عملیات بالانس و جبرانسازی

که در آن:

می باشد. وقتی خطای حرارتی به صورت μm/m اندازه گیری شود، مقدار R_TN1 از رابطه زیر قابل محاسبه است.

روابط زیر از رابطه (4) مشتق گرفته شده است:

در روابط بالا

R_TN1 : مقدار مقاومت جبران ساز اثر دما که باید در بازوهای پل قرار داده شود.

R_SG : مقدار مقاومت اهمی استرین گیج بر حسب Ω

R₀ : مقدار مقاومت اصلی در دمای مرجع بر حسب Ω

‎∆R _ϑ : میزان تغییر مقاومت در اثر تغییرات دما بر حسب Ω

TK _TN1 : ضریب حرارتی مقاومت جبران ساز بر حسب ‎(Ω/Ω)/K

‎∆ϑ: تغییرات دما بر حسب K (کلوین)

U _O/U _B : حساسیت خروجی پل بر حسب V/V (سیگنال خروجی که در اثر تغییر دما به وجود آمده است)

ε : میزان کرنش به وجود آمده در اثر تغییرات دما بر حسب m/m

در اینجا باید خاطر نشان شود که اندازه گیری رفتار خروجی مبدل در دماهای مختلف، جهت بدست آوردن خطاهای حرارتی و حذف آنها، یک عمل پرهزینه‌ای می باشد. زیرا در حین اندازه گیری سیگنال خروجی، مبدل دقیقا باید در دماهای مشخص شده بماند. رنج دمای کاری بسیاری از مبدل ها معمولا از 10- تا 70+ درجه سانتی گراد می باشد. خروجی مبدل معمولا در حدهای بالایی و پایینی رنج دمایی مورد نظر و در چند نقطه بین آنها اندازه گیری می شود. قبل از هر اندازه گیری در یک دمای مشخص، باید به مبدل فرصت داد تا به دمای تعادل برسد. مدت زمان رسیدن مبدل به دمای تعادل و پایدار شدن خروجی آن، به جرم عنصر ارتجاعی بستگی دارد. هر چه جرم آن بزرگتر باشد، مدت زمان رسیدن به دمای تعادل نیز بیشتر خواهد بود و برعکس.

مبدل مثال ما در رنج دمایی اشاره شده در بالا، مقدار ε=+30μm/m خطای حرارتی برای آن اندازه گیری شده است. برای محاسبه مقدار مقاومت جبران ساز اثر دما R_TN1 داریم:

مقدار این مقاومت باید توسط برش های مکانیکی در شبکه مقاومتی ایجاد، و در پل قرار داده شود. گاهی اوقات مقدار بدست آمده را دقیقا نمی توان توسط شبکه های مقاومتی ایجاد کرد. در این حالت باید نزدیکترین مقدار قابل ایجاد را با مقدار محاسبه شده، در شبکه مقاومتی تنظیم و در پل قرار داده شود.

تصحیح بالانس صفر پل وتستون:

با اینکه تقویت کننده های مدرن امروزی که به همراه مبدل ها مورد استفاده قرار می گیرند، قابلیت انجام عمل بالانس صفر را دارند، یعنی عمل آفست گیری را به راحتی می توانند انجام دهند، اما هدف در طراحی مبدل ها این است که خروجی مبدل بدون اعمال بار مکانیکی به آن، صفر باشد. شرط تحقق این امر، تقارن کامل مدار پل می باشد.

دلایل وجود سیگنال در خروجی مبدل ها بدون اعمال بار به آنها، یعنی عدم تعادل پل وتستون به شرح زیر می باشند:

• وجود عدم تقارن در اندازه و طول سیم های اتصال در پل وتستون
• وجود عدم تقارن هایی در مقاومت اهمی خود گیج ها که اندکی با هم تفاوت دارند
• عدم تقارن هایی که از قرار دادن یک سری مقاومت های جبران کننده بخش قبل در مدار پل به وجود می آیند.
• عدم تقارن هایی که ناشی از عدم نصب صحیح گیج ها و ایجاد اختلال ها در آنها به وجود می آیند.

این عدم تقارن هایی که از موارد گفته شده در بالا به وجود می آیند، با قرار دادن یک مقاومت کوچک غیر حساس به حرارت جبران می شوند.

راحت ترین روش برای بالانس پل وتستون، استفاده از "مقاومت های فویلی قابل تنظیم" در مدار پل می باشد. شکل 4 نحوه قرار گیری این مقاومت در مدار پل وتستون را نشان می دهد. که در جهت مخالف مقاومت جبران ساز اثر حرارتی قرار گرفته است.

برای محاسبه مقدار این مقاومت باید میزان عدم تعادل پل در دمای مرجع اندازه گیری شود. این اندازه گیری می تواند در واحدهای mV/V یا μm/m باشد.

اگر اندازه گیری بر حسب mV/V باشد، از روابط زیر برای محاسبه مقدار مقاومت R_NA1 استفاده می کنیم.

یا

که در آن R_NA1=∆R می باشد.

اگر اندازه گیری بر حسب μm/m باشد، از روابط زیر برای محاسبه مقدار مقاومت R_NA1 استفاده می کنیم.

یا

که در آن R_NA1=∆R می باشد.

در روابط بالا:

R_NA1 : مقدار مقاومتی که باید در بازوهای پل قرار داده شود تا پل بالانس شود.

R_SG : مقدار مقاومت اهمی استرین گیج بر حسب Ω

‎∆R: میزان تغییرات مقاومت متناظر با عدم تعادل پل،

U_O /U _B : حساسیت خروجی پل بر حسب V/V (سیگنال خروجی پل که در دمای مرجع اندازه گیری شده است و میزان عدم تعادل پل را نشان می دهد)

ε : میزان کرنش اندازه گیری شده ناشی از عدم تعادل پل بر حسب m/m

در مثال مبدل خودمان، مقدار عدم تعادل ‎-342μm/m در دمای مرجع 20 درجه سانتی گراد، بعد از انجام عملیات جبران سازی TC₀ اندازه گیری شده است.

حال باید این مقاومت که توسط شبکه مقاومتی فویلی قابل تنظیم، ایجاد و در پل مطابق شکل 4 قرار داده شود.

جبران سازی اثر دما بر حساسیت مبدل:

تغییرات دما، علاوه بر تغییر نقطه صفر خروجی، حساسیت مبدل را نیز تحت تاثیر خود قرار می دهد. برای مبدل هایی که از روش ولتاژ ثابت تغذیه می شوند، داریم:

دلایل وابستگی حساسیت مبدل به تغییرات دما عبارت است از:

1- وابستگی دمایی مدول یانگ عنصر ارتجاعی

مدول یانگ عنصر ارتجاعی E با افزایش دما مقدار آن کاهش پیدا می کند. در نتیجه عنصر ارتجاعی که بار ثابتی به آن اعمال شده است، در دماهای بالا نسبت به دماهای پایین بیشتر دچار کرنش می شود. و متعاقبا کرنش ثبت شده توسط استرین گیج نه تنها به بار اعمالی، بلکه به دما نیز بستگی دارد.

2 – وابستگی دمایی فاکتور گیج (K) استرین گیج ها

فاکتور گیج معیاری برای اندازه گیری حساسیت استرین گیج می باشد.

فاکتور گیج نیز وابستگی دمایی از خود نشان می دهد. شکل 5 یک نمونه منحنی فاکتور گیج را در برابر تغییرات دما نشان می دهد.

برای جبران سازی این خطا به مقاومت های حساس به دما با ضریب حرارتی مقاومتی بالا نیاز است. این مقاومت ها به صورت سری با خطوط تغذیه در مدار پل وتستون قرار می گیرند. با افزایش حرارت مقدار این مقاومت ها بالا رفته و ولتاژ ورودی پل به میزانی که خروجی آن به خاطر موارد گفته شده در بالا، افزایش یافته بود، کاهش می یابد. این عمل تقریبا حساسیت خروجی را ثابت نگه می دارد.

نحوه قرار گیری این مقاومت های حساس به دما در شکل زیر نشان داده شده است.

برای محاسبه مقدار این مقاومت ها باید خروجی مبدل در ظرفیت نامی آن در دماهای مورد نظر اندازه گیری شود.

مقدار مقاومت R_TC1 به صورت زیر محاسبه می شود:

که در آن:

R_TC1 : مقدار مقاومت جبران ساز اثر دما بر حساسیت خروجی که باید به صورت سری با پل قرار داده شود.

R_B : مقدار مقاومت اهمی پل بر حسب Ω

‎∆R_ϑ : میزان تغییر مقاومت در اثر تغییرات دما بر حسب Ω

TC_TC1 : ضریب حرارتی مقاومت جبران ساز بر حسب ‎(Ω/Ω)/K

K₁ : حساسیت خروجی مبدل در بار نامی در ماکزیمم دمای کاری مبدل بر حسب mV/V یا μm/m

K₂ : حساسیت خروجی مبدل در بار نامی در دمای مرجع بر حسب mV/V یا μm/m

وابستگی دمایی حساسیت مبدل مثال ما، به صورت زیر اندازه گیری شده است:

سیگنال خروجی مبدل در بار نامی 1 کیلوگرم و در دمای مرجع 20 درجه سانتی گراد:

سیگنال خروجی مبدل در بار نامی 1 کیلوگرم و در ماکزیمم دمای کاری آن در 70 درجه سانتی گراد:

داریم:

تنظیم حساسیت خروجی مبدل:

مبدل هایی که از استرین گیج استفاده می کنند، معمولا به گونه ای طراحی می شوند که حساسیت خروجی آنها 2mV/V شود یعنی به ازای ورودی 1 ولت بتوان از خروجی مبدل سیگنالی به اندازه 2mV در بار نامی آن دریافت کرد.

به خاطر وجود خطاهای غیرقابل اجتناب، ساخت مبدل هایی که دقیقا حساسیت مورد نظر را دهد، امکان پذیر نیست. برای همین عنصر ارتجاعی باید طوری طراحی شود که در بار نامی خود برای حساسیت مثلا 2mV/V، حساسیت 2.4mV/V را بدست بدهد.

حال برای رسیدن به حساسیت 2mV/V باید در مسیر سیگنال های ورودی، مقاومت های ثابت غیر حساس به حرارت R_E قرار داده شود. وظیفه این مقاومت ها کاهش تغذیه ورودی پل وتستون و در نتیجه کاهش حساسیت مبدل به مقدار مورد نظر است.

مقدار مقاومت R_E جهت تنظیم حساسیت خروجی مبدل، از رابطه زیر قابل محاسبه است.

که در آن :

R_E : مقدار مقاومت مورد نیاز جهت تنظیم حساسیت مبدل به مقدار مورد نظر

R_B : مقاومت ورودی پل وتستون

K₁ : حساسیت مبدل قبل از تنظیم آن

K₂ : حساسیت مورد نظر برای مبدل

اقدامات حفاظتی محل نصب گیج ها:

حفاظت از محل نصب گیج ها در مبدل ها از اهمیت ویژه ای برخوردار است، اینکه یک مبدل در طولانی مدت بتواند عملکرد مطلوب خود را در برابر عوامل خارجی مزاحم حفظ کند یا نه، بستگی زیادی به پوشش محل نصب گیج ها دارد.

پوشاندن گیج ها از آنها در برابر عوامل محیطی مانند رطوبت، گرد وغبار و عوامل مکانیکی مانند ضربه و ... محافظت می کند.

در میان این عوامل، رطوبت از همه مهم تر است. رطوبت مقاومت الکتریکی عایق را که به صورت یک مقاومت شنت که با نقطه اندازه گیری موازی شده است، کاهش می دهد.

مقدار این مقاومت های شنت با دما و رطوبت تغییر می کند و باعث می شود در خروجی مبدل خزش وجود داشته باشد.

مثال زیر یک معیاری را برای خطای رطوبت نشان می دهد. در این مثال از یک گیج 350 اهمی با فاکتور گیج 2 استفاده شده است. مقدار تغییرات مقاومت این گیج در بار نامی 1000μm/m برابر با 0.7 اهم می باشد. اگر مقاومت عایق الکتریکی به صورت یک مقاومت شنت در دو سر استرین گیج در نظر گرفته

شود، در این صورت مقاومت کل از روابط (12) و (13) قابل محاسبه است. با در نظر گرفتن مقدار 20000 مگااهم برای RN داریم:

همانطور که می بینید، این تغییر بسیار کوچک در مقدار مقاومت گیج قابل چشم پوشی است. حال اگر مقاومت عایق الکتریکی به خاطر رطوبت به 2 مگااهم کاهش یابد، داریم:

تغییرات مقاومت در این حالت نسبت به حالت قبل، ∆R=0.06Ω می باشد، این تغییرات در مقاومت معادل 85.7μm/m تغییرات در کرنش می باشد. این میزان تغییرات در برابر کرنش نامی 1000μm/m ، خطایی تقریبا 10% را نشان می دهد.

این مثال میزان تاثیر رطوبت بر عملکرد مبدل را به خوبی نشان می دهد، هرچقدر مقاومت گیج بیشتر باشد، اثرگذاری رطوبت به همان میزان بیشتر خواهد بود. برای همین محل نصب گیج ها و بقیه المان ها باید به خوبی در برابر این عوامل محافظت گردد. برای این کار چسب های مخصوصی از طرف سازندگان گیج ها وجود دارد که هر کدام از این چسب ها محل نصب المان ها را در برابر برخی از عوامل محیطی و مکانیکی محافظت می کند.