FAQ: Выбор модулей для различных тензометрических задач

Настоящая статья показывает в сравнении различные варианты оборудования L-Card для решения тензометрических задач: от законченных специализированных решений (LTR212(М), LTR216) до частных случаев использования АЦП общего применения (LTR114), предусилителя (LP-04-M) и частного случая использования LTR24-2.

Отнесение модулей АЦП LTR212(М) и LTR216 к группе специализированных объясняется, прежде всего, тем, что эти модули непосредственно измеряют величину тензометрического разбаланса (подробно эта величина рассмотрена в руководстве при описании соответствующего модуля)  — специализированную величину, непосредственно связанную с величиной деформации. За счёт специализации данные модули показывают высокие результаты (высокую чувствительность, высокую точность при измерении) по отношению к интересующей потребителя величины деформации, и величины погрешностей измерения этих модулей нормированы относительно величины тензометрического разбаланса. В отличие от специализированных, в остальных рассматриваемых частных решениях (LTR114 , LP-04-M) величина тензометрического разбаланса измеряется косвенно, и погрешность её измерения будет являться результатом погрешности косвенных измерений.

Варианты применения специализированных тензометрических модулей АЦП LTR212(M) и LTR216 не пересекаются, поскольку эти модули поддерживают разные тензометрические схемы измерения.  Когда  Ваша схема измерения заранее определена, то это и является определяющим обстоятельством при выборе между LTR212(М) и LTR216. Но, если схема измерения находится в стадии выбора, то задача выбора оборудования расширяется большим количеством технических критериев, подлежащих сравнению, с учётом решаемой задачи.  Ниже приведены сравнительные технические характеристики специализированных тензометрических модулей LTR212(М) и LTR216 (п. 1) и их схем измерения (п. 2) с целью обоснования в пользу выбора одного или другого варианта.

Модуль LTR114 по степени специализации, скорее всего, правильней относить к АЦП общего применения, измеряющему "универсальные" электрические величины напряжения и сопротивления. Характеристики LTR114 при измерения сопротивления, наиболее полно соответствуют терморезисторным датчикам (термометрам сопротивления), но при определённых условиях LTR114 может быть применён совместно с одиночными тензодатчиками высокой тензочувствительности (об этом рассказано в п. 3).

К неспециализированным недорогим решениям тензометрического тракта можно отнести решения на основе предусилителя LP-04-M в сочетании с АЦП общего применения, например, LTR11,  E14-140-М, E14-440, E-154  (об этом рассказано в п. 4)

1. Сравнительные характеристики LTR212(M) и LTR216

2. Сравнение схем измерения LTR212(M) и LTR216

В таблице ниже приведено сравнение отличительных эксплуатационных свойств разных схем измерения. Описания схем измерения приведены по ссылкам в заголовке таблицы. 

3. О возможности применения LTR114 в тензометрии.

При определённых специальных условиях LTR114 может быть приспособлен для тензометрии как в режиме измерения сопротивления, так и в режиме измерения напряжения. Разберём ниже эти случаи подробнее.  Но во всех этих случаях речь идёт именно о приспособлении универсального АЦП, который априори - менее подходящий для тензометрии,  по сравнению со специализированными тензометрическими АЦП (по причинам, объяснённым в начале этой статьи).  Очевидно, что вся изложенная ниже информация является дополнительной по отношению к информации о LTR114, имеющейся в руководстве.  По всей видимости, эти варианты приспособления LTR114 целесообразно рассматривать в тех задачах интеграции измерительного оборудования, когда некоторые каналы измерения LTR114 будут использованы для основной задачи качественного измерения напряжения и (или) сопротивления, а остальные каналы LTR114 будут приспособлены для тензометрии при условии невысоких требований  к тензометрическим каналам. 

3.1. Режим измерения сопротивления.

При использовании обычных фольговых тензодатчиков с тензочувствительностью K= 2...4  (тензочувствительность К = [ΔR/R]/[ΔL/L]  - это величина, которая характеризует относительное изменение его выходного сигнала к изменению относительной деформации) модуль LTR114 в режиме измерения сопротивления вряд ли может быть обоснованно использован, поскольку в реальных  тензометрических задачах величина ΔR по отношению к диапазону измерения сопротивления LTR114 будет составлять слишком малую величину (в лучшем случае - тысячные доли от диапазона измерения сопротивления LTR114). Но при использовании специальных тензорезисторов на основе монокристалла кремния или монокристалла сульфида самария с тензочувствительностью K≈ 100...150 модуль LTR114 может быть применён при следующих условиях:

• Необходимо принять меры для термокомпенсации датчиков, поскольку тензодатчики с высокой чувствительностью обладают высоким ТКС. Это означает, что необходимо использовать отдельный канал измерения в качестве опорного, в котором должно измеряться сопротивление датчика, не испытывающего деформацию и находящегося в тех же температурных условиях, что и тензодатчик в рабочем канале измерения. Основная проблема данного решения в том, что производитель тензодатчиков не нормирует разброс их ТКС, и, возможно, что потребуется специальная процедура отбора экземпляров тензодатчиков по ТКС. Также, величина ТКС и тензочувствительность этих датчиков, судя по всему, может сильно зависеть от температуры, что потребует также измерения температуры тензодатчиков и непростой математики в ПО верхнего уровня для учёта всех этих факторов.
• Для задач динамической тензометрии необходимо учитывать, что характеристики модуля LTR114 не нормированы для измерения переменного сопротивления, и АЧХ модуля зависит от установленной частоты коммутации и от АЧХ sync-фильтра в составе данного преобразователя. 

3.2. Режим измерения напряжения.

В очевидном случае тензодатчика с встроенным предусилителем и выходом по напряжению  LTR114 может быть использован, и это - качественное решение тракта измерения. Если предусилитель используется внешний, то появляется проблема погрешности косвенных измерений с участием трёх звеньев (датчик, усилитель, АЦП). 

Случай приспособления LTR114 для тензометрии с полномостовой схемой (без предусилителя) описан в  руководстве, и здесь имеются следующие особенности:

•  Данное решение не является законченным, поскольку LTR114 не имеет стабильного источника напряжения или тока для полного моста, и потребуется внешний источник.
• При использовании обычных фольговых тензодатчиков малой чувствительности измеряемое разностное напряжение сигнала моста будет на 3 порядка (!) меньше диапазона измерения напряжения LTR114 (не считая напряжение начального разбаланса моста). Такое соотношение не будет способствовать качеству измерений (по сравнению с LTR212(М), LTR216, у которых диапазон измерения соответствует тензометрической задаче).
• При использовании тензодатчиков высокой чувствительности в полномостовой схеме проявляются те же проблемы этих датчиков, которые декларировались выше (ненормированность их ТКС и зависимость их ТКС от температуры), что не позволит полностью термокомпенсировать схему измерения. 
• Потребуется разработка ПО для вычисления величины тензометрического разбаланса (зависящая от напряжения питания моста и разностного напряжения сигнала), тарировки полученного канала измерения разбаланса.  
• Для задач динамической тензометрии необходимо учитывать, что характеристики модуля LTR114 не нормированы для измерения переменного напряжения, и АЧХ модуля зависит от установленной частоты коммутации и от АЧХ sync-фильтра в составе данного преобразователя.

Заметим, что  нам известно немного примеров применения универсального АЦП LTR114 для тензометрических задач из авторитетных источников (например, Измерительная система для исследования грузоподъемных машин на базе крейта LTR-EU-2), в то же время, портфолио давно выпускаемых LTR212(М) -  достаточно велико, а модуль LTR216 - совсем новый и только выходит в свет, но, судя по его техническим характеристикам, должен быть достаточно интересен потребителю в сфере тензометрии.  

4. Тензометрические решения на основе предусилителя LP-04-M в сочетании с АЦП общего применения.

По своим техническим характеристикам предусилитель LP-04-M предназначен для построения недорогих малоканальных тензометрических трактов, для применения в задачах статической и динамической тензометрии в полосе частот исследования сигнала до 50 кГц. Возможны варианты расположения предусилителя как на стороне датчика, так и на стороне АЦП. 

LP-04-M измеряет разностное напряжение сигнала полного тензомоста, имеет выход опорного напряжения (ИОН) питания моста 5/2,5 B. Для подключения тензометрического полумоста LP-04-M имеет внутренний прецизионный резисторный полумост для дополнения схемы измерения до полномостовой. Выход LP-04-M совместим как с дифференциальным входом, так и с входом с обшей землёй АЦП общего применения.

К техническим ограничениям для применения предусилителя LP-04-M в задачах тензометрии можно отнести: ограничение по мощности ИОН питания тензомоста (это ограничивает возможности питания от ИОН низкоомных тензомостов), отсутствие тракта измерения напряжения питания моста (поддержка только 4-проводных полномостовых схем и 3-проводных полумостовых), отсутствие штатной возможности подстройки начального разбаланса моста, отсутствие штатного механизма контроля обрыва-замыкания цепей датчика.

Применение LP-04-M для большинства тензометрических задач (типично с шириной полосы частот полезного сигнала гораздо меньше 50 кГц) предполагает цифровую обработку сигнала (ЦОС) в виде операций фильтрации-прореживания на верхнем программном уровне, а также операций тарировки начального разбаланса моста и шкалы измерения. При отнесении LP-04-M к недорогим решениям при построении тензометрических трактов предполагалось, что цена ЦОС на современном техническом уровне развития компьютеров и ПО – достаточно низкая. 

5. Динамическая тензометрия с LTR24-2.

В частном случае динамической тензометрии с четвертьмостовыми датчиками высокой тензочувствительности (на основе монокристалла кремния или монокристалла сульфида самария) может быть использован "режим косвенных измерений сопротивления" модуля LTR24-2. Однако, необходимо принять меры для термокомпенсации датчиков, поскольку тензодатчики с высокой чувствительностью обладают высоким ТКС. Это означает, что необходимо использовать отдельный канал измерения в качестве опорного, в котором должно измеряться сопротивление датчика, не испытывающего деформацию и находящегося в тех же температурных условиях, что и тензодатчик в рабочем канале измерения. Основная проблема данного решения в том, что производитель тензодатчиков не нормирует разброс их ТКС, и, возможно, что потребуется специальная процедура отбора экземпляров тензодатчиков по ТКС. Также, величина ТКС и тензочувствительность этих датчиков, судя по всему, может сильно зависеть от температуры, что потребует также измерения температуры тензодатчиков и непростой математики в ПО верхнего уровня для учёта всех этих факторов.