Material preluat de la NATIONAL INSTRUMENTS – Application Notes
Pentru a realiza acest lucru curentul este injectat printr-o rezistenţă, aşa cum este arătat în figura 6.
Se poate apoi folosi un sistem DAQ pentru a măsura tensiunea VO = ISR pe rezistor, unde IS este curentul şi R este rezistenţa. Se va alege valoarea rezistorului pentru a rezulta un domeniu de tensiuni convenabile, de precizie şi coeficiente de temperatură scăzute. De exemplu, SCXI Process-Current Resistor Kit este format din rezistoare de 249W, 0,1%, 5ppm/°C. Aceste valori de rezistenţă vor converti un curent de 4 la 20mA într-o tensiune de 0,996 la 4,98V.
Funcţii generale de condiţionare a semnalului
Indiferent de tipul de traductoare folosit, echipamentul adecvat de condiţionare a semnalului poate îmbunătăţi calitatea şi performanţa sistemului. Funcţiile de condiţionare a semnalului pot fi folosite pentru toate tipurile de semnale, inclusiv amplificare, filtrare şi izolare.
Amplificare
Zgomotul nedorit poate influenţa precizia de măsurare a sistemului DAQ bazat pe PC. Efectele zgomotului sistemului asupra măsurătorilor pot fi catastrofale dacă nu se iau măsuri de corectare. Circuitele pentru condiţionarea semnalului cu amplificare în exteriorul PC-ului şi aproape de sursa de semnal pot mări rezoluţia măsurătorilor şi reduce efectele zgomotului. Un amplificator, montat direct pe modulul DAQ sau în condiţionere externe de semnal, poate amplifica semnale mici înainte ca ADC să convertească semnalul într-o valoare digitală. Astfel este folosit întregul domeniu de intrare pentru ADC.
Multe traductoare au tensiuni de ieşire de ordinul milivolţilor sau chiar microvolţilor. Amplificarea directă a acestor semnale în interiorul modulului DAQ duce şi la amplificarea zgomotului generat de firele de legătură. Atunci când semnalul de intrare este de ordinul microvolţilor zgomotul poate acoperi semnalul util, ceea ce duce la eşecul măsurării.
O metodă simplă pentru reducerea efectelor zgomotelor asupra semnalului este de a amplifica semnalul cât mai aproape de sursă, astfel încât nivelul semnalului să fie mult mai mare faţă de nivelul zgomotului.
De exemplu, un termocuplu de tip J are la ieşire un semnal care se modifică cu 50mV/°C. Să presupunem că firele de legătură au 10m şi se află într-un mediu de zgomot electric dintr-o fabrică. Dacă variaţiile datorate zgomotului sunt de 200mV se obţine o diferenţă de temperatură datorată zgomotului de 4°C. Amplificarea semnalului la sursă, alături de termocuplu, duce la reducerea acestor erori. Amplificarea semnalului de 500 de ori cu un condiţioner de semnal aflat lângă termocuplu oferă un semnal care variază cu cca. 25mV/°C. Cei 10m de fire de legătură produc un zgomot de 200mV care se adaugă la semnalul util. Acest zgomot produce astfel o eroare de numai o fracţiune de grad Celsius.
Filtrare şi mediere
Se pot folosi de asemenea filtre pentru eliminarea zgomotului nedorit dintr-un anumit domeniu de frecvenţe. Multe sisteme vor elimina componentele de zgomot periodic de 60Hz produse de surse de alimentare. Condiţionerele de semnal cu filtru trece jos pot elimina componente nedorite de înaltă frecvenţă. Trebuie însă ca banda de trecere a filtrului să fie atent aleasă astfel încât să nu fie afectat timpul de răspuns al semnalului util.
Deşi multe condiţionere de semnal au filtre trece jos pentru eliminarea zgomotului, se pot lua măsuri suplimentare de reducere a zgomotului prin mediere software. Medierea software (software averaging) este o tehnică simplă şi eficace pentru filtrare digitală a semnalului. Pentru fiecare dată citită sistemul DAQ face o medie între mai multe citiri. De exemplu, se pot face 100 de măsurători pentru fiecare dată oferită de sistem. Pentru aplicaţii mai lente această mediere este o metodă foarte eficace de reducere a zgomotului.
Izolare
Împământarea incorectă a sistemelor DAQ este cea mai comună cauză de generare a problemelor de măsurare şi defectare a modulelor DAQ. Izolarea condiţionerelor de semnal poate preveni multe probleme de acest tip prin izolarea galvanică a semnalului. Izolarea galvanică elimină tensiunile de mod comun şi protejează modulele scumpe DAQ.
Metodele comune pentru izolarea circuitelor include izolatoare optice, magnetice sau capacitive. Izolatoarele magnetice şi capacitive modulează semnalul şi îl convertesc din tensiune în frecvenţă. Frecvenţa poate apoi fi transmisă printr-un transformator sau capacitor, fără conexiune fizică, semnalul fiind apoi din nou convertit în tensiune.
Atunci când se conectează masa traductorului sau echipamentului la sistemul DAQ toate diferenţele de potenţial din masă sunt transmise sistemului DAQ. Această tensiune este cunoscută sub numele de tensiune de mod comun (common-mode voltage). Dacă se foloseşte un sistem de măsurare ca în Figura 7., tensiunea măsurată include tensiunea semnalului, VS, şi tensiunea de mod comun datorată curenţilor din masa sistemului, VG.
Dacă se foloseşte un modul DAQ cu intrări diferenţiale, se pot elimina anumite tensiuni de mod comun, de obicei până la 12V. Totuşi, diferenţe mai mari de potenţial în masă sau bucle de masă vor deteriora dispozitivele DAQ neprotejate. Dacă nu se pot înlătura referinţele de masă, se vor folosi condiţionere izolatoare de semnal care elimină aceste bucle de masă şi tensiuni mari de mod comun. De exemplu, modulele de amplificare izolatoare SCXI pot funcţiona la tensiuni de mod comun de până la 250Vrms. Această izolare duce la o funcţionare sigură şi respectă standardele CE.
Izolatoarele oferă şi o funcţie importantă de securitate prin protejarea împotriva tensiunilor accidentale mari ale liniilor de alimentare, fulgerelor sau echipamentelor de înaltă tensiune. În condiţii de tensiuni mari, o tensiune accidentală poate deteriora echipamentul sau poate chiar răni operatorii. Prin izolare galvanică, condiţionerele de semnal izolatoare oferă o barieră eficace între sistemul DAQ şi aceste tensiuni accidentale.
Multiplexare
Condiţionerele de semnal echipate cu multiplexoare de semnal pot reduce costul sistemului de măsură atunci când sunt folosite mai multe surse de semnal. Modulul DAQ tipic are între 8 şi 16 intrări analogice şi între 8 şi 24 linii digitale de I/O. Se poate creşte capacitatea de I/O la sute sau chiar mii de canale prin folosirea de multiplexoare externe. Multiplexoarele analogice de intrare folosesc relee pentru comutarea secvenţială sau pot scana mai multe semnale de intrare analogice pe un singur canal al modulului DAQ. Pentru aplicaţii de înaltă viteză trebuie avut în vedere ca rata de scanare a circuitului de multiplexare şi a modului DAQ să fie corectă.
Condiţionarea digitală a semnalului
Semnalele digitale pot necesita periferice de condiţionare a semnalului. De obicei nu se pot conecta direct semnale digitale folosite în medii de cercetare şi industriale cu modulele DAQ fără o anumită izolare datorită posibilităţii apariţiei de tensiuni accidentale sau a tensiunilor de mod comun mari.
Anumite module de condiţionare a semnalului izolează optic semnalele digitale de I/O pentru înlăturarea acestor probleme. Semnalele digitale de I/O pot comanda relee pentru comutarea sarcinilor ca solenoizi, becuri, motoare, ş.a.m.d. Se pot folosi de asemenea relee pentru detectarea semnalelor de înaltă tensiune şi convertirea lor în semnale digitale.
Sisteme de condiţionare a semnalului pentru sisteme DAQ pe bază de PC
Funcţiile de condiţionare a semnalului discutate sunt implementate în diferite tipuri de produse pentru condiţionarea semnalului. Aceste produse acoperă un domeniu foarte larg de preţuri şi caracteristici. De exemplu, modulele National Instruments SC-207X Series au un traductor de temperatură pentru utilizarea cu termocupluri şi locaşe speciale pentru adăugarea de rezistoare de măsură, filtre simple RC şi alte circuite de condiţionare a semnalului.
Modulele I/O de condiţionare a semnalului 5B Series sunt destinate unor tipuri specifice de traductoare sau semnale. Pot fi instalate până la 16 module de I/O care pot fi conectate direct la modulul DAQ.
Pentru multiplexarea externă a semnalului, multiplexorul analog AMUX-64T extinde capabilităţile de intrare analogice pentru maximum 256 de canale. AMUX-64T conţine şi un traductor de temperatură.
Linia de produse SCXI este un sistem de condiţionare a semnalului care combină multiplexarea cu flexibilitatea de condiţionare modulată a semnalului.
Condiţionarea semnalului cu SCXI
Este disponibilă o gamă largă de module SCXI cu diferite posibilităţi de condiţionare a semnalului. De exemplu, modulul SCXI-1120 este un modul amplificator cu izolare pentru opt canale. Fiecare canal de intrare include un amplificator izolator cu un câştig de până la 2000 şi un filtru trece jos reglabil între 4Hz şi 10kHz. Modulul SCXI-1121 este un modul amplificator izolator pe patru canale care conţine şi patru canale de excitaţie. Se poate configura fiecare canal de excitaţie pentru tensiune sau curent. Modulul include şi circuitele necesare pentru completarea unei jumătăţi de punte pentru măsurări cu celule de forţă.
Blocurile terminale pentru modulele SCXI includ traductoare de temperatură pentru compensarea joncţiunii reci a termocuplelor.
SCC Series este un sistem modular portabil de condiţionare a semnalului. SCC este alcătuit din module de condiţionare a semnalului simplu sau dublu canal cu conectoare de semnal încorporate. De exemplu, SCC-TC02 oferă amplificare, filtrare, compensarea joncţiunii reci şi un conector pentru conectarea unui termocuplu. Se poate instala orice combinaţie de module SCC pe un SCC carrier cum ar fi SC-2345. SC-2345 poate conţine până la 18 module SCC şi se leagă direct cu un modul DAQ E Series.
Concluzii
Condiţionarea semnalului este o componentă importantă a unui sistem DAQ pe bază de PC. Condiţionarea semnalului are multe caracteristici care pot fi folosite pentru conectarea traductoarelor ca termocupluri, RTD, celule de forţă şi dispozitive cu ieşire în curent la modulele DAQ pe bază de PC. Indiferent de traductorii folosiţi, condiţionarea semnalului poate îmbunătăţi precizia, eficacitatea şi siguranţa măsurătorilor datorită unor capabilităţi ca amplificare, izolare şi filtrare. Linia de produse National Instruments SCXI poate oferi condiţionere de semnal pentru sistemele DAQ pe bază de PC.
Ing. Aurelian Blejan