Descrizione
I sensori di inclinazione elettrolitici sono dispositivi basati su fluidi che rendono la loro uscita suscettibile alle variazioni di temperatura. Lo scopo di questa nota applicativa è spiegare come si può ottenere la compensazione della temperatura dell'uscita del sensore elettrolitico di inclinazione per ottenere la massima precisione nella misurazione angolare.
Compensazione della temperatura
Ci sono due componenti per la compensazione della temperatura di un sensore di inclinazione elettrolitico:
- Compensazione di temperatura nulla
- Compensazione della temperatura della scala (o della sensibilità)
La compensazione di temperatura nulla è realizzata con un coefficiente di temperatura nulla. Questo è un fattore che varia da sensore a sensore e quindi deve essere calibrato individualmente per ogni sensore. Le unità di questo fattore variano a seconda del tipo di uscita. Per esempio, alcuni sensori hanno un'uscita analogica da 0 a 5 V mentre altri avranno un'uscita decimale ASCII dell'angolo di inclinazione corrente.
La compensazione della temperatura della scala è realizzata con un coefficiente di temperatura della scala. Questo è un fattore che è uniforme tra tutti i sensori dello stesso tipo. Esso ha unità di misura della percentuale di uscita per grado C o %/°C.
L'unico altro requisito per la compensazione della temperatura è la capacità di leggere la temperatura corrente. Questa funzione è disponibile su tutti i circuiti del condizionatore di segnale TFC grazie all'uso dell'MCP9700 di Microchip.
Compensazione di temperatura nulla
Per ottenere una compensazione termica nulla, è necessario prima calcolare un coefficiente di temperatura nulla (poiché il coefficiente varia per ogni singolo sensore, TFC non può fornirlo). Questo si ottiene facendo scorrere la temperatura del sensore nell'intervallo desiderato e registrando l'uscita mentre il sensore rimane fermo a zero (0° di inclinazione). In TFC tipicamente si effettua una taratura a 3 punti a -20° C, +20° C, e +50° C.
Supponiamo di avere un sensore di inclinazione a doppio asse TFC 0717-4318-99 ad ampio raggio a +20° C con un condizionatore di segnale digitale TFC con un'uscita a 16 bit (da 0 a 65535). Prendiamo una lettura e registriamo la seguente uscita:
Uscita a +20° C = 32768
Riduciamo quindi la temperatura a -20° C e consentiamo al sensore di raggiungere la temperatura ambiente. Facciamo un'altra lettura e registriamo la seguente uscita:
Uscita a -20° C = 32738
Aumentiamo quindi la temperatura fino a +50° C e permettiamo di nuovo al sensore di raggiungere la temperatura ambiente. Facciamo un'altra lettura e registriamo la seguente uscita:
Uscita a +50° C = 32798
Ora possiamo calcolare un coefficiente di temperatura per temperature tra -20° C e +20° C e un altro per temperature tra +20° C e +50° C utilizzando la seguente formula:
Coefficiente di temperatura = (uscita a 20° C - uscita alla temperatura attuale)/(20 - temperatura attuale)
Completando i calcoli per l'esempio precedente, troviamo i seguenti due coefficienti di temperatura:
Coefficiente di temperatura tra -20° C e +20° C = (32768 - 32738)/ (20° C - (-20° C)) = 30/40 = 0,75 conteggi/°C
Coefficiente di temperatura tra +20° C e +50° C = (32768 - 32798)/(20° C - 50° C) = (-30)/(-30) = 1 conteggio/°C
Una volta calcolati i coefficienti di temperatura nulli, la compensazione della temperatura nulla può essere ottenuta utilizzando i coefficienti insieme alla seguente formula:
Uscita compensata nulla = (20 - temperatura corrente)*(coefficiente di temperatura nulla) + uscita corrente
Supponiamo di avere lo stesso sensore in alto, in una posizione sconosciuta, dove la sua uscita è 35000 ad una temperatura di +40°C. Possiamo usare la formula per l'uscita compensata per completare i seguenti calcoli:
Uscita compensata = (20° C - 40° C)*(1 conteggio/°C) + 35000 = -20 + 35000 = 34980
È importante notare che l'offset nullo dovuto alla temperatura produrrà un offset, e quindi un errore, su tutto il campo del sensore se non viene compensato.
Compensazione della temperatura della scala
La compensazione della temperatura della scala può essere ottenuta utilizzando il coefficiente di temperatura della scala fornito da TFC insieme alla seguente formula:
Uscita compensata in scala =
(uscita in corrente)*(20 - temperatura corrente)*(-coefficiente di temperatura della scala) + uscita in corrente
Supponiamo di avere un sensore di inclinazione elettrolitico monoasse a medio raggio TFC 0703-1602-99. Questo sensore ha un coefficiente di temperatura della scala di 0,075%/°C. Supponiamo ora che l'uscita del sensore di corrente sia di 5° di inclinazione ad una temperatura di -20° C. Possiamo quindi usare la formula di cui sopra per completare i seguenti calcoli:
(5° inclinazione)*(20° C - (-20° C))*(-0,00075) = (5° inclinazione)*(40° C)*(-0,00075) = -0,15° inclinazione
5° di inclinazione + (-0,15° di inclinazione) = 4,85° di inclinazione
4,85° è quindi la vostra misura di posizione angolare compensata in temperatura.
Ecco un altro esempio. Questa volta supponiamo che l'uscita del sensore di corrente sia inclinata di -5° ad una temperatura di 40° C:
(-5° inclinazione)*(20° C - 40° C)*(-0.00075) = (-5° inclinazione)*(-20° C)*(-0.00075) = -0,075° inclinazione
-5° di inclinazione + (-0,075° di inclinazione) = -5,075° di inclinazione
-5,075° è quindi la vostra misura di posizione angolare compensata in temperatura.
È importante tenere presente il segno dell'uscita in corrente quando si fanno i calcoli per la compensazione della temperatura della scala. Se si usa una scheda di condizionamento del segnale TFC che ha un'uscita a 16 bit da 0 a 65535, questa uscita dovrà prima essere spostata in modo che 0 sia il punto medio (questo si ottiene facilmente sottraendo 32768).
Compensazione completa della temperatura
Per applicare correttamente la compensazione della temperatura, è necessario utilizzare entrambi i componenti della compensazione della temperatura
insieme. Questo viene fatto utilizzando l'uscita compensata nulla per calcolare l'uscita compensata della scala:
Uscita compensata
= (uscita compensata nulla * (20 - temperatura attuale) * - coefficiente di scala)
+ uscita compensata nulla
Supponiamo di avere lo stesso sensore a doppio asse 0717-4318-99 dell'esempio di compensazione di temperatura nulla
sopra. Ricordiamo che quando il sensore è stato tenuto in una posizione sconosciuta ad una temperatura di +40°C, l'uscita compensata nulla era 34890. Finiamo la compensazione della temperatura di questa misura applicando la compensazione della temperatura della scala.
Per prima cosa, dobbiamo spostare il valore grezzo per assicurarci che il coefficiente di temperatura della scala sia calcolato correttamente:
34890 − 32768 = 2122
Il modello 0717-4318-99 ha un coefficiente di temperatura della scala di 0,1%/°C. Usando questo e l'uscita compensata nulla, possiamo
ora applicare la compensazione della temperatura della scala come descritto sopra:
2122 * (20℃ – 40℃) * 0.001 = 2122 * -20℃ * -0.001 = 42.44
Uscita compensata = 2122 + 42,44 = 2164,44 = 2164
Infine, aggiungiamo indietro per compensare che abbiamo sottratto in precedenza per ottenere il nostro risultato finale non firmato a 16 bit.
2164 + 32768 = 34932
È importante assicurarsi di utilizzare entrambi i componenti della compensazione della temperatura nei propri calcoli. Utilizzando solo
un componente può avere risultati imprevedibili, con il risultato che talvolta la misura diventa meno accurata dell'uscita non compensata.