A.1 TEORIA TRADUCTOARELOR COMUNE

Selectarea traductorului este unul dintre primii pași în construirea unui sistem DAQ. Traductorul pe care îl alegeți poate afecta celelalte componente din sistemul dvs. De exemplu, unele traductoare necesită condiționarea semnalului extern pentru excitație sau amplificare, iar altele pot utiliza VI-urile LabVIEW care convertesc citirile de tensiune în unități de temperatură sau deformație. Este important să înțelegem cum funcționează diferitele traductoare și să le cunoaștem avantajele și limitările. Mai jos este prezentată o discuție despre cele mai frecvente tipuri de traductoare: termocuple, RTD-uri, termistoare și mărci tensometrice.

Termocuple

Unul dintre cele mai utilizate traductoare de temperatură este termocuplul. Termocuplele sunt foarte robuste și ieftine și pot funcționa pe o gamă largă de temperaturi. Termocuplele pot tolera temperaturi de câteva sute de grade fără degradare. Senzorii, denumiți de obicei senzori semiconductori, pot funcționa rareori la peste 70°C. De asemenea, termocuplele sunt mici din punct de vedere fizic și pot urmări rapid schimbările de temperatură.

Se creează un termocuplu de fiecare dată când două metale diferite se ating pentru a produce o mică tensiune în circuit deschis în funcție de temperatură. Această tensiune termoelectrică este cunoscută sub numele de tensiunea Seebeck (după Thomas Seebeck, care a descoperit-o în 1821). Tensiunea este aproximativ liniară pentru mici modificări de temperatură sau

ΔV ≈ SΔT

unde V este modificarea în tensiune, S este coeficientul Seebeck și T este schimbarea în temperatură. S variază cu modificări mari de temperatură, totuși, determină tensiunile de ieșire ale termocuplului să fie neliniare pe gamele lor de funcționare, așa cum se arată în Figura A-1. Din acest motiv, trebuie să utilizați fie polinoame, fie tabele de căutare pentru a determina tensiunea pentru orice temperatură dată.

Figura A-1. Graficul temperatura termocuplului versus tensiune

Sunt disponibile mai multe tipuri de termocuple. Aceste termocuple sunt desemnate prin litere mari care indică compoziția lor în conformitate cu convențiile Institutului Național de Standardizare American (ANSI). De exemplu, un termocuplu tip-J are un conductor de fier și unul de constantan (un aliaj de cupru-nichel).

Figura A-2. Sistem cu termocuplu

Figura A-2 prezintă un termocuplu. Punctul în care termocuplul se conectează la sistemul dvs. de măsurare se numește joncțiune de referință. Când conectați cablurile de termocuplu la cablurile sistemului de măsurare, creați două joncțiuni suplimentare de metale diferite, numite joncțiuni reci. Aceste joncțiuni reci induc o tensiune termoelectrică în sistemul dumneavoastră. Procesul de eliminare a acestei tensiuni este cunoscut sub numele de compensarea joncțiunii reci (CJC). Puteți implementa CJC în hardware sau software. Ambele metode necesită măsurarea temperaturii la joncțiunea de referință cu un senzor.

Tabelul A-1 enumeră câteva tipuri comune de termocuple. Tabelul identifică cele două metale diferite care formează fiecare termocuplu. Tabelul arată, de asemenea, intervalul de temperatură valid pentru fiecare termocuplu.

Tabelul A-1. Tipuri comune de termocuple

Aspecte ale termocuplului:

• Ieftin și robust
• Tolerează temperaturile ridicate
• Poate urmări schimbările rapide de temperatură
• Necesită CJC
• Tensiuni foarte mici (7 μV - 40 μV pe grad C) — necesită amplificare
• Ieșire neliniară — tensiunile măsurate trebuie să fie liniarizate

Dispozitive rezistive de temperatură (RTD-uri)

Un RTD este un dispozitiv a cărui rezistență variază în funcție de temperatură, așa cum se arată în Figura A-3. RTD-urile sunt disponibile în diferite materiale și game de rezistență, cel mai popular fiind RTD de 100 Ω din platină. RTD-urile sunt, în general, mai exacte decât termocuplele și nu necesită compensarea joncțiunii reci. Dar, RTD-urile sunt de obicei mai scumpe, necesită liniarizare pentru acuratețe și pot fi afectate de rezistența firelor (de exemplu, legături lungi).

Figura A-3. Graficul temperatura versus rezistență RTD

RTD-urile sunt disponibile cu două, trei sau patru fire. Un RTD cu două fire este cel mai simplu, dar poate fi inexact din cauza rezistenței firului de sârmă.
RTD cu trei fire utilizează un al treilea fir pentru a anula această rezistență a firului.
RTD-ul cu patru fire (Figura A-4) este cel mai exact deoarece compensează, de asemenea, orice eroare datorată potrivirii rezistenței firelor. RTD este similar cu marca tensometrică deoarece necesită excitație pentru a induce o tensiune pe RTD în sine. Forma de excitație este de obicei o sursă de curent.

Figura A-4. RTD cu patru-fire

În rezumat, RTD-urile au următoarele caracteristici:

• Mai exacte, dar mai scumpe decât termocuplele
• Nu necesită CJC
• Necesită excitație - de la hardware-ul de condiționare a semnalului
• Necesită liniarizare
• Configurația cu două fire este simplă, dar are inexactități datorită rezistenței firelor
• RTD-urile cu trei fire și patru fire folosesc fire suplimentare care duc la minimizarea rezistenței firelor.

Senzori circuite integrate

Un senzor circuit integrat (IC) este un traductor de temperatură realizat din material semiconductor din siliciu care acționează ca un rezistor sensibil la temperatură.

Senzorii IC necesită o sursă de alimentare externă. Deși sunt liniari și rentabili, au timp de răspuns lent și intervale limitate. Senzorii IC sunt utilizați frecvent ca senzori CJC pentru măsurători cu termocuplu.

Figura A-5. Graficul Temperatura senzorului IC versus rezistență

Termistoare

Un termistor este un dispozitiv a cărui rezistență variază în funcție de temperatură. Așa cum se arată în Figura A-6, termistoarele au o ieșire neliniară și necesită excitație. Deoarece termistoarele sunt dispozitive cu rezistență relativ mare, acestea nu necesită configurații cu trei sau patru fire.

Figura A-6. Graficul Temperatura termistorului versus rezistență

Pe scurt, termistoarele au următoarele caracteristici:

• Necesită excitație - de la hardware-ul de condiționare a semnalului
• Necesită liniarizare
• Sensibilitate ridicată
• Rezistență ridicată - nu sunt necesare configurații cu trei și patru fire

Mărci tensometrice

O marcă tensometrică este un dispozitiv folosit pentru a detecta mișcări mici în materiale datorate stresului sau vibrațiilor. Mărcile tensometrice constau din conductoare subțiri atașate la materialul care urmează să fie solicitat. Modificările în rezistența mărcii indică deformarea materialului. O varietate de traductoare folosesc elemente cu mărci tensometrice montate pe diafragme sau alte configurații pentru a detecta diferite mărimi fizice. De exemplu, celulele de sarcină sunt mărci tensometrice configurate pentru a măsura greutatea.

De obicei, utilizați mărci tensometrice într-o configurație de rezistoare denumită punte Wheatstone. Într-o punte, patru rezistoare sunt plasate într-o configurație de diamant. Când aplicați o tensiune pe punte, tensiunea diferențială (Vm) la nodurile intermediare variază pe măsură ce valorile rezistoarelor din punte se schimbă. Marca tensometrică furnizează de obicei rezistoare variabile.

Mărcile tensometrice sunt disponibile în diferite configurații de punte - punte completă, jumătate de punte și sfert de punte. Pentru o punte completă cu mărci tensometrice, cele patru rezistoare ale punții Wheatstone sunt amplasate fizic în locul mărcilor tensometrice. Pentru o jumătate de punte cu mărci tensometrice, mărcile tensometrice variabile ocupă de obicei două brațe ale punții Wheatstone, în timp ce celelalte două brațe sunt rezistoare pe care le furnizați dvs. sau hardware-ul de condiționare a semnalului. Figura A-7 prezintă mărci tensometrice în jumătate de punte. R1 trebuie să fie egal cu R2, iar Rg este valoarea rezistenței mărcii tensometrice în repaus. În timp ce Figura A-7 arată o sursă de tensiune continuă care furnizează excitație, unele mărci tensometrice necesită excitație de curent.

A.2 CIRCUITE I/O ANALOGICE

Pentru a vă ajuta să înțelegeți mai bine modul în care un sistem DAQ convertește tensiunile din lumea reală în valori digitale pe care computerul dvs. le poate afișa și analiza, această secțiune discută componentele de intrare analogică ale dispozitivului dvs. DAQ.

Amplificator de instrumentație

Pentru a asigura o acuratețe maximă în ADC, amplificatorul de instrumentație aplică câștig la tensiunea de intrare pentru a o constrânge la gama ADC-ului. Jumperii și/sau software configurează gama pentru ADC și LabVIEW determină câștigul de aplicat în funcție de limitele semnalului de intrare. După amplificarea unui semnal, ieșirea amplificatorului fluctuează pentru o perioadă de timp, numită timp de stabilire (settling time), înainte de stabilizarea într-o gamă acceptabilă a tensiunii reale. Timpul de stabilire afectează cât de repede puteți eșantiona exact date în funcție de câștigul care a fost aplicat. Figura A-8 prezintă caracteristicile timpului de stabilire ale unui amplificator de instrumentație standard. Observați timpul de stabilire, ts, care trece înainte ca semnalul amplificat să se stabilizeze în intervalul de tensiune acceptabil (±% V). Ieșirea amplificatorului trebuie lăsată să se stabilizeze înainte ca ADC să înceapă conversia. Dacă rata de eșantionare (rata la care mux comută canalele) depășește timpul de stabilire al amplificatorului de instrumentație, datele achiziționate pot fi incorecte.

De exemplu, luați în considerare un dispozitiv DAQ cu două semnale de intrare, așa cum se arată în Figura A-9. Semnalul conectat la CH0 este la +5 V și semnalul la CH1 este la –5 V. Aceasta este o situație de cel mai rău caz în care, atunci când mux comută, amplificatorul de instrumentație vede o „treaptă” de 10 V. Să presupunem că timpul de stabilire pentru amplificatorul de instrumentație este de 10 μs și eșantionați la 200 ksamples/s. Amplificatorului nu i se acordă timp să se stabilizeze înainte ca mux-ul să treacă la următoarea citire. Prin urmare, tensiunile trimise către ADC pentru conversie sunt incorecte.

Figura A-10 prezintă semnalele din Figura A-9 eșantionate atât mai repede, cât și mai lent decât timpul de stabilire. Observați cum ADC a digitalizat nivelul de tensiune greșit atunci când amplificatorul de instrumentație nu a avut timp să se stabilizeze.

Acest exemplu este o situație de cel mai rău caz - amplificatorul de instrumentație trebuie să se deplaseze pe toată scala. Când semnalele de intrare consecutive se află într-un anumit procent unul de celălalt, timpul de stabilire al amplificatorului este mult mai mic. De exemplu, luați în considerare următoarele specificații pentru o placă AT-MIO-16X.
Amplificatorul de instrumentație de pe această placă se stabilizează la o acuratețe de 16 biți în 40 μs. Puteți eșantiona cu acuratețe semnale care comută între ± 10 V la 25 kHz (situația de cel mai rău caz). Dar, dacă canalele de intrare scanate se află într-o gamă de 10% din scala maximă, unul față de celălalt, amplificatorul se stabilizează mult mai repede și puteți eșantiona la viteza maximă a plăcii de 100 kHz.

Utilizați următoarele sfaturi pentru a reduce efectele timpului de stabilire:

• Comandați eșantionarea semnalului astfel încât amplificatorul să folosească cele mai mici diferențe de tensiune posibile la trecerea de la un canal la altul.
• Reduceți rezistența și capacitatea firelor la placa DAQ.
• Obțineți o placă care are un amplificator de instrumentație cu timp de stabilire superior. Multe plăci DAQ de la National Instruments folosesc un amplificator de instrumentare personalizat, NI-PGIA, care se stabilizează în mod egal la toate câștigurile.

Figura A-11 compară timpul de stabilire al NI-PGIA cu un amplificator de instrumentație disponibil comercial.

Specificațiile dispozitivului DAQ sunt adesea în termeni de bitul cel mai puțin semnificativ (LSB). Un LSB este creșterea modificării tensiunii corespunzătoare unei modificări LSB a valorii digitale.

De exemplu, AT-MIO-16X se poate stabiliza la ± 0,5 LSB (sau ± 76,3 μV) folosind un câștig de 1 și o gamă de intrare de 10 V.

ADC

Componenta fundamentală a circuitelor analogice de intrare este ADC-ul. ADC digitalizează semnalul de intrare analogic; adică convertește tensiunea analogică într-o valoare digitală. ADC stochează valoarea digitală într-un buffer FIFO până când poate fi transmisă în memoria computerului. În timpul achizițiilor de mare viteză, buffer-ul FIFO previne pierderea datelor din cauza latențelor de întrerupere care pot apărea la transferul datelor în memoria computerului.

Dispozitivele DAQ pot utiliza metode diferite pentru efectuarea conversiilor A/D. Unele tehnici A/D utilizate în mod obișnuit sunt aproximarea succesivă, flash, subranging (half-flash), integrarea și modularea delta-sigma.

Aproximații succesive

ADC cu aproximații succesive este cel mai popular tip de ADC utilizat pe dispozitivele DAQ, deoarece are viteză mare și rezoluție ridicată la un cost modest. Figura A-12 prezintă un ADC cu aproximații succesive pe 8 biți.

Convertorul cu aproximații succesive folosește o tehnică similară cu determinarea greutății unui obiect folosind greutăți standard. De exemplu, considerați că aveți patru greutăți - 1 g, 2 g, 4 g și 8 g. Plasați greutatea necunoscută pe o parte a cântarului și apoi așezați cea mai mare greutate cunoscută pe cealaltă parte. Dacă cântarul nu se înclină, adăugați următoarea greutate cea mai mare. Dacă cântarului se înclină, eliminați greutatea și încercați următoarea greutate mai ușoară. Acest lucru se face până la echilibrarea cântarului. Prin totalizarea greutăților puse pe cântar, determinați greutatea obiectului.

Un convertor cu aproximații succesive pe 8 biți funcționează în mod similar. SAR setează inițial toți cei 8 biți ai DAC la 0. Apoi, începând cu cel mai semnificativ bit (MSB), fiecare bit este setat la 1 și comparatorul (Comp) evaluează tensiunea de ieșire. Dacă tensiunea DAC nu depășește tensiunea de intrare, bitul este lăsat la 1; în caz contrar, este setat la 0. Un cod digital care reprezintă tensiunea analogică de intrare este emis după ce toți n biții au fost testați. Pentru un ADC pe 8 biți, acest proces durează de obicei mai puțin de 2 μs.
Figura A-13 ilustrează o secvență de conversie pentru un ADC cu aproximații succesive pe 8 biți.

Flash și Half-Flash

Cel mai rapid tip de ADC este ADC-ul flash. Pentru un ADC n-bit, tensiunea de intrare se aplică simultan la 2^n-1 comparatoare. Așa cum se arată în Figura A-14, fiecare comparator compară tensiunea de intrare cu o tensiune de referință diferită. Tensiunile de referință ale comparatoarelor consecutive sunt la o distanță de un LSB. Dacă tensiunea de intrare este mai mare sau egală cu tensiunea de referință, comparatorul scoate un 1; în caz contrar, scoate un 0. Codificatorul traduce ieșirile comparatorului într-un cod digital.

Datorită costului și dimensiunii componentelor, ADC-urile flash sunt de obicei disponibile numai cu o rezoluție de 8 biți sau mai mică. ADC-urile half-flash, o variantă a ADC-urilor flash, utilizează o tehnică hibridă care are ca rezultat ADC-uri cu costuri mai mici și rezoluție mai mare, dar timpi de conversie mai mici decât ADC-urile flash.

Integrare (pantă-dublă)

O altă metodă de conversie A/D, integrarea, se bazează pe integrare pentru a digitaliza semnalul de intrare. Acest tip de ADC are mai multe avantaje - rezoluție ridicată, liniaritate bună și reducerea zgomotului de intrare folosind medierea.
Dar, principalul său dezavantaj este rata lentă de conversie. Prin urmare, ADC-urile de integrare sunt utilizate în principal în multimetrul digital și în alte dispozitive de măsurare lentă.

Modulare Delta-Sigma

Tehnologia de ultimă generație din ADC-uri este ADC-ul cu modulare delta-sigma. Aceste ADC-uri utilizează modulatoare delta-sigma, combinate cu supra-eșantionare și filtre digitale pentru a obține rate de eșantionare ridicate, rezoluție ridicată și cea mai bună linearitate dintre toate ADC-urile. De exemplu, acest tip de ADC oferă 16 biți de rezoluție la 48 kS/s fără neliniaritate diferențială.

Tabelul A-2. Avantajele/utilizarea diferitelor tipuri de ADC