или под С или Дельфи, по настроению.
А, все, увидел, понял.
Поскольку мы в Новосибирске, завтра обращусь к местному дилеру.

Станислав, обращайтесь, если будут вопросы. Буду рад, если сообщите о результатах применения LTR114.

Вдогонку. Могут быть разные схемы подключения в зависимости от того, связан ли электрически экран, идущий от весов, с остальными двумя идущими от весов проводами. Или экран изолирован? Если связан, то как? Cимметрично, как средняя точка, имеющая симметричное сопротивление относительно двух проводов. Либо несимметрично, если экран накоротко соединён внутри весов с одним из проводов.
И про заземление компьютера, весов и LTR поговорить. -- Все эти вопросы осталось решить перед тем, как будете подключать.

Экран кабеля соединен с корпусом весов. Сигнальные провода с экраном развязаны.

Тогда  цепи Y1 и AGND от LTR114 нужно будет соединять с первым проводом от весов, цепь X1 - cо вторым проводом, а экран от весов соединить с экраном кабеля от LTR114.  Со стороны LTR114 экран кабеля распаять на металлический корпус 37-контактного кабельного разъёма.

Способ заземления зависит от следующих вопросов:
- Стационарный компьютер или ноутбук? Питание компьютера от сети ~220V?
- Точка заземления весов предусмотрена? Электромеханика весов от чего питается? Корпус у весов металлический?
- Ещё какие электроприборы входят в Вашу установку? На сколько они удалены друг от друга?

Значит так. Есть щиток, его корпус заземлен (земляная шина вдоль стены). Все запитано от него.
Используется стационарный компьютер, корпус заземлен на щиток. Весы - довольно большая металлическая конструкция: станина, на ней собственно весы и вакуумная/газовая камера с нихромовой печкой (туда опускается подвес с образцом и термопарами). На станине есть болт для заземления, соответственно, прокинут заземляющий кабель на щиток. Сопутствующее оборудование стоит на этажерке рядом со станиной (~1 м): силовой и управляющий блоки для питания и регулировки печи (РИФ 101), термостат жидкостный, мембранный компрессор для циркуляции газов (плюс источник питания для него), форвакуумный насос. Вроде все.

Всё понятно, кроме одного. Электромеханика весов от чего  запитана? В весах есть источник питания? Если да, то какой? Просто сетевой трансформатор? У этого источника питания цепь заземления имеется? Если да, то к чему она подсоединена?

Станислав, профессиональный подход к разработке подобного устройства требует детальной проработки подобных вопросов, иначе помехи от окружающих устройств будут значительно больше, чем   собственные микровольтовые шумы АЦП, за которые Вы боретесь. Я не зря из Вас настойчиво и по капле добываю эту информацию.

Можно этот же вопрос поставить по другому. Есть чёрный ящик (причём металлический и заземлённый) - это весы. Цепь заземления обозначим буквой G. Из ящика выходят 2 провода (назовём их А и B), между которыми низкое внутреннее сопротивления (как я Вас понял, с некого внутреннего низкоомного  токоизмерительного шунта). Задача состоит в измерении напряжения между A и B милливольтового сигнала с микровольтовым разрешением. Известно также, что А и B изолирован по постоянному току от цепи G. Таким образом, мы полностью описали электрические свойcтва источника напряжения между полюсами А и B, но совершенно не имеем представления что за потенциалы приложены между полюсами А-G, B-G.  Теперь предположим, что полюса А и B имеют небольшую ёмкость по отношению к фазе, нейтрали сети или какой-либо другой силовой цепи внутри весов. Это наверняка приведёт к наличию емкостной наводки в десятки-сотни Вольт на цепи А-В относительно G. Теперь прикинем порядки величин: 1 мкВ разрешение относительно 100 В помехи: 10 в 8-ой степени! Это означает, что вход АЦП должен более чем на 160 дБ подавить синфазную помеху (относительно земли) по отношению противофазной (к измеряемому сигналу) для того, чтобы не ухудшить сигнал/шум. Смею Вас заверить, что такие параметры АЦП лежат за гранью реальности!
Таким образом, мой вопрос про заземление источника питания весов можно поставить по-другому: на сколько может болтаться потенциал А-B относительно G? и какой характер этой помехи? Если Вы не знаете, как сделано заземление в  <<чёрном железном ящике>>, то осталось для выяснения ситуации измерить пиковые значения и скорости нарастания напряжения в цепи А относительно G в рабочем режиме весов и всей окружающей аппаратуры - это можно сделать, например, запоминающим осциллографом с высокоомным входом.

Да я и не против, вроде бы, отвечать на ваши вопросы если бы у нас была на руках схема, я бы мог отвечать подробнее. А так, не обессудьте, сейчас еще каплю капну
Вот, что я могу сейчас сказать. У весов, по всей видимости, свой источник питания (снаружи подключается только силовой кабель ~220). Подробностей про этот источник сейчас никаких не могу сказать (спрашиваете - " Просто сетевой трансформатор? ", имеете в виду, импульсный источник или обычный трансформаторный или еще что-то?) По цепь заземления источника питания уверенно ничего не скажу, пока мы не найдем схемы. Вариант с измерением фактической разницы потенциалов между землей и сигнальными проводами, в принципе, осуществим, я постараюсь измерить  осциллографом. Но уже сейчас могу сказать, что я проверял по цифровому милливольтметру - разность потенциалов в пределах его погрешности (на постоянном и переменном токах). Про " за гранью реальности" - это не наш случай. Я же говорил - сейчас мы и так оцифровываем сигнал с этих весов, причем на гораздо менее совершенном оборудовании. Еще раз - сигнал подается на усилитель (самодельный, и его качество под вопросом). Коэфф усиления = 1000. Усиленный сигнал подается (просто, через клеммник) на плату PCL-818L. Она - в isa порте компьютера. Уже в таком исполнении мы имеем почти приемлемые характеристики измерения. О чем не говорил (и это, в частности, характеризует помехи и качество реализованной схемы) - мгновенные значения измеренного сигнала имеют шум около 100 мкв (я сейчас точно не помню, система настраивалась года 4 назад, но думаю не сильно ошибаюсь). Как решение, было использовано усреднение - съемка производится на частоте ~1 кГц (кажется так) и усредняется на периоде ~10 секунд.

Если не найдёте схемы, то остаётся исследовать ЭТО как чёрный ящик. Измерение с помощью осциллографа проведите - это будет полезно.

<<сейчас мы и так оцифровываем сигнал с этих весов, причем на гораздо менее совершенном оборудовании.....мгновенные значения измеренного сигнала имеют шум около 100 мкВ>>.
- Какое происхождение этого шума? Если вход этого усилителя полностью отсоединить от весов, замкнуть вход накоротко и снова измерить этот шум? Если уровень шума останется таким же, то это собственный шум усилителя. Если уменьшится в разы, то шум пришёл извне: синфазно (относительно земли) или противофазно (между А и B). Кроме того, для понимания условий важно, как этот усилитель был подключён и от чего запитан (тот же вопрос про цепи заземления). Если шум пришёл извне - снова возвращаемся к моим вопросам...

С усилителем тоже поэкспериментирую, по возможности, но, так как мы все равно хотели бы его не использовать, поэтому вначале даю информацию по исходным сигналам на кабеле, выходящем из весов. 
Осциллографа пока нет. Померил вольтметром на разных пределах и на постоянном и на переменном токах. Заметной зависимости от того, включены ли сопутствующие приборы или нет, не выявлено. Основная зависимость есть о того, включены ли весы (кстати, по поводу их блока питания - внутри видно два силовых трансформатора, два моста, большие электролиты, то есть, обычный трансформаторный блок).  Итак, при выключенных весах -
1. между А и В в пределах погрешности милливольтметра
2. между G и (А или В) около 1 В переменного 50 Гц и около 5 мВ постоянного (если совсем вынуть сетевой кабель и максимально отсоединить все сопутствующее - остается около 5 мВ переменного и неизмеримое вольтметром постоянное)
При включенных и выведенных в рабочее положение весах:
1. между А и В, на постоянном токе - в зависимости от навески в пределах +-5 мВ
2. между А и В, на переменном (50 Гц по мультиметру)  0.1 - 0.3 мВ (это как раз порядка того шума, который нам сейчас приходится усреднять в текущей схеме измерения) в начале измерения идет переходный процесс несколько сек, напряжение падает с уровня ~0.6 мВ
3. между G и любым из А или В, на переменном токе около 5 В, на постоянном - около 5 мВ (при смене полярности идет переходный процесс несколько сек и разность выходит на примерно тот же уровень и с тем же знаком)

Станислав. По Вашим данным A и В довольно хорошо экранированы относительно G внутри весов. Это вселяет оптимизм. Но вольтметр всё же даёт сильно усреднённую (и низкочастотную) картину в отличие от широкополосного осциллографа.

Сегодня смотрел осциллографом. Между G и АВ - переменный сигнал в виде синусоиды из ломанных сегментов, 50 Гц, амплитудой ~5 В. Между А и В - есть переменная составляющая, амплитуда на пределе чувствительности осциллографа (милливольт или доли) сигнал имеет вид шума на фоне 50 Гц. Есть ли в этом какая-нибудь новая информация? Что еще померить?
Объясните пожалуйста. Вы говорили, что при 10-100 вольтовой наводке на АВ относительно G измерение очень проблематично, при этом измеренная мною наводка в 5 В вселяет в Вас оптимизм. Это действительно согласуется друг с другом? Я имею в виду - 8 порядков, это много, но шесть/семь - не за гранью ли той же реальности?
Еще вопрос. вот эта наводка между А и В. По идее, ее необходимо фильтровать - в ltr114 есть возможность фильтрации, возможность вычленить постоянную составляющую?
Также посмотрел, что выдает наш усилитель. К делу это мало относится, но так, для информации. Его шум не зависит от того, что у него на входе, то есть его собственный шум. Средняя амплитуда около 30 мВ (кстати, получается, что переменная составляющая на входе усилителя фильтруется, иначе мы бы видели после ее усиления переменный сигнал порядка сотен милливольт, так что чуть выше, во втором пункте я наврал, просто говорил по памяти). Шум имеет периодический вид - смесь двух сигналов: некий, скажем так, пилообразный сигнал с частотой около 2 кГц, ~10мВ, плюс импульсы на частоте ~25кГц.