Automatische zelf kalibratie

Elektronia in meetinstrumenten vertoond altijd een zekere afwijking die de stabiliteit en nauwkeurigheid beïnvloeden. Offset, drift en variatie in versterking ten gevolge van temperatuurschommelingen, veroudering en variatie in voedingsspanning maakt dat de meetonzekerheid onaanvaardbare proporties kan aannemen. Door gebruik te maken van automatische zelf kalibratie kan de nauwkeurigheid flink worden verbeterd.

Offset en versterking

In figuur 1 zijn drie versterker karakteristieken afgebeeld. De dikke zwarte lijn vertegenwoordigt een ideale versterking van exact 100 en een ingangsoffset spanning van 0 volt. De rode lijn geeft de karakteristiek weer van een versterker die alleen een afwijkende ingangsoffset waarde heeft van -25 mV, de versterking is ook hier weer exact 100. De blauwe lijn vertegenwoordigt een versterker met een ingangsoffset spanning van +50 mV en een afwijkende versterking van 70.

Juist dit soort afwijkingen in offset en versterking van het ideaal kunnen met door een automatische kalibratie gecorrigeerd worden. Voorwaarde hierbij is dat de meetversterker lineair versterkt.

Principe

Het principe van een automatische kalibratie berust op het continu of periodiek kalibreren van de meetversterker en/of sensor tegen een stabiele referentie. Voorafgaand aan de daadwerkelijke meting wordt de ingang van de meetversterker eerst verbonden met een lage referentiespanning en vervolgens met een hoge referentiespanning. Met deze twee metingen kan de offset en versterking van de meetversterker worden bepaald. De daadwerkelijke meting die daarop volgt wordt beïnvloed door dezelfde offset en mate van versterking. Doordat de offset en versterking nu bekend zijn kan de daadwerkelijke meting met deze gegevens gecorrigeerd worden.

In veel gevallen zal voor de lage referentiespanning de massa, of 0V, worden gekozen. De hoge referentiespanning heeft vaak een waarde die in de buurt ligt van de hoogst voorkomende te meten waarde.

Meetcyclus

De drie stappen waaruit de meetcyclus met een auto kalibratie bestaat wordt hieronder nader beschreven.

Stap 1:

De ingang van de versterker wordt met de lage referentiespanning (GND = 0 V) verbonden. Daarom wordt alleen de ingangsoffsetspanning van de versterker versterkt en geregistreerd door de meter M. Deze waarde krijgt het label U_nul.

Stap 2:

De ingang van de versterker wordt vervolgens met de hoge referentiespanning U_ref verbonden. De referentiespanning met daarbij opgeteld de ingangsoffsetspanning van de versterker wordt versterkt en geregistreerd door de meter M en krijgt het label U_max.

Stap 3:

Als laatste wordt de ingang van de versterker verbonden met de te meten spanning U_x. Deze meetspanning met daarbij opgeteld de ingangsoffsetspanning van de versterker wordt versterkt en geregistreerd door de meter M, gelabeld U_in.

Met de drie waarden U_nul, U_max en U_in die tijdens deze cyclus verkregen zijn kan de exacte waarde voor de onbekende spanning U_X verkregen worden.
De exacte versterking: [equ. 1]
De onbekende spanning: [equ. 2]
De registrerende meter M zal in de praktijk een AD-converter zijn, waarbij de berekeningen door de microcontroller gedaan worden.

Periodieke kalibratie

Bij een auto kalibratie bestaat elke meting uit een cyclus van drie metingen. Normaliter is de versterking en offset redelijk stabiel. Alleen wanneer de meetversterker onderhevig is aan temperatuurschommelingen kunnen deze parameters flink variëren. Dit is bijvoorbeeld het geval als de meetversterker net is ingeschakeld en nog moet opwarmen.

Telkens vooraf bij elke meting de versterking en offset bepalen is dus vaak overbodig. Als van de meetversterker alleen deze parameters bepaald wanneer dit nodig is noemt men dit een automatische kalibratieprocedure. Met een zekere interval worden dan de waarden van de offset en versterking bepaald. De interval kan bijvoorbeeld bepaald worden doordat de gemeten temperatuur van de versterker x °C is veranderd.

Sensoren

Voor metingen van niet elektrische grootheden worden sensoren ingezet. Sensoren zijn niet alleen gevoelig voor de te meten parameter, maar o.a. ook temperatuur zal invloed hebben op de meting. Als de sensoren zelf ook deel uitmaken van de zef kalibratie kunnen ongewenste invloeden geëlimineerd worden.

Voorbeeld: Capacitive vloeistofniveau meting

Om dit principe te verduidelijken wordt een vloeistofniveaumeting met capacitive sensoren aangehaald. Het principe van een capacitive vloeistof niveausensor berust op capaciteitsverandering van een condensator door de verhouding van twee diëlektrica. De twee platen van de condensator strekken zich uit over de hele hoogte van het vat. Het onderste deel van de condensator heeft een vloeistof als diëlektricum, het bovenste deel lucht of een ander gas. Dus de capaciteit is afhankelijk van het vloeistof nivo.

Capacitive sensor

Bij een eenvoudige opzet met één condensator is de meetonzekerheid groot omdat vele parameters invloed hebben op de diëlektrische constante van de vloeistof en het gas, alsook de fysische afmetingen. Zo zal temperatuur en samenstelling van de vloeistof en het gas een grote rol spelen. En dan zijn er nog de variaties in spanning van de wisselspanningsbron die nodig is om de capaciteit te meten. Deze heeft direct invloed op de meetresultaten.

Schakeling en kalibratie

Uit de beschrijving van de capacitive sensor blijkt dat er een vele oorzaken zijn die op de meetonzekerheid van invloed zijn. De nauwkeurigheid kan met behulp van een auto kalibratie flink worden opgeschroefd.

In figuur 5 is een voorbeeld opstelling van een automatische kalibratie met capacitieve sensoren weergegeven. Naast de daadwerkelijke meetsensor C_meet zijn twee referentiesensoren aangebracht. De referentiesensor C_ref-high bevind zich altijd geheel onder het vloeistofniveau. De referentie condensator C_ref-low bevindt zich te allen tijde geheel boven het vloeistofoppervlak. De meting is dus alleen geldig indien de vloeistofkolom tussen h_min en h_max blijft.

De gemeenschappelijke plaat van de meetcondensatoren is met een wisselspanningsbron verbonden. De versterker A is een speciaal type: deze heeft een ingangsimpedantie van 0 Ω. De versterker versterkt stroom in plaats van spanning. Op deze wijze kan de stroom die door de condensatoren loopt gemeten worden.

Tijdens de eerste twee metingen worden de capaciteiten C_ref-high en C_ref-low gemeten. Met deze twee meetwaarden kan de schaalfactor en offset bepaald worden. De derde meting in de cyclus betreft C_m. Aan de hand van deze drie metingen kan de hoogte van de vloeistofkolom vanaf de onderkant van de meetsensor C_m bepaald worden aan hand van de gemeten stromen en de hoogte h_s van de meetsensor:
[equ. 3]

In figuur 5 zijn de twee referentiecapaciteiten kleiner getekend dan de meetcapaciteit, maar moeten dezelfde oppervlak hebben. Er kan gevariëerd worden met de vorm zodat de referentie condensatoren breder zijn en minder hoog. De berekening van vergelijking 3 gaat er van uit dat alle drie de sensoren even groot zijn. Hebben de capaciteiten niet een even groot oppervlak dan zal dit verrekend moeten worden.

Dit soort capacitive sensoren worden vaak met vele sensoren over een grote lengte uitgevoerd. De capaciteit waar de vloeistof-gas grens bevind is makkelijk te vinden door de capaciteiten te vergelijken en te kijken waar de capaciteit veranderd. De capaciteit die er boven ligt bevind zich dan volledig in het gas, de capaciteit eronder zal zich volledig in het vloeistof bevinden. Deze twee sensoren zullen als referenties gebruikt worden.