CONTROLUL ZGOMOTULUI

Controlul zgomotului în sistemele de măsurare este vital, deoarece poate deveni o problemă gravă chiar și în cele mai bune instrumente și hardware de achiziție de date. Cele mai multe laboratoare și medii industriale conțin surse abundente de zgomot electric, inclusiv linii de alimentare AC, mașini grele, posturi radio și TV și o varietate de echipamente electronice. Stațiile radio generează zgomote de înaltă frecvență, în timp ce computerele și alte echipamente electronice generează zgomot în toate gamele de frecvență. Construirea unui mediu complet fără zgomot doar pentru efectuarea de teste și măsurători este rareori o soluție practică. Din fericire, dispozitive și tehnici simple, cum ar fi utilizarea unor metode adecvate de împământare, cabluri ecranate și torsadate, metode de mediere a semnalului, filtre și amplificatoare de tensiune cu intrare diferențială pot controla zgomotul în majoritatea măsurătorilor. Unele tehnici previn intrarea zgomotului în sistem, în timp ce altele elimină zgomotul din semnal.

ÎMPĂMÂNTAREA

Un dicționar non-tehnic definește termenul "masă" ca fiind un loc în contact cu pământul, o întoarcere la comun într-un circuit electric și un punct arbitrar de potențial cu tensiune zero. Împământarea sau conectarea unei părți a unui circuit electric la masă asigură siguranța personalului și de obicei îmbunătățește funcționarea circuitului. Din păcate, un mediu sigur și un sistem de masă robust nu se întâmplă adesea simultan. Este nevoie de planificare bazată pe înțelegerea sistematică a modului în care energia electrică se comportă în diferite tipuri de circuite. De exemplu, redundanța ridicată este o caracteristică cheie care face ca majoritatea sistemelor electrice de distribuție din întreaga lume să fie în siguranță și să funcționeze corect.

Împământare de siguranță

Secundarele izolate ale transformatoarelor de distribuție a energiei coborâtoare sunt în general împământate în apropierea transformatorului și în cadrul primului panou de întrerupere din calea cablului până la sarcina eventuală (a se vedea figura 10.01). Masa este un punct din interiorul panoului conectat la o tijă de împământare. În mod obișnuit, la același punct este conectată o structură mare sau semnificativă (cadru de construcție) sau sistem metalic (instalații sanitare). Acest lucru minimizează diferențele de tensiune care pot apărea între o conductă de apă și un aparat cu cablu de împământare cu trei fire, de exemplu. O defecțiune electrică, cum ar fi un conductor neîmpământat care intră în contact cu un obiect metalic, este proiectată să întrerupă o siguranță sau să declanșeze un întrerupător, mai degrabă decât să lase un aparat cu energie electrică la un potențial mai mare decât o conductă de apă din apropiere sau un robinet pentru chiuvetă. Dacă legătura la masă din panou se deconectează din orice motiv, terenul redundant în apropierea transformatorului va oferi calea pentru curenții de avarie pentru a întrerupe siguranțele sau întrerupătoarele de declanșare. Prevenirea șocurilor electrice și a incendiilor electrice este cea mai mare prioritate pentru circuitele de masă, dar diponibilizările integrate în multe sisteme electrice de împământare limitează ocazional anumite tipuri de conexiuni pentru a intra în sistemele de achiziție a datelor.

Impământare pentru instrumentație robustă

Mai multe magistrale interne, comune într-un instrument de control al datelor sunt aranjate pentru a regla fluxurile de curent și pentru a termina toate căile la un punct comun. Această abordare asigură că circulația curentului în orice cale nu va forța o cădere de tensiune într-o cale de întoarcere pentru un alt circuit și va apărea ca un semnal de intrare (eronat) (vezi figura 10.02). De obicei, acest punct comun se conectează prin impedanțe reduse la conexiunea de împământare din cablul de alimentare al instrumentului. Această conexiune împiedică sistemul intern să floteze la un potențial AC între pământ și potențialul de intrare al sursei AC.

BUCLE DE MASĂ

Instrumentele de măsurare care conțin o masă la pământ așa cum este descris mai sus generează de obicei o buclă de masă. O buclă de masă poate deveni o problemă gravă chiar și atunci când tensiunea de masă pe punctul măsurat este egală cu tensiunea de masă care intră în instrument prin cablul de linie. O tensiune care se dezvoltă între cele două mase poate să fie o tensiune AC sau DC, fie o tensiune de orice valoare și frecvență, iar pe măsură ce cresc tensiunea și frecvența, efectele buclei de masă devin mai tulburătoare.

Buclele de masă periculoase și distructive

Un curent tranzitoriu poate genera o tensiune substanțială pe conductorii împământați. În timpul unei defecțiuni electrice atunci când un conductor alimentat intră în contact cu o masă de siguranță, de exemplu, o fracțiune din tensiunea de alimentare poate ajunge pe masa de siguranță înainte ca siguranța sau întrerupătorul de circuit care alimentează defecțiunea să se deschidă și să înlăture tensiunea. Acest lucru se întâmplă în câteva milisecunde și, de obicei, nu reprezintă un pericol pentru siguranță. Dar problema poate fi mult mai gravă dacă fulgerul lovește o structură cu masă de siguranță și mii de amperi curg prin sistemul de masă. Potențialele diferențe pe chiar o fracțiune dintr-un ohm pot depăși cu ușurință 1000 VAC și pot deteriora echipamentul și periclitează viața.

Simptome ale buclelor de masă

Uneori, o eroare de măsurare este atribuită în mod eronat unei probleme cu buclă la masă, în special în cazul în care o masă nu este strict implicată. Fenomenul se referă la două tipuri de situații; fluxul curentului partajat într-o cale de circuit care produce tensiuni neintenționate și circuite inadvertente care interferează cu funcționarea corectă a circuitelor proiectate.

Cum se creează buclele de masă

O problemă de buclă la masă poate fi ilustrată prin exemplul următor. Un senzor integrat cu condiționare internă a semnalului conține trei fire; un conductor de alimentare pozitiv, un cablu de ieșire a semnalului și un conductor negativ care servește ca întoarcere de alimentare și comunul semnalului (vezi figura 10.03). Circuitul intern al senzorului atrage aproximativ 30 mA, iar semnalul de ieșire variază de la 0 la 5 VDC.

Senzorul este stimulat și un voltmetru digital citește ieșirea corectă de 2,50 VCC pe bancul de încercare. Dar când cele trei fire sunt extinse cu 500 picioare cu fir de 20 AWG (10,4 Ω/ 1.000 ft la 20°C), pe firul comun care duce curentul de alimentare de 30 mA cade o tensiune de aproximativ 150 mV. Această cădere a tensiunii pe rezistența firului se adaugă la tensiunea de ieșire a senzorilor și furnizează 2,65 VCC voltmetrului digital. Eroarea se ridică la aproximativ 6,6% și ceea ce este mai rău, variază foarte mult cu temperatura firului. Aplicația specifică determină dacă eroarea poate fi tolerată sau nu.

Când curentul tras de circuitul senzorului nu este o valoare de stare constantă, adică constă dintr-un nivel ambiental combinat cu o componentă dinamică, eroarea introdusă va varia în timp. Ar putea fi o frecvență relativ înaltă, care acționează ca zgomot în ieșirea măsurată, sau poate fi în perfectă sincronizare cu fenomenul fizic de detectat. Aceasta afectează amploarea semnalului de ieșire care variază în funcție de timp. Ambele tipuri de erori apar adesea în sistemele de achiziție de date.

Cum să eliminați buclele de masă

O metodă sigură de detectare a problemelor analizează fluxul de curent și prezice rezultatele acestuia. Firele de la punctul de măsurare prevăzut trebuie să transporte numai curent asociat cerințelor de polarizare a canalului de intrare analogică (vezi figura 10.04). Acești curenți sunt de obicei măsurați în microamperi. La nivele de tensiune mai mici, ele pot fi modificate substanțial dacă sunt forțate să partajeze fire extrem de lungi purtând pur și simplu mA. O schemă detaliată a cablajului și o schemă de circuit poate oferi o înțelegere pentru a preveni acest tip de problemă înainte ca sute de metri de cablu să fie instalate.

În mod frecvent, firele multiple care rulează între două locații nu pot fi partajate. Atunci când un cablu comun este partajat, curentul într-un singur canal afectează citirea de tensiune într-un alt canal. În exemplul numeric anterior, un al patrulea fir conectat la capătul inferior al unui canal de măsurare diferențial asigură o tensiune de ieșire care poate fi măsurată cu exactitate cu un grad înalt de încredere. Această abordare este cea mai eficientă atunci când sistemul suportă trei fire și ele împart o sursă de alimentare comună. Conexiunile de intrare diferențiale utilizate cu comun analogic, care se referă la borna de retur a sursei de alimentare, elimină efectul buclelor de masă inerente acestui aranjament cu mai mulți senzori.

INTERFERENȚE ÎN SISTEME DE ACHIZIȚIE A DATELOR

Un alt tip de eroare a buclei de masă este interferența între canale. Aceasta poate fi definită ca o interacțiune între citirile pe două sau mai multe canale, care pot fi statice sau dinamice. Atunci când se utilizează mai multe canale și există bucle de masă, erorile simplificate descrise mai devreme probabil vor fi compuse din contribuțiile altor canale. Interferența poate, sau nu poate, fi evidentă.

Interferența statică

Luați în considerare un grup de canale statice cu tensiuni constante, care, atunci când sunt măsurate individual, dau rezultate exacte. Cu toate acestea, atunci când fiecare canal este conectat la o intrare a sistemului de achiziție de date și citirile se schimbă, modificarea indică faptul că interferența este generată printr-o buclă de masă în stare staționară. De asemenea, atunci când citirea unui canal se schimbă prin conectarea unui alt canal, intereferența există și problema este o buclă de masă.

Interferența dinamică

Interferența dinamică este numele acordat situației în care un semnal dinamic cunoscut pe un anumit canal apare într-un canal fizic fără legătură. Curenții la starea staționară trași de traductoarele discutate în exemplul anterior sunt idealizați pentru simplitate. Acești curenți variază de obicei cu variabilele fizice măsurate împreună cu erorile.

Semnalele de citire secvențiale de magnitudini larg variabile produc interferențe secvențiale în sistemele de achiziție de date multiplexate. Cuplarea capacitivă sau inductivă între canale generează interferențe în sistemele cu cabluri necorespunzătoare sau îmbrăcate neglijent. În general, totuși, acestea nu sunt atribuite buclelor de masă și sunt mai puțin frecvente.

CABLURI ECRANATE

Beneficii

Ecranele metalice plasate în jurul echipamentului și cablurilor de testare împiedică în mod eficient zgomotul să intre sau să iasă din sistem. De exemplu, firele desfăcute sau expuse devin antene pentru preluarea semnalului de frecvență radio și pot forma bucle care radiază zgomotul.

Pentru a sublinia necesitatea de a controla zgomotul, figura 10.05 prezintă o măsurătoare de tensiune single-ended pe un canal scurtcircuitat. Aproximativ 6 picioare de sârmă, fără răsucire sau ecranare, au fost atașate la sistemul de achiziție de date. Figura 10.06 prezintă zgomotul într-un canal scurtcircuitat, single-ended, folosind un cablu ecranat, cu o îmbunătățire evidentă.

Cele mai bune scheme de cablare a instrumentelor constau în linii grupate cu grijă, răsucite în perechi, acoperite ocazional cu un al doilea ecran și direcționate printr-o conductă sau un canal dedicat. O pereche ecranată, torsadată este destul de frecvent utilizată într-un canal pentru a conecta un semnal de la o sursă la un terminal de intrare. Ecranele minimizează cuplarea capacitivă și firele răsucite minimizează cuplarea inductivă.

Proximitatea cu alte fire, în special firele de putere care transportă tensiuni mari și curenți mari pot cupla zgomotul în conductorii de semnal de nivel scăzut. Cuplare capacitivă poate exista între oricare două piese de metal în imediată apropiere, incluzând doi conductori în circuite complet separate. De asemenea, cuplajul transformatorului fără miez poate decupa între două bucle de cabluri apropiate în circuite complet separate.

Instalarea și utilizarea corespunzătoare a ecranelor

În mod obișnuit, un ecran se termină numai la un capăt, cu excepția cazului în care acesta se extinde la ecranul într-o altă zonă a acelorași fire de canal. Ecranul se poate termina la capătul traductorului sau la capătul canalului de intrare, dar nu la ambele. Când senzorul sau traductorul se află într-o incintă metalică ecranată, care este de asemenea conectată la pământ, ecranul poate fi conectat la capătul senzorului și rămâne deschis la bornele canalului de intrare. Atunci când senzorul este bine izolat, ecranul poate flota și se poate conecta la comunul analogic al terminalelor de intrare a sistemului de achiziție de date. Ocazional, cablurile cu mai multe conductori, compuse dintr-un fascicul de fire și un ecran global, sunt acceptabile pentru un grup de semnale de înalt nivel, DC sau de frecvență joasă, dar nu ar fi recomandate pentru cazul general de achiziție a datelor. Compromisul între un sistem de cablare bine planificat, cu cablu de calitate scăzută, conductori sau ecrane partajate și fire netorsadate va produce mai puțin decât rezultate optime.

SISTEME DE ACHIZIȚIE A DATELOR FLOTANTE ȘI DE IZOLARE

Izolarea

Izolarea este definită ca separarea unui semnal de altul pentru a împiedica interacțiunea neintenționată între ele. Toate sistemele multiplexate de achiziție de date conțin un anumit grad de izolare canal-canal; sistemele bazate pe relee au izolație galvanică, în timp ce sistemele solid-state nu fac acest lucru. Izolarea galvanică este absența oricărei căi DC. Cele mai multe metode de izolare elimină toate căile DC sub 100 MΩ Trei beneficii majore ale izolației galvanice sunt protecția circuitului, reducerea zgomotului și rejectarea înaltei tensiuni de mod-comun, în special cele dezvoltate prin buclele de masă.

Echipamentul de achiziție de date pe bază de computer face posibilă o serie de măsurători cu mai multe canale care depășesc în prealabil domeniul economic al multor aplicații. Acest lucru a fost realizat prin acceptarea de către utilizatori a două mari compromisuri, multiplexări și intrări neizolate. Multiplexarea are succes atunci când rata de eșantionare este suficient de mare și impedanțele sursei sunt suficient de mici. Lipsa de izolare plasează un fel de limitare complet diferită a tipului de semnale de intrare care pot fi conectate.

Protecția circuitului

Izolarea separă sursa de semnal de circuitele de măsurare care ar putea fi afectate de semnal. Tensiunile mai mari de 10 V pot distorsiona datele sau pot deteriora componentele utilizate în sistem. Semnalele de intrare de înaltă tensiune sau semnalele care conțin vârfuri de înaltă tensiune ar trebui izolate. Protecția funcționează, de asemenea, în direcția opusă pentru a proteja un dispozitiv de condiționare a semnalului de căderea unui dispozitiv în altă parte a sistemului.

Echipamentul de achiziție de date bazat pe computer este cel mai adesea conectat la un computer gazdă, care este conectat la masa pământului. Intrările analogice ale cardurilor plug-in și majoritatea sisteme externe economice nu sunt izolate electric de masă sau unul de celălalt. Multe aplicații sunt compatibile cu această situație, dar unele aplicații au probleme cu tensiune înaltă de mod-comun.

Rejectarea înaltei tensiuni de mod-comun

Tensiunea de intrare de mod-comun este definită ca tensiunea aplicată între terminalul comun și cele două borne de intrare, cu condiția ca cele două tensiuni de intrare să fie identice. Cu alte cuvinte, cele două borne de intrare pot fi conectate împreună și tensiunea de mod-comun este aplicată între intrările scurtcircuitate și borna comună, așa cum se arată în figura 10.07. Într-o situație de testare și măsurare practică, tensiunea de mod-comun poate depăși gama de intrare a amplificatorului instrumentului, care este în mod obișnuit mai mică de 10 V. Pentru măsurători sigure și exacte, trebuie să fie izolate tensiuni de mod-comun de peste 10 V de amplificatorul de instrumentație permițând în același timp ca semnalul măsurat să treacă. Tipurile comune de amplificatoare de izolare utilizează mijloace magnetice, optice sau capacitive pentru cuplarea semnalului.

Fig. 10.07. Tensiunea de mod-comun este măsurată între cele două terminale de intrare și terminalul comun. Deoarece cele două intrări trebuie să aibă tensiuni identice, ele pot fi legate împreună și conectate la o sursă de tensiune.

Izolarea magnetică

Amplificatoarele speciale de instrumente utilizează transformatoare care cuplează magnetic semnale AC de tip analogic de la secțiunea de intrare la secțiunea de ieșire, susținând în mod eficient tensiuni de mod-comun înalte. Transformatorul de cuplare le permite, de asemenea, să furnizeze o putere izolată la etajul de intrare fără a utiliza un convertor separat DC/DC. Un amplificator special pentru instrumente conține un op-amp de intrare cu un CMRR de aproximativ 130 dB la un câștig de 100 și izolare de tensiune de mod-comun de 2000 V la vârf. Amplificatoare similare de instrumentație sunt disponibile pentru alimentarea punților izolate, compensarea joncțiunii reci, liniarizare și a altor cerințe speciale de condiționare a semnalelor (a se vedea figura 10.08).

Fig. 10.08. Acest amplificator de instrumentație cu cuplaj prin transformator este utilizat în mod obișnuit într-o buclă de control al procesului industrial și oferă izolație galvanică atât în ​​circuitele de intrare, cât și în cele de ieșire. Acesta poate măsura un semnal de ± 5 VDC pe o tensiune de mod-comun de până la 2000 V.

Izolarea optică

Izolarea optică este acum cea mai frecvent utilizată metodă de cuplare a semnalelor digitale. Semnalul de tensiune de intrare măsurat este convertit la un curent, care activează o diodă care emite lumină în interiorul unui cuplor optic. Un tranzistor sensibil la lumină, amplasat adiacent diodei, dar pe partea opusă a unei bariere de tensiune, convertește semnalul de lumină înapoi la un curent pe care amplificatorul de instrumentație îl poate gestiona. Bariera de tensiune asigură în mod obișnuit până la câteva mii de volți de izolare între intrare și ieșire.

Dispozitivele optice sunt, de asemenea, utilizate în mod obișnuit pentru a izola ieșirea unui ADC, care este de obicei un șir serial de impulsuri de date care trec printr-un cuplor optic unic (vezi figura 10.09). Șirul serie este adesea convertit din mai multe semnale paralele (variind de la 8 la 24 porturi de ieșire, de exemplu) pentru a minimiza numărul de dispozitive optice necesare într-un sistem. Circuitele de conversie paralel-serie sunt mai puțin costisitoare decât cele optice de la 8 la 24 (câte unul pentru fiecare bit de ieșire de la ADC paralel). În aceste cazuri, sursa de alimentare pentru ADC și circuitele de intrare asociate sunt, de asemenea, izolate, de obicei cu un transformator.

Izolarea capacitivă

Un condensator este un dispozitiv pasiv care cuplează tensiunea AC de la un etaj la altul, blocând componenta DC. Prin această definiție, este un izolator simplu, dar ieftin. Semnalul măsurat care urmează să fie izolat este modulat și cuplat prin condensator la partea de recepție. Pe partea receptoare, semnalul AC este demodulat pentru a restabili semnalul original. Această tehnică este adesea aplicată amplificatoarelor de izolare cu cost redus, unde condensatorul de cuplare este compus dintr-un strat comun între două secțiuni izolate ale substratului IC. Izolarea semnalului, folosind aceste circuite integrate specializate, este evaluată la peste 1.500 V. Principalele beneficii ale acestei abordări sunt simplitatea, costul redus și lărgimea de bandă de până la 50 kHz. Figura 10.10 ilustrează un convertor DC/DC folosit adesea ca modulator/demodulator într-un amplificator de izolare.

Figura 10.11 ilustrează un amplificator tipic de izolare programabil, cu mai multe canale, într-un sistem de achiziție a datelor care utilizează toate cele trei tipuri de izolare: transformatoare, dispozitive optice și condensatoare. Un convertor DC/DC bazat pe transformator furnizează energie la partea izolată. Un dispozitiv cuplat capacitiv izolează semnalul analogic în timp ce două cuploare optice transmit semnalele de control digital către circuitele flotante.

Greseli fundamentale de aplicare

Pericolele de măsurare pot apărea cu ușurință atunci când o intrare analogică neizolată la un sistem de achiziție de date este conectată eronat la un dispozitiv care funcționează la tensiune înaltă de mod-comun în raport cu solul. Greșeala, care precede adesea această problemă, este determinarea gamei de tensiune a semnalului dorit cu un multimetru digital sau analogic portabil și neglijând raportul semnalului față de masa de împământare. Dacă este conectat cu liniile punctate, așa cum se arată în figura 10.12, drive-ul motorului poate fi deteriorat de îndată ce alimentarea este aplicată. Acest lucru se datorează faptului că circuitele de comandă ale mai multor acționări cu motor AC și DC sunt în mod necesar raportate la tensiunea înalt în raport cu masa. Atunci când curentul motorului este detectat cu un șunt sau un rezistor cu valoare redusă, magistrala comună de comandă este, în general, la un potențial de mod-comun înalt în raport cu masa.

Unele drive-uri utilizează senzori de curent fără contact, transformatoare și cuploare optice pentru a realiza o izolare galvanică a circuitelor de comandă. Cu toate acestea, cu excepția cazului în care drive-ul este cunoscută în mod specific ca având o interfață analogică izolată, presupuneți că nu o face.

Transformatoare de izolare

Nu toate dispozitivele alimentate cu AC conțin transformatoare interne de izolare care scad tensiunea până la nivele de funcționare necesare pentru circuitele electronice și protejează simultan utilizatorii de defectele de masă externe. Magistrala comună de alimentare în dispozitive fără transformator se conectează, adesea, la o parte a cablului de AC. Dacă sistemul nu este protejat de inversarea șteckerului cablului de linie în priză, linia comună a dispozitivului (și, prin urmare, incinta) poate fi ridicată la un nivel de tensiune mai mare decât terminalul comun al altor dispozitive din apropiere sau alte instrumente conectate la sistemul de achiziție de date. Greșeala de împământare rezultată în urma acestui aranjament duce la scurtarea liniei de alimentare și poate reprezenta un pericol pentru operatori și poate distruge echipamentul.

Un transformator de izolație permite unui utilizator să se conecteze în siguranță un canal de intrare a sistemului de achiziție de date, legat la pământ prin calculatorul gazdă, la un semnal de joasă tensiune într-un dispozitiv alimentat cu AC. Transformatorul de izolație preferat pentru o astfel de utilizare are un ecran electrostatic împământat între înfășurările primare și secundare pentru a minimiza cuplarea capacitivă și potențialele în raport cu masa. Această abordare funcționează numai atunci când neutrul AC din sistemul electric este legat la pământ. Izolarea transformatoarelor nu poate întrerupe calea pentru masa de siguranță realizată de pinul de împământare al unui cablu standard cu 3 fire.

Un laptop care rulează pe o baterie internă și nu este conectat la alte periferice care sunt legate la masă (cum ar fi imprimantele) poate fi o gazdă flotantă conectată în siguranță la un sistem de achiziție de date. Dar o abordare globală mai bună este de a izola sursa semnalului de intrare.

Un transformator de izolare nu furnizează, de regulă, toată izolarea destinată unui sistem de achiziție de date, deoarece comunul digital în majoritatea calculatoarelor oferă o cale de impedanță redusă la masă, ca parte a sistemului de protecție ESD (descărcare electrostatică). Dar unele dispozitive de achiziție de date care comunică cu computerul gazdă prin intermediul unor legături de date seriale, cum ar fi RS232 și RS485, utilizează separatoare de comunicații special concepute pentru acest protocol. Prin comparație, cele mai multe interfețe Ethernet sunt izolate de transformator și au rețele de protecție ESD de ambele părți ale barierei de izolație, referite la șasiu, plus masa de împământare prin calculatorul gazdă.

Izolatoare analogice

Soluția ideală pentru măsurarea semnalelor înalte de mod-comun este izolarea analogică. Izolatorul măsoară în condiții de siguranță semnalele de intrare analogice de nivel inferior, care conțin mod-comun de până la 1500 V, prin dispozitive magnetice, optice sau capacitive. Amplificatoarele oferă atât izolare canal-sistem cât și izolare canal-canal. Prin contrast, majoritatea multiplexoarelor solid-state nu au izolare canal-canal dincolo de gama standard de semnale ±10 V.

Cele mai frecvente izolatoare analogice sunt module plug-in. Aceste dispozitive cu 3 porturi necesită o sursă de alimentare DC și furnizează tensiuni de funcționare pentru circuitele de condiționare a semnalului și de modulare pe partea de intrare. De asemenea, furnizează tensiune pentru circuitele de demodulare și reconstrucție a semnalelor de ieșire. Majoritatea dispozitivelor furnizează de asemenea filtrarea low-pass și scalarea la nivel de ieșire de la 0 la 5 V. Gama largă de opțiuni disponibile în aceste module poate simplifica multe cerințe complexe de măsurare și oferă încă date sistemului global de achiziție a datelor, deoarece toți producătorii de achiziții de date au produse care acceptă aceste module.

Modulele de izolare sunt relativ costisitoare și nu sunt susceptibile de a fi utilizate în sistemele de achiziție de date cu costuri reduse. Sistemele cu costuri scăzute nu conțin în mod obișnuit izolatori analogici, însă multe aplicații necesită izolări în cel puțin câteva canale. În funcție de sistem, cel mai bun loc pentru a aborda un canal de semnal de mod-comun este la sursa pentru integritatea și siguranța semnalului.

Tehnici wireless

Nu toate sistemele de achiziție de date se pot conecta la senzori pe specimenul de testare cu fire. Acestea necesită o formă de comunicație radio numită telemetrie. Transmițătoarele și senzorii radio sunt localizați pe dispozitivul supus încercării, iar receptoarele sunt amplasate la sistemul de achiziție de date. De exemplu, elementul rotativ al unui motor sau generator mare poate fi monitorizat de la distanță și în siguranță. Sistemul poate monitoriza temperatura, vibrația, deformarea și viteza în rpm fără tipul de inele alunecătoare folosite în trecut.

Un protocol relativ nou numit Bluetooth este folosit din ce în ce mai mult pentru măsurarea și controlul la distanță. Este un sistem fără fir, cu rază mică de acțiune care permite dispozitivelor să recunoască, să conecteze și să transfere date între ele. Dispozitivele sunt echipate cu cip-uri speciale Bluetooth și transmit pe o distanță scurtă, tipic 10 m. Aceștia pot transfera date la o rată de 720 kb/sec pe o bandă de frecvență de 2,40 - 2,48 GHz. Un alt sistem este sistemul wireless 802.11 Ethernet. Deseori asigură izolarea fizică și electrică pe podeaua din fabrică și pentru liniile de utilități de înaltă tensiune și site-urile de încercări de demolare. Funcționează în același interval de frecvență ca și Bluetooth și poate gestiona rate de transfer a datelor de la 1 până la 11 Mb/sec.

REDUCEREA ZGOMOTULUI

Medierea semnalelor

Unele tehnici de reducere a zgomotului împiedică intrarea inițială a zgomotului, iar altele elimină zgomotele străine din semnal. O altă tehnică mediază mai multe eșantioane de semnal prin intermediul software-ului. În funcție de natura zgomotului și de metoda de mediere specifică, zgomotul poate fi redus cu rădăcina pătrată a numărului de eșantioane mediate (RMS). Dar acest lucru poate necesita eșantioane multe pentru a obține o măsurătoare acceptabilă. Figura 10.13 prezintă tensiunea pe canalul scurtcircuit atunci când sunt mediate doar 16 eșantioane de date.

Deși medierea este o tehnică eficientă, ea are câteva dezavantaje. Zgomotul prezent într-o secvență de măsurare scade ca rădăcină pătrată a numărului de măsurători. Prin urmare, în exemplul de mai sus, reducerea zgomotului RMS la un singur număr numai prin mediere ar necesita 3500 de eșantioane. Ca atare, medierea se potrivește doar aplicațiilor cu viteză mică și elimină numai zgomotul aleatoriu. Nu elimină neapărat multe alte tipuri de zgomote de sistem enervante, cum ar fi zgomotul periodic provocat de sursele de alimentare în comutație.

Filtrare analogică

Un filtru este un element de circuit analogic care atenuează selectiv o anumită bandă de frecvențe într-un semnal de intrare. Circuitele de filtrare pot fi pasive sau active. În funcție de faptul că filtrul este low sau high-pass, acesta determină frecvențele care sunt atenuate deasupra sau sub frecvența cutoff. De exemplu, deoarece frecvența semnalului crește dincolo de punctul de cutoff al unui filtru trece-jos cu un singur pol, atenuarea acestuia crește încet. De asemenea, atenuarea filtrului multi-pol crește încet. Filtrele multi-pol oferă o atenuare mai mare dincolo de frecvența cutoff, dar pot introduce defazări care ar putea afecta unele aplicații. Frecvența unde semnalul este cu 3 dB mai jos este dată de ecuația prezentată în Figura 10.14.

Filtre pasive vs. active

Un filtru pasiv este un circuit sau un dispozitiv care constă în întregime din componente ne-amplificatoare, de obicei inductoare și condensatoare, care trec o bandă de frecvență în timp ce rejectează altele. Un filtru activ, pe de altă parte, este un circuit sau dispozitiv compus din componente de amplificare, cum ar fi amplificatoare operaționale și elemente de reglare adecvate, în mod tipic rezistoare și condensatoare, care trec o bandă de frecvență în timp ce rejectează altele. Figura 10.15 compară amplitudinea unui filtru low-pass cu un singur pol și cu un filtru cu trei poli. Ambele tipuri sunt setate pentru o frecvență de cutoff de 1 kHz. Filtrul cu trei poli are o atenuare mult mai mare pentru frecvențele care depășesc cutoff-ul. Îmbunătățirea calității semnalului furnizată de filtrarea low-pass este demonstrată în figura 10.16 în care un semnal care conține zgomot de bandă largă trece printr-un filtru cu trei poli cu o frecvență cutoff de 1 kHz. Abaterea de la semnalul mediu este reprezentată grafic în volți. Abaterea maximă este de 6 valori, iar zgomotul RMS este de 2.1.

Filtrul cu trei poli prezentat în exemplu are o intrare activă cu configurații variabile. Filtrul activ, cu trei poli, poate fi un Butterworth, Bessel sau Chebyshev cu frecvențe de colț de până la 50 Hz. Proprietățile filtrului depind de valorile rezistențelor și condensatoarelor, pe care utilizatorul le poate schimba. Filtrele utilizează de asemenea condensatoare comutate. Acest tip necesită un semnal de tact pentru a seta frecvența cutoff. Principalul avantaj al acestui filtru este ușurința de programare a frecvenței cutoff.

Măsurarea tensiunii diferențiale

Amplificatoarele de intrare diferențiale sunt utilizate cel mai adesea în sistemele de achiziție a datelor deoarece oferă un câștig ridicat pentru diferența algebrică dintre cele două semnale sau tensiuni de intrare, dar un câștig redus pentru tensiunile comune celor două intrări. Realizarea măsurătorilor de tensiune diferențială este un alt mijloc de reducere a zgomotului în semnalele de intrare analogice Această tehnică este eficientă deoarece, de cele mai multe ori, majoritatea zgomotului de pe conductorul de intrare de sus aproximează foarte mult zgomotul de pe conductorul de jos. Acest lucru se numește zgomot de mod-comun. Măsurarea diferenței de tensiune între cele două fire elimină acest zgomot de mod-comun.

Îmbunătățirea obținută cu măsurători de tensiune diferențială este ilustrată în figura 10.17. Acesta arată același semnal ca și figura 10.05, dar utilizează o intrare diferențială mai degrabă decât o intrare single-ended.

Fig. 10.17. Cea mai mare îmbunătățire în reducerea semnalelor de zgomot nedorite din variabila măsurată vine de la amplificatoare cu intrare diferențială. Funcționează atât de bine, deoarece cea mai mare parte a zgomotului din intrarea pozitivă este egală cu zgomotul din intrarea negativă și suma lor algebrică tinde la zero.