Teledetección con un amplificador de instrumentación de alta precisión

Resumen

El amplificador de instrumentación (AI) es el caballo de batalla de las aplicaciones de detección. En este artículo, exploraré algunas formas de aprovechar el equilibrio de estos amplificadores y su excelente rechazo de modo común (CMR) de CC/baja frecuencia para utilizarlos con transductores resistivos (por ejemplo, una galga extensométrica) cuando el sensor está físicamente separado del amplificador. Presentaré métodos para aumentar la inmunidad al ruido de estas etapas de ganancia y hacerlas menos sensibles a las variaciones de la fuente de alimentación y a la deriva de los componentes. También se presentarán los valores de rendimiento y los resultados medidos para mostrar el rango de precisión que permita una evaluación rápida para las aplicaciones del usuario final.

Detalle

Cuando se trata de sensores, hay poca competencia para lo que puede hacer un puente de Wheatstone (Figura 1). El puente puede producir una tensión diferencial que cambie de forma predecible en respuesta a los cambios de un parámetro físico, con la ventaja secundaria de proporcionar inmunidad a la deriva de la temperatura y el tiempo. La tensión diferencial está por encima de una gran tensión de modo común (CM). Para amplificar la pequeña señal de un puente, se utiliza un amplificador de instrumentación. Lo bueno de un amplificador de instrumentación es que, con poca o ninguna carga en los elementos del puente, puede detectar la tensión diferencial y rechazar la tensión en modo común en un grado que es prácticamente imposible de conseguir con un amplificador operacional tradicional, debido al alto grado de adaptación de las resistencias externas que se requiere.

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Figura 1: Puente de Wheatstone.

La electrónica que interviene en las mediciones físicas suele estar alejada del parámetro físico que se mide. Por ejemplo, es poco probable que una medición de galgas extensométricas, como una enterrada bajo el asfalto de una estación de pesaje de camiones o en la estructura de un puente, esté situada junto a la electrónica utilizada para leer la medición. Por ejemplo, cuando se trata de una galga extensométrica de cuarto de puente de dos hilos como la de Omega Corporation'en el caso del SGT-1/350-TY43, colocar el sensor a una distancia del amplificador de detección, como se muestra en la figura 2, da resultados insatisfactorios, incluso si se utilizan cables de sensor de par trenzado apantallado.

Figura 2. La instalación de sensores a distancia sufre la captación de ruido ambiental.

El problema es que los pares trenzados apantallados no son inmunes a todas las interferencias en los tramos largos de cable. En este caso, no se puede confiar en que la entrada o entradas bien equilibradas de la instrumentación eliminen la captación de tensión CM. Las entradas positivas y negativas del amplificador no se ven afectadas por igual por las interferencias captadas por el cable largo, y las entradas contienen señales no correlacionadas que el CMR no puede eliminar. Por lo tanto, no es sorprendente encontrar un ruido significativo en la salida del circuito, como se muestra en la figura 3, debido a esta respuesta desequilibrada a lo que parece ser ruido CM.

Figura 3: Sensor de 120 Hz que interfiere en la salida del amplificador (0,1 V/div, 2 ms/div).

Una solución para extraer con éxito la tensión diferencial del pequeño puente CM (CC e interferencia) es utilizar dos pares de pares trenzados apantallados o no apantallados (UTP). De este modo, las dos entradas IA están equilibradas y sometidas al mismo muestreo de ruido CM. Esto se ilustra en la figura 4. Un dispositivo como el LT6370, con una excelente CMR de baja frecuencia (120 dB), puede ponerse a trabajar con fiabilidad para rechazar lo que afecte a las dos entradas IA. El resultado es una forma de onda de salida limpia a gran distancia, incluso en entornos ruidosos.

Figura 4: Detección a distancia mediante dos pares de cables trenzados sin apantallar.

Con toda la potencia CMR del LT6370 a mano, se podría llevar esta idea un paso más allá y racionalizar la configuración eliminando un par de cables, dejando un único UTP. Este concepto se ilustra en la Figura 5, donde las entradas U2 se mantienen equilibradas para una buena CMR. Observa que los cables UTP son idénticos a los de U2 y tienen una impedancia idéntica a tierra (R2, R4)

Figura 5. Una sola UTP para la teledetección.

Para los valores de los componentes mostrados en la figura 5, habrá aproximadamente 1 mA fluyendo a través del sensor RSENSOR. Con el valor RG1 de U1, esta etapa funciona a G = 10 V/V y proporciona una réplica de 10× de la tensión a través de RSENSORa su tensión de salida, unos 3,5 V. La tarea principal de U1 es eliminar las interferencias en el largo cable UTP y responder sólo a la tensión del sensor, que es la resistencia del sensor multiplicada por la corriente de ~1 mA que circula por él. La excelente tensión de offset y la baja deriva del LT6370, junto con su excelente CMR, lo convierten en una elección obvia.

La otra mitad del puente de Wheatstone está formada por R5, R6 y VR1 con un flujo de corriente casi idéntico al de la mitad del puente del sensor. La tensión del sensor en la salida de U1 y la tensión de referencia en el rascador VR1 llegan a las entradas diferenciales de U2 después de un filtrado de paso bajo para eliminar el ruido no deseado. U2 está ajustado para una ganancia alta (G = 1 + 24,2 kΩ/RG2 = 100 V/V) para amplificar la pequeñísima tensión del sensor en su entrada positiva en relación con la tensión de referencia fija de bajo ruido, derivada de la referencia de tensión LT6657-5, en su entrada negativa. La salida de U1 representa con precisión la deformación medida aplicada al sensor, fijado al elemento o material de interés, para accionar un ADC o un procesamiento de señales similar.

El DAC y el OPA opcionales (U4, U5) vinculados a la patilla REF de U2 (que puede conectarse a tierra si no se requiere un ajuste de offset) pueden utilizarse para proporcionar un ajuste de offset de salida y una puesta a cero. Utilizando el DAC, es posible desplazar la tensión de salida de U2 a un nivel deseado de pedestal o CM apropiado para el ADC seleccionado. Por ejemplo, un ADC con una tensión de referencia de 5 V puede ser manejado directamente desde U2 con su salida cero ajustada a 2,5 V utilizando el DAC que maneja la entrada REF de U2. De este modo, la entrada analógica del ADC de 0 V a 2,5 V representa la compresión y la señal de 2,5 V a 5 V representa la tensión. Es importante tener en cuenta que el dispositivo que conduce la patilla REF de U2, AD820 en este caso, debe mantener una impedancia baja para eliminar cualquier posible error de ganancia.

La expresión de la tensión de salida en función de la resistencia del sensor y la relación entre la tensión de salida y la tensión medida (ε) es la siguiente

Ecuación 1

donde ΔRSENSORes el cambio en la resistencia del sensor debido a la deformación

Ecuación 2
Ecuación 3
Ecuación 4
Ecuación 5

Dónde:

L es la longitud del sensor

ε se refiere a la cantidad de deformación medida

Para el sensor seleccionado:

Rsensor = 350 Ω

GF= 2

Esto da la deformación (ε):

Ecuación 7

El bajísimo error de ganancia del LT6370 (<0,084% a G = 10 V/V) y la baja tensión de offset de entrada (<50 µV máx. especificada en función de la temperatura) garantizan que U2 reciba una réplica real de la tensión del sensor, menos las interferencias captadas por el PUT, para compararla con la tensión de referencia desarrollada en la entrada inversora de U2. El LT6657-5 crea una referencia de tensión estable, de bajo ruido y baja deriva, haciendo que todo el circuito sea inmune a las variaciones de la tensión de alimentación. El bajo ruido 1/f del LT6657-5 es especialmente importante, ya que puede contribuir significativamente debido a la alta ganancia del circuito.

Con los filtros RC paso bajo simples (R9, C2 y R10, C3) ajustados para atenuar a unos 10 Hz en cada entrada de U2, se puede reducir el ruido de salida limitando el ancho de banda. La baja frecuencia de esquina del ruido 1/f del LT6370 (<10 Hz), como se muestra en la Figura 6, ofrece una ventaja para reducir el impacto del ruido 1/f. Además, el gráfico de la densidad de ruido de la corriente muestra que es mucho mejor mantener equilibradas las dos impedancias de entrada para conseguir el menor impacto del ruido de la corriente, aprovechando el componente de ruido correlacionado en la(s) entrada(s). Por lo tanto, el valor de R10 se reduce a 3,74 kΩ para que coincida con la impedancia de R9 de 4,75 kΩ debido a la impedancia equivalente que mira al cepillo de VR1.

Figura 6. Densidad de ruido referido a la corriente/tensión de entrada del LT6370.

Resumen

Colocar un sensor de puente a cierta distancia de un amplificador de procesamiento de señales requiere un amplificador de instrumentación capaz de extraer limpiamente la tensión diferencial medida. Las características del amplificador de instrumentación LT6370 le permiten procesar con éxito las señales de los sensores remotos a través de cables largos. El proceso de fabricación del LT6370, que utiliza calentadores en el chip durante las pruebas de producción para garantizar los valores de desviación de la temperatura, mejora aún más la idoneidad del LT6370 para las aplicaciones de monitorización remota y mejora la longevidad y la vida útil del producto en instalaciones de difícil mantenimiento.

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