AN 1001: Temperaturkompensation von elektrolytischen Neigungssensoren

Beschreibung

Elektrolytische Neigungssensoren sind flüssigkeitsbasierte Geräte, so dass ihr Ausgangssignal anfällig für Temperaturschwankungen ist. In diesem Anwendungshinweis wird erläutert, wie eine Temperaturkompensation des Ausgangs von elektrolytischen Neigungssensoren erreicht werden kann, um eine möglichst genaue Winkelmessung zu erzielen.

Temperatur-Kompensation

Die Temperaturkompensation eines elektrolytischen Neigungssensors besteht aus zwei Komponenten:

  1. Null-Temperatur-Kompensation
  2. Temperaturkompensation der Skala (oder Empfindlichkeit)

Die Nulltemperaturkompensation wird mit einem Nulltemperaturkoeffizienten durchgeführt. Dies ist ein Faktor, der von Sensor zu Sensor variiert und daher für jeden Sensor individuell kalibriert werden muss. Die Einheiten dieses Faktors variieren je nach Art des Ausgangs. Einige Sensoren haben z. B. einen analogen Ausgang von 0 bis 5 V, während andere einen dezimalen ASCII-Ausgang für den aktuellen Neigungswinkel haben.

Die Skalentemperaturkompensation wird mit einem Skalentemperaturkoeffizienten durchgeführt. Dies ist ein Faktor, der für alle Sensoren desselben Typs einheitlich ist. Er hat die Einheit von Prozent des Ausgangs pro Grad C oder %/°C.

Die einzige weitere Voraussetzung für die Temperaturkompensation ist die Fähigkeit, die aktuelle Temperatur zu lesen. Diese Funktion ist bei allen TFC-Signalaufbereitungsschaltungen durch den Einsatz des MCP9700 von Microchip verfügbar.

Null-Temperatur-Kompensation

Um eine Nulltemperaturkompensation durchzuführen, muss zunächst ein Nulltemperaturkoeffizient berechnet werden (da der Koeffizient für jeden einzelnen Sensor variiert, kann TFC ihn nicht bereitstellen). Dies wird erreicht, indem der Sensor über den gewünschten Bereich temperiert wird und der Ausgang aufgezeichnet wird, während der Sensor stationär bei Null (0° Neigung) bleibt. Bei TFC führen wir typischerweise eine 3-Punkt-Kalibrierung bei -20° C, +20° C und +50° C durch.

Nehmen wir an, wir haben einen TFC-Weitbereichs-Zweiachsen-Neigungssensor 0717-4318-99, der bei +20° C auf Null steht und von einem digitalen TFC-Signalaufbereiter mit einem 16-Bit-Ausgang (0 bis 65535) angesteuert wird. Wir nehmen eine Messung vor und zeichnen die folgende Ausgabe auf:

Ausgang bei +20° C = 32768

Dann reduzieren wir die Temperatur auf -20° C und lassen den Sensor die Umgebungstemperatur erreichen. Wir nehmen eine weitere Messung vor und zeichnen die folgende Ausgabe auf:

Ausgang bei -20° C = 32738

Dann erhöhen wir die Temperatur auf +50° C und lassen den Sensor wieder auf Umgebungstemperatur kommen. Wir nehmen eine weitere Messung vor und zeichnen die folgende Ausgabe auf:

Ausgang bei +50° C = 32798

Wir können nun einen Temperaturkoeffizienten für Temperaturen zwischen -20° C und +20° C und einen weiteren für Temperaturen zwischen +20° C und +50° C mit der folgenden Formel berechnen:

Temperaturkoeffizient = (Ausgang bei 20° C - Ausgang bei aktueller Temperatur)/(20 - aktuelle Temperatur)

Wenn wir die Berechnungen für das obige Beispiel vervollständigen, finden wir die folgenden zwei Temperaturkoeffizienten:

Temperaturkoeffizient zwischen -20° C und +20° C = (32768 - 32738)/ (20° C - (-20° C)) = 30/40 = 0,75 counts/°C
Temperaturkoeffizient zwischen +20° C und +50° C = (32768 - 32798)/(20° C - 50° C) = (-30)/(-30) = 1 count/°C

Sobald die Nulltemperaturkoeffizienten berechnet sind, kann die Nulltemperaturkompensation durch Verwendung der Koeffizienten zusammen mit der folgenden Formel erreicht werden:

Nullkompensierter Ausgang = (20 - aktuelle Temperatur)*(Nulltemperaturkoeffizient) + Stromausgang

Nehmen wir an, dass wir den gleichen Sensor wie oben an einer unbekannten Position haben, wo sein Ausgang 35000 bei einer Temperatur von +40°C anzeigt. Wir können die Formel für den kompensierten Ausgang verwenden, um die folgenden Berechnungen durchzuführen:

Kompensierter Ausgang = (20° C - 40° C)*(1 Zählung/°C) + 35000 = -20 + 35000 = 34980

Es ist wichtig zu beachten, dass die Nullpunktverschiebung aufgrund der Temperatur einen Offset und damit einen Fehler über den gesamten Bereich des Sensors erzeugt, wenn sie nicht kompensiert wird.

Skala Temperaturkompensation

Die Skalentemperaturkompensation kann durch Verwendung des von TFC bereitgestellten Skalentemperaturkoeffizienten zusammen mit der folgenden Formel erreicht werden:

Skalenkompensierter Ausgang =
(Stromausgang)*(20 - aktuelle Temperatur)*(-skalierter Temperaturkoeffizient) + Stromausgang

Nehmen wir an, wir haben einen einachsigen elektrolytischen Neigungssensor 0703-1602-99 TFC mittlerer Größe. Dieser Sensor hat einen Skalentemperaturkoeffizienten von 0,075 %/°C. Nehmen wir nun an, dass der aktuelle Sensorausgang 5° Neigung bei einer Temperatur von -20° C beträgt. Wir können dann die obige Formel verwenden, um die folgenden Berechnungen durchzuführen:

(5° Neigung)*(20° C - (-20° C))*(-0,00075) = (5° Neigung)*(40° C)*(-0,00075) = -0,15° Neigung
5° Neigung + (-0,15° Neigung) = 4,85° Neigung

4,85° ist also Ihr temperaturkompensiertes Winkelpositionsmaß.

Hier ist ein weiteres Beispiel. Diesmal nehmen wir an, dass der Stromsensorausgang -5° Neigung bei einer Temperatur von 40° C beträgt:

(-5° Neigung)*(20° C - 40° C)*(-0,00075) = (-5° Neigung)*(-20° C)*(-0,00075) = -0,075° Neigung
-5° Neigung + (-0,075° Neigung) = -5,075° Neigung

-5,075° ist also Ihre temperaturkompensierte Winkelpositionsmessung.

Es ist wichtig, das Vorzeichen des Stromausgangs zu beachten, wenn Sie Berechnungen für die Skalentemperaturkompensation durchführen. Wenn Sie eine TFC-Signalkonditionierungskarte verwenden, die einen 16-Bit-Ausgang von 0 bis 65535 hat, muss dieser Ausgang zunächst so verschoben werden, dass 0 der Mittelpunkt ist (dies ist einfach durch Subtraktion von 32768 zu erreichen).

Vollständige Temperaturkompensation

Um die Temperaturkompensation richtig anzuwenden, ist es notwendig, beide Komponenten der Temperaturkompensation
zusammen zu verwenden. Dies geschieht, indem der nullkompensierte Ausgang zur Berechnung des skalenkompensierten Ausgangs verwendet wird:

Kompensierter Ausgang

= (nullkompensierter Ausgang * (20 - aktuelle Temperatur) * -skalierter Koeffizient)

+ nullpunktkompensierter Ausgang

Nehmen wir an, wir haben den gleichen Zweiachsensensor 0717-4318-99 aus dem Beispiel der Null-Temperaturkompensation
oben. Erinnern Sie sich daran, dass, als der Sensor an einer unbekannten Position bei einer Temperatur von +40°C gehalten wurde, der nullkompensierte Ausgang 34890 war. Schließen wir die Temperaturkompensation dieser Messung ab, indem wir die Skalentemperaturkompensation anwenden.

Zunächst müssen wir den Rohwert verschieben, um sicherzustellen, dass der Skalentemperaturkoeffizient korrekt berechnet wird:

34890 − 32768 = 2122

Der 0717-4318-99 hat einen Skalentemperaturkoeffizienten von 0,1%/°C. Mit diesem und dem nullpunktkompensierten Ausgang können wir
können wir nun die Skalentemperaturkompensation wie oben beschrieben anwenden:

2122 * (20℃ – 40℃) * 0.001 = 2122 * -20℃ * -0.001 = 42.44
Kompensierter Ausgang = 2122 + 42,44 = 2164,44 = 2164

Zum Schluss addieren wir wieder zum Offset, den wir zuvor subtrahiert haben, um unser endgültiges, vorzeichenloses 16-Bit-Ergebnis zu erhalten.

2164 + 32768 = 34932

Es ist wichtig, dass Sie beide Komponenten der Temperaturkompensation in Ihren Berechnungen verwenden. Die Verwendung von nur
einer Komponente kann zu unvorhersehbaren Ergebnissen führen, was manchmal dazu führt, dass die Messung weniger genau wird als die unkompensierte Ausgabe.