Acest articol prezintă fundamentele folosirii hardware-lui de condiţionare a semnalului folosit cu sistemele DAQ pe bază de calculatoare. Sunt discutate mai întâi cerinţele condiţionării semnalului pentru cele mai folosite traductoare. Acest articol descrie de asemenea câteva funcţii generale de condiţionare a semnalelor şi, pe scurt, rolul produselor de condiţionare a
semnalelor, cum ar fi linia de produse de la National Instruments Signal Conditioning eXtensions for Instrumentation (SCXI)
Partea 1
Material preluat de la NATIONAL INSTRUMENTS – Application Notes
Introducere
Sistemele şi modulele de achiziţii de date (DAQ = data acquisition) pe bază de calculatoare sunt folosite într-un domeniu larg de aplicaţii de laborator, de teren şi în fabrici. Tipic, modulele DAQ sunt instrumente de achiziţii de date folosite pe scară largă pentru măsurarea de tensiuni. Semnalele de ieşire ale multor senzori şi traductoare trebuie condiţionate pentru a fi folosite de modulele DAQ. Această condiţionare, cunoscută ca “signal conditioning”, include funcţii ca amplificarea semnalului, filtrare, izolare electrică şi multiplexare. Mai mult, pentru o funcţionare corectă, multe traductoare necesită un curent de alimentare, montaje în punte, circuite pentru liniarizare sau o amplificare foarte mare. Astfel, majoritatea sistemelor DAQ pe bază de calculatoare includ o anumită formă de condiţionare a semnalului suplimentară faţă de modulele DAQ şi calculatorul personal, aşa cum este arătat în figura 1.
Traductoare
Traductoarele sunt dispozitive care convertesc un tip de fenomene fizice, cum ar fi temperatura, forţa, presiunea sau lumina, într-un alt tip de fenomene fizice. Traductoarele uzuale convertesc mărimi fizice în mărimi electrice, cum ar fi tensiune sau rezistenţă. Caracteristicile traductorului definesc multe dintre cerinţele condiţionării semnalului pentru un sistem DAQ. Tabelul 1 arată principalele caracteristici şi cerinţe de condiţionare a semnalului pentru câteva traductoare uzuale.
În paginile următoare vor fi descrise termocuple, dispozitive cu rezistenţa dependentă de temperatură (RTD = Resistive Temperature Detectors), celule de forţă şi dispozitive cu ieşire în curent.
Termocupluri
Cel mai răspândit traductor pentru măsurarea temperaturii este termocuplul.
Datorită faptului că este ieftin, robust şi poate opera într-un domeniu larg de temperaturi, termocuplul este un traductor foarte uşor de folosit. Cu toate acestea, termocuplul are unele cerinţe speciale în ceea ce priveşte condiţionarea semnalului.
Termocuplul funcţionează pe principiul că joncţiunea a două metale diferite generează o tensiune care variază cu temperatura. Totuşi, măsurarea acestei tensiuni este dificilă datorită faptului că firele de conexiune între termocuplu şi modulul DAQ de măsurare generează aşa numita joncţiune de referinţă (reference junction) sau joncţiune rece (cold junction), aşa cum este arătat în figura 2. Aceste joncţiuni suplimentare acţionează ele însele ca termocupluri şi generează la rândul lor tensiuni. Astfel, tensiunea măsurată, VMEAS, include atât tensiunea termocuplului cât şi tensiunea joncţiunii de referinţă. Metoda de compensare a tensiunii suplimentare a joncţiunii de referinţă este denumită compensarea joncţiunii reci (cold-junction compensation).
Există două metode de compensare a joncţiunii reci: compensarea hardware şi compensare software. Compensarea hardware foloseşte un circuit special pentru aplicarea unei tensiuni care să anuleze tensiunea joncţiunii reci. Deşi nu este necesar un software pentru compensarea hardware, fiecare tip de termocuplu trebuie să aibă un circuit propriu de compensare care să funcţioneze în tot domeniul de temperaturi, acest circuit fiind scump.
Pe de altă parte, compensarea software a joncţiunii reci este foarte flexibilă şi necesită doar cunoaşterea tensiunii ambiante. Dacă se folosesc traductoare suplimentare pentru măsurarea directă a tensiunii ambiante pentru joncţiunea rece, software-ul poate calcula compensarea necesară pentru tensiunile termoelectrice nedorite. Acesta este motivul pentru care multe dispozitive pentru condiţionarea semnalului folosesc traductoare pentru măsurarea directă a temperaturii, cum ar fi termistoarele sau traductoarele semiconductoare montate pe termiale. Compensarea software a joncţiunii reci se desfăşoară astfel:
1. Măsurarea temperaturii joncţiunii de referinţă şi calcularea tensiunii de termocuplu echivalentă pentru această joncţiune folosind tabele standard pentru termocuple sau polinoame.
2. Măsurarea tensiunii de ieşire (VMEAS) şi adunarea – nu scăderea – tensiunii joncţiunii de referinţă calculate la pasul 1.
3. Convertirea tensiunii rezultate în temperatură folosind polinoame standard pentru termocuple sau tabele de căutare.
Multe pachete software, ca LabBIEW™, LabWindows™ şi NI-DAQ™, includ rutine care execută aceste conversii temperatură-tensiune şi tensiune-temperatură pentru diferite tipuri de termocupluri în funcţie de tabelele standard de referinţă ale National Institute of Standards and Technology (NIST).
Sensibilitatea este o altă caracteristică care trebuie luată în considerare. Nivelul ieşirii termocuplului este foarte mic, de ordinul 7…50mV pentru o diferenţă de temperatură de 1°C. Această sensibilitate poate fi crescută, în sistemele cu zgomot redus, prin amplificarea semnalului. De exemplu, un modul DAQ cu un domeniu analog de intrare de ±5V, o amplificare de 100 şi un convertor analog-digital de 12 biţi are următoarea rezoluţie:
10V/(212×100)=24,4mV/bit
Acelaşi modul DAQ cu un amplificator cu câştigul 1000 folosit pe post de condiţioner al semnalului are o rezoluţie de 2,4mV/bit, ceea ce corespunde unei fracţiuni de grad Celsius. Mai mult, un condiţioner de semnal exterior poate amplifica semnalul de nivel mic al termocuplului la sursă, ceea ce minimizează efectul zgomotului. Un semnal amplificat de nivel mare este mai puţin afectat de zgomotul din mediu şi din PC decât un semnal de nivel mic neamplificat.
RTD
Un alt detector uzual de temperatură este RTD (resistive-temperature detectors = dispozitiv cu rezistenţa dependentă de temperatură), cunoscut pentru stabilitatea şi precizia pentru un domeniu larg de temperaturi. Un RTD este format dintr-o înfăşurare sau o depunere de metal pur a cărui rezistenţă creşte cu temperatura. Deşi sunt disponibile RTD-uri de diferite rezistenţe şi construite din diferite metale, cel mai folosit tip de RTD este cel din platină şi are rezistenţa nominală de 100W la 0°C.
Deoarece RTD este un dispozitiv rezistiv pasiv, acesta este alimentat cu un curent pentru a produce o tensiune care apoi este măsurată de modului DAQ. RTD are o rezistenţă relativ mică (100W) care se modifică foarte puţin cu temperatura (0,4W/°C), astfel că trebuie folosite configuraţii speciale care să minimizeze erorile datorate rezistenţei firelor.
De exemplu, să considerăm măsurarea efectuată cu dispozitivul RTD din figura 3. Cu acest RTD, denumit RT, căderea de tensiune determinată de curentul de excitaţie, IEXC, care trece prin rezistenţa firelor, RL, se adaugă la tensiunea de măsură, VO.
În cazul în care lungimea firelor de legătură este mare se foloseşte RTD cu 4 fire. Pe o pereche de fire se injectează curentul de excitaţie, iar pe cealaltă pereche de fire se culege tensiunea de ieşire. Deoarece curentul prin perechea de fire de ieşire este neglijabil, eroarea datorată rezistenţei firelor este foarte mică.
Pentru reducerea costurilor sunt disponibile şi RTD cu trei fire. RTD cu trei fire este foarte eficace folosit în configuraţia de punte Wheatstone (vezi paragraful următor privitor la celulele de forţă). În această configuraţie rezistenţele firelor sunt în braţe diferite ale punţii, astfel că erorile se anulează una pe cealaltă.
Celule de forţă
Celula de forţă este cel mai uzual dispozitiv folosit în testări şi măsurări mecanice. Cel mai folosit tip este celula de forţă rezistivă formată dintr-o reţea foarte fină de fire. Rezistenţa electrică a reţelei se modifică liniar cu forţa aplicată dispozitivului. Celula de forţă se lipeşte de dispozitivul de testat, se aplică forţa şi se măsoară modificarea rezistenţei. Celulele de forţă sunt folosite şi în traductoare de forţă sau alte cantităţi derivate ca acceleraţia, presiunea şi vibraţiile. Aceste detectoare conţin, în general, o diafragmă sensibilă la presiune, celula de forţă fiind montată pe această diafragmă.
Deoarece măsurarea forţei necesită măsurarea de variaţii mici de rezistenţă, circuitul în punte Wheatstone este folosit în majoritatea cazurilor. Circuitul în punte Wheatstone este format din patru elemente rezistive, cu o tensiune de excitaţie aplicată la capetele punţii. Unul, două sau patru braţe ale punţii pot fi constituite din celule de forţă, celelalte braţe fiind constituite din rezistoare fixe. În figura 5. este arătată o configuraţie cu celulă de forţă jumătate de punte formată din două elemente de forţă, RG1 şi RG2, şi două rezistoare fixe, R1 şi R2.
VEXC fiind tensiunea de alimentare a punţii, sistemul DAQ măsoară tensiunea pe punte:
VO=(RG2/(RG1+ RG2) – R2/(R1+R2))xVEXC
Atunci când RG1/RG2 devine egal cu R1/R2 tensiunea măsurată VO este 0V. În acest caz se spune că puntea este echilibrată. Atunci când este aplicată o forţă, rezistenţa celulelor se schimbă, ceea ce determină o modificare a tensiunii VO. Celulele de forţă în punte completă sau în jumătate de punte sunt proiectate pentru o sensibilitate maximă prin plasarea celulelor de forţă în braţe diferite ale punţii.
De exemplu, celula de forţă în montaj jumătate de punte din figura 5 include un element RG1, care este astfel instalat încât rezistenţa lui creşte la aplicarea unei forţe pozitive, iar elementul RG2 este astfel instalat încât rezistenţa lui scade la aplicarea unei forţe pozitive. Tensiunea rezultantă VO este astfel dublă.
Anumite produse pentru condiţionarea semnalului au surse de tensiune de excitaţie şi rezistenţe pentru completarea punţii. Aceste rezistenţe trebuie să fie foarte precise şi foarte stabile. Deoarece punţile formate din celule de forţă sunt rareori perfect echilibrate, anumite condiţionere de semnal permit echilibrarea punţilor şi eliminarea oricărei tensiuni de offset de curent continuu. O altă metodă este aceea de măsurare a tensiunii iniţiale de offset şi apoi compensarea condiţiilor iniţiale de dezechilibru.
Ieşiri în curent
Multe traductoare folosite în aplicaţii de control şi monitorizare oferă la ieşire un curent, de obicei între 4 şi 20mA sau între 0 şi 20mA. Ieşirile în curent sunt folosite uneori datorită sensibilităţii mai mici la erori cum ar fi zgomotul radiant şi căderii de tensiune pe firele de legătură. Condiţionerele de semnal trebuie să convertească acest curent într-o tensiune.
Ing. A. Blejan