Sähköisten häiriö- ja virhelähteiden vaikutusten minimointi vaakajärjestelmässä

Abstract

Vaakajärjestelmissä, joissa mitataan kuorman painoa analogisella voima-anturilla, on ongelmana voima-anturin analogisessa lähtöjännitteessä ilmenevät sähköiset häiriöt. Nämä häiriöt johtavat painokuorman väärään tulkintaan. Tutkimuksen tavoitteena on selvittää mitkä häiriö- ja virhelähteet vaikuttavat tyypillisen vaakajärjestelmän mittaustulokseen, sekä selvittää menetelmiä, joilla näitä häiriöitä ja virheitä voidaan vähentää.

Tutkimuksessa perehdyttiin kirjallisuuskatsauksella vaakajärjestelmän rakenteeseen, häiriöihin ja virhelähteisiin sekä tapoihin, joilla voidaan poistaa näitä häiriöitä. Tutkimuksen kokeellisessa osassa selvitettiin Anyload 108BA -voima-anturin lähtöjännitteen signaali-kohinasuhde, sekä tutkittiin voima-anturin lähtöjännitteen muutosta ja korttitietokoneella tallennetun kuorman muutosta, kun vaakajärjestelmä mittasi painokuormaa useamman vuorokauden ajan. Lisäksi tutkittiin suodatuksen vaikutusta mittaustulokseen. Vaakajärjestelmän kytkentää muokattiin, minkä tavoitteena oli päästä vähähäiriöisempään mittaustulokseen.

Tutkimuksen tuloksena havaittiin monen eri virhelähteen vaikutus vaakajärjestelmään. Muodonmuutokseen perustuva voima-anturi on epälineaarinen, minkä vuoksi mittauksen virhe muuttuu punnittavan massan mukaan. Lisäksi voima-anturin lähtöjännite saattaa ryömiä ajan suhteen. Komponenttien valinnalla ja asettelulla voidaan vaikuttaa häiriöiden määrään, koska komponenttien aiheuttama sisäinen kohina heikentää mittauksen mittaustarkkuutta ja komponenttien asettelulla on yhteys sähkömagneettisten häiriöiden määrään vaakajärjestelmässä. Mittauksilla havaittiin seuraavat häiriölähteet: laboratorioympäristön sähkömagneettiset häiriöt oli selkeästi havaittavissa voima-anturin lähtöjännitteessä, lämpötilan vaikutus voima-anturin käyttöjännitteen arvoon oli 1,6 mV:a Celsius-astetta kohden, voima-anturin käyttöjännitteen vaikutus lähtöjännitteeseen ei osoittautunut lineaariseksi, sekä voima-anturin lähtöjännitteen ryömintä ajan suhteen (0,21 grammaa 24 tunnin aikana). Muokatulla kytkennällä saatiin voima-anturin lähtöjännitteen vaihteluväli pienemmäksi verrattuna alkuperäiseen kytkentään.

Johtopäätöksenä voidaan todeta, että vaakajärjestelmän analoginen osa on erittäin herkkä ulkoisille häiriöille. Järjestelmään aiheuttavat häiriöitä myös valitut komponentit, voima-anturi ja AD-muunnin.

At weigh scale systems where weight load is measured by analog load cell, electromagnetic interference and noise generate error to the measurement. The aim of this study is to find out what typical interference and error sources are, and what the most common methods are to eliminate these sources of a measurement error.

Literature review of the study orientates to the weigh scale system’s structure, interferences and source of errors as well as methods that can be used to eliminate these interferences. The experimental part of the study is focused on studying the signal-to-noise ratio of the Anyload 108BA -load cell’s output voltage, and change of the load cell’s output voltage and single board computer’s weigh measurements, when weigh scale system measured the weight of the load for several days. Also, the effect of filtering on measurement result was studied. Weigh scale system was modified, in order to reduce measurement error.

The results of the study show that many sources of errors affect to the weigh scale system. The load cell based on deformation is non-linear, which means that the measurement error is varying according to the weight load. Moreover, the output voltage of the load cell may drift in proportion to time. Choice and placing of system components affect the amount of interferences, because the components’ inherent noise reduces the measurement accuracy of the weigh scale system and placing of the components has a relation to the electromagnetic interferences in the weigh scale system. The following sources of interference were detected by the measurements: the electromagnetic interferences were clearly noticeable at load cell’s output voltage, the effect of ambient temperature to load cell’s excitation voltage was 1,6 mV per Celsius-degree, the relation between the excitation voltage of the load cell and the output voltage was not linear, and the drift of the output voltage according to time (0,21 grams per 24 hours). With modified coupling the load cell’s output voltage’s range was smaller than with the original coupling.

In conclusion, it can be said that the weigh scale system’s analog part is very sensitive to external interferences. Even chosen components, the load cell, as well as the AD -converter cause errors to the system.