6.1 PREZENTARE GENERALĂ A CONDIȚIONĂRII DE SEMNAL

Un sistem tipic de achiziție de date constă dintr-un fenomen fizic, traductoare, condiționarea semnalului, dispozitiv de achiziție de date și un computer.

Sursa de semnal este de obicei un traductor pentru a măsura un fenomen fizic. Diferiți producători de traductoare și tipuri de traductoare măsoară o mare varietate de niveluri de semnal. Semnalul este de obicei conectat la un dispozitiv de condiționare a semnalului. Această conexiune de semnal este de obicei din două sau mai multe fire care variază în lungime de la centimetri la mile, traversând probabil prin tensiune înaltă sau alte pericole electromagnetice. Cele mai multe probleme de calitate a semnalului provin din secțiunea de conectare a semnalului.

Majoritatea senzorilor și traductoarelor din lumea reală generează semnale pe care trebuie să le condiționați înainte ca un dispozitiv DAQ să poată achiziționa semnalul în mod fiabil și exact. Această procesare front-end, denumită condiționare a semnalului, include funcții precum amplificarea semnalului, filtrarea, izolarea electrică și multiplexarea acestuia. Sistemele de condiționare a semnalului pot fi găsite pe dispozitivul de achiziție a datelor sau în dispozitive separate, cum ar fi Signal Conditioning eXtensions for Instrumentation (SCXI) sau Signal Conditioning Components (SCC). Scopul este de a curăța semnalul înainte de a fi măsurat de convertorul analogic-digital (ADC).

Dispozitivul de achiziție a datelor este de obicei un dispozitiv plug-in în computer, precum un dispozitiv DAQ de la National Instruments. Dispozitivul de achiziție a datelor oferă capacitatea de a digitaliza semnalul analogic condiționat. Computerul poate apoi analiza și prezenta semnalul digitalizat și condiționat.

6.2 CONFIGURAREA CONDIȚIONĂRII DE SEMNAL

SCXI este o arhitectură completă de condiționare a semnalului care oferă o platformă de condiționare a semnalului versatilă și performantă. Următoarea ilustrație arată componentele de bază ale unui sistem de condiționare a semnalului.

Traductoarele sunt conectate la blocul terminal. Șasiul SCXI găzduiește modulele SCXI, furnizând alimentarea și controlând SCXIbus. Șasiul SCXI este conectat la un dispozitiv DAQ plug-in din computer. Dispozitivul DAQ controlează funcționarea șasiului SCXI.

Următoarea ilustrație arată arhitectura sistemului de condiționare a semnalului SCXI.

Traductoarele sunt conectate la un bloc terminal care este conectat direct la partea din față a modulului SCXI din cadrul șasiului. Modulul SCXI utilizează un multiplexor pentru a direcționa semnalele condiționate către SCXIbus. Dispozitivul DAQ controlează întreaga funcționare a șasiului SCXI.

Modulele SCXI analogice pot funcționa în mod paralel sau multiplexat.

În modul paralel, modulele nu efectuează multiplexare a semnalului și pur și simplu transmit semnalele condiționate direct la canalele corespunzătoare de pe dispozitivul DAQ. Prin urmare, fiecare modul este conectat direct la propriul dispozitiv DAQ. În modul paralel, viteza de achiziție este limitată doar de dispozitivul DAQ, nu de sistemul SCXI. Dar, în modul paralel, un dispozitiv DAQ poate primi semnale doar de la un modul SCXI.

Majoritatea sistemelor SCXI operează în modul multiplexat. Multiplexarea permite condiționarea a mii de semnale condiționate pe un singur dispozitiv DAQ.

În modul multiplexat, un singur dispozitiv DAQ este conectat la un modul SCXI din șasiu. Liniile digitale de pe dispozitivul DAQ controlează modulele și șasiul. Dispozitivul DAQ utilizează trei sau patru linii de ieșire digitale și linia EXTSTROBE pentru a controla sistemul SCXI. În plus, o linie de intrare digitală citește informații de la modulele SCXI.

Când utilizați module de intrare analogice SCXI, puteți măsura semnalele efectuând o citire pe un singur canal sau o scanare cu mai multe canale, sincronizată-hardware.

În timpul citirilor cu un singur canal, dispozitivul DAQ scrie serial un model digital în slotul O al SCXI, situat în șasiu, indicând la care modul SCXI se adresează. Dispozitivul DAQ scrie apoi un model digital pentru modul indicând care canal de intrare este citit, care configurează modulul pentru a direcționa semnalul dorit către magistrala analogică a șasiului SCXI. În cele din urmă, semnalul este direcționat către canalul de intrare analogică al dispozitivului DAQ. Dispozitivul DAQ citește apoi canalul 0, așa cum se arată în ilustrația următoare. Driverul de dispozitiv NI-DAQ efectuează toate aceste comunicații digitale de nivel scăzut și rutarea semnalului atunci când apelați funcțiile de intrare analogică cu un singur canal.

Cu scanarea multicanal, dispozitivul DAQ programează SCXI Slot 0 cu o listă de module și numărul de canale de scanat din fiecare modul.

Fiecare modul din listă este programat cu canalul pe care să înceapă scanarea. Dispozitivul DAQ sau modulul începe apoi scanarea multicanal.

Semnalul SCANCLK de pe dispozitivul DAQ sincronizează multiplexarea SCXI cu ceasul intern care declanșează conversiile A/D pe dispozitivul DAQ. SCXI Slot 0 activează și dezactivează modulele conform listei preprogramate. În acest fel, sistemul multiplexează canale de la mai multe module la un canal de intrare analogic al dispozitivului DAQ la rate foarte mari. NI-DAQ conține funcții de nivel-înalt care efectuează operațiuni de scanare multicanal.

Parcurgeți pașii următori pentru a configura sistemul SCXI.

1. Asigurați-vă că ansamblul corect al cablului și adaptorul de cablu sunt conectate la modulul corect.

2. Conectați modulul la dispozitivul DAQ.

3. Asigurați-vă că blocurile terminale corecte sunt conectate la modulul corect.

4. Alimentați șasiul SCXI.

Atenție! Modulele SCXI nu pot fi schimbate la cald. Asigurați-vă că șasiul este nealimentat înainte de a scoate sau adăuga orice module, blocuri terminale sau cabluri.

Exercițiul 6-1 Configurarea SCXI folosind Measurement & Automation Explorer

Obiectiv: Utilizarea MAX pentru a configura un sistem de condiționare a semnalului pentru un sistem DAQ bazat pe PC.

1. Comutați off șasiul SCXI.

2. Examinați șasiul SCXI-1000 cu 4 sloturi, modulele și blocurile terminale. Șasiul trebuie să conțină următoarele module în ordine de la slotul 1 (slotul din stânga) până la slotul 4 (slotul din dreapta). Următoarea listă include module pe care le veți utiliza în exercițiile ulterioare.

• Slot 1 - SCXI-1520 Modul universal cu 8 canale de intrare pentru mărci tensometrice
- SCXI-1314 Bloc terminal universal pentru mărci tensometrice

• Slot 2 - Panou de transmisie directă SCXI-1180
SCXI-1180 vă permite să accesați canalele neutilizate de pe dispozitivul DAQ din partea frontală a șasiului SCXI.
- SCXI-1302 bloc terminal de uz general

• Slot 3 - SCXI-1125 Modul amplificator de izolare cu 8 canale
- SCXI-1327 Bloc terminal cu atenuare

• Slot 4 - SCXI-1141 Modul filtru eliptic low-pass cu 8 canale
- SCXI-1304 Bloc terminal raportat la masa semnalului

3. Priviți la partea din spate a șasiului SCXI-1000. Modulul din slotul 1 ar trebui să aibă conectat un adaptor de cablu SCXI-1349 pentru dispozitivele DAQ din seria E. Observați cum SCXI-1349 are un conector de cablu cu 68 de pini pe spate și un conector cu 50 de pini pe lateral. Conectorul din spate cu 68 de pini este destinat conectării la cablul care vine de la dispozitivul DAQ din computer. Conectorul lateral cu 50 de pini este destinat accesării canalelor neutilizate de pe dispozitivul DAQ.

4. SCXI-1180 (slotul 2) nu este un modul, ci un panou de transmisie directă care conține un cablu care se conectează la conectorul lateral al adaptorului de cablu SCXI-1349 și vă permite să accesați canalele neutilizate de pe dispozitivul DAQ din partea frontală a șasiului SCXI.

5. Conectați dispozitivul DAQ la șasiul SCXI și obțineți acces la canalele neutilizate ale dispozitivului DAQ.

a. Luați cablul care vine de la dispozitivul DAQ din computer și detașați-l de DAQ Signal Accessory.
b. Asigurați-vă că adaptorul de cablu SCXI-1349 este conectat la partea din spate a SCXI-1520 în slotul 1 al șasiului SCXI.
c. Conectați cablul DAQ la conectorul din spate cu 68 de pini al SCXI- 1349.

6. Alimentați șasiul SCXI.

7. Lansați MAX făcând dublu clic pe pictograma de pe desktopul Windows. Faceți clic dreapta pe Devices and Interfaces și selectați Create New din meniul de comenzi rapide.

8. Selectați dispozitivul Devices and Interfaces»NI-DAQmx Device»NI-DAQmx SCXI Chassis»SCXI-1000 și faceți clic pe butonul Finish.

9. Selectați slotul modulului SCXI care va comunica cu dispozitivul DAQ. În acest caz, primul modul, SCXI-1520, are adaptorul de cablu SCXI-1349 conectat pe backplane și va comunica cu dispozitivul DAQ. Selectați 1 din meniul derulant Communicating SCXI Module Slot.

10. În caseta de dialog Create New SCXI Chassis, setați Chassis Address la 0.

Plasați o bifă în caseta de selectare Auto-Detect Modules in Chassis și faceți clic pe butonul Save.

11. Caseta de dialog SCXI Chassis Configuration ar trebui să apară așa cum se arată în figura următoare.

Notă 1180 este un panou de transmisie directă și nu va fi detectat ca un modul. Slotul său pare să fie gol în caseta de dialog SCXI Chassis Configuration.

a. Pentru modulul SCXI-1125, selectați SCXI-1327 din meniul derulant Accessory.
b. Pentru modulul SCXI-1141, selectați SCXI-1304 din meniul derulant Accessory.
c. Faceți clic pe butonul OK pentru a închide caseta de dialog.

12. Căutați sub Devices and Interfaces și apoi NI-DAQmx Devices pentru a extinde arborele pentru a afișa SCXI-1000: „SC1”. Apoi, faceți dublu clic pe SCXI-1000: „SC1” pentru a extinde arborele pentru a afișa modulele instalate.

13. Faceți clic dreapta pe SCXI-1000: „SC1” și selectați Test din meniul de comenzi rapide. Faceți clic pe butonul OK. Dacă șasiul nu trece testul de verificare, informați instructorul.

14. Faceți clic pe fiecare dintre module și observați tab-ul Attributes care afișează informații despre proprietățile modulului setat în caseta de dialog SCXI Chassis Configuration.

15. Ieșiți din MAX.

Sfârșitul exercițiului 5-1

6.3 FUNCȚII DE CONDIȚIONARE A SEMNALULUI

În plus față de manipularea traductoarelor specifice, dispozitivele de condiționare a semnalului îndeplinesc o varietate de funcții de condiționare de uz general pentru a îmbunătăți calitatea, flexibilitatea și fiabilitatea unui sistem de măsurare.

Amplificarea semnalului

Deoarece semnalele din lumea reală au adesea o amplitudine foarte mică, condiționarea semnalului poate îmbunătăți acuratețea datelor. Amplificatoarele cresc nivelul semnalului de intrare pentru a se potrivi mai bine cu gama ADC, crescând rezoluția și sensibilitatea măsurătorii. Deși multe dispozitive DAQ includ amplificatoare la bord, multe traductoare, cum ar fi termocuplele, necesită o amplificare suplimentară.

Multe traductoare produc semnale de ieșire în tensiune de milivolți sau chiar microvolți. Amplificarea acestor semnale de nivel scăzut direct pe un dispozitiv DAQ amplifică, de asemenea, orice zgomot preluat de la conexiunile de semnal. Când semnalul este mic, chiar și o cantitate mică de zgomot poate înăbuși semnalul în sine, ducând la date eronate. O metodă simplă de reducere a raportului semnal-zgomot este amplificarea semnalului cât mai aproape de sursă. Acest lucru mărește semnalul peste nivelul de zgomot înainte ca zgomotul din conexiuni să poată corupe semnalul și îmbunătățește raportul semnal-zgomot al măsurării. De exemplu, următoarea ilustrație arată un termocuplu de tip J care emite un semnal de tensiune de nivel scăzut, care variază cu aproximativ 50 μV/°C.

Să presupunem că legăturile termocuplului traversează 10 m printr-un mediu zgomotos electric către sistemul DAQ. Dacă sursele de zgomot din mediu cuplează 200 μV pe cablurile termocuplului, veți obține o citire a temperaturii cu aproximativ 4°C de zgomot. Amplificarea semnalul aproape de termocuplu, înainte ca zgomotul să corupă semnalul, reduce efectul asupra măsurării finale. Amplificarea semnalului cu un câștig de 500 în apropierea termocuplului produce un semnal de termocuplu care variază cu aproximativ 25 mV/°C. Deoarece acest semnal de nivel înalt parcurge aceiași 10 m, cei 200 μV de zgomot cuplat la acest semnal după amplificare are un efect mai mic asupra măsurării finale, adăugând doar 0,03°C de zgomot.

Exercițiul 6-2 Setarea câștigului

Obiectiv: Setarea câștigului pe canalul 0 și canalul 1 al SCXI-1125 și observarea diferențelor dintre setările de câștig pe un chart în LabVIEW.

Atenție! Modulele SCXI nu pot fi schimbate la cald. Asigurați-vă că șasiul este nealimentat înainte de a scoate sau adăuga module, blocuri terminale sau cabluri.

1. Lansați MAX și extindeți Devices and Interfaces»NI-DAQmx Devices»SCXI-1000: “SC1”.

2. Faceți clic dreapta pe 3: SCXI-1125: „SC1Mod3” și selectați Properties din meniul de comenzi rapide. Faceți clic pe butonul Configure. Faceți clic pe tab-ul Gain Configuration și configurați canalul 0 și canalul 1 cu următoarele setări:

• Channel: 0 Attenuation: 1.00
• Channel: 1 Attenuation: 1.00

3. Faceți clic de două ori pe OK pentru a ieși din caseta de dialog Details: SCXI-1125 SC1Mod3.

Conectați termocuplul la canalele 0 și 1 ale blocului terminal SCXI-1327. Atenție! Înainte de a continua, asigurați-vă că blocul terminal SCXI-1327 nu este atașat la SCXI-1125. Dacă este, opriți alimentarea șasiului mai întâi și scoateți SCXI-1327 slăbind șuruburile superioare și inferioare care îl atașează la modulul SCXI-1125.

4. Scoateți capacul superior al blocului terminal de atenuare SCXI-1327.

Examinați următoarea ilustrație și potriviți componentele numerotate cu componentele de pe blocul terminal SCX-1327.

5. Localizați comutatoarele utilizate pentru a ocoli circuitele de atenuare de pe CH 0 (S1 și S2) și CH 1 (S3 și S4). Asigurați-vă că toate sunt setate la 1: 1 așa cum se arată în ilustrația următoare.

6. Folosind termocuplul, realizați conexiunile prezentate în ilustrația următoare.

Notă Utilizați fire care sunt de același tip de metal ca termocuplul. Firul alb este fier, firul roșu este constantan. Verificați cu instructorul pentru a vă asigura că utilizați tipul corect de fire.

a. Atașați firul alb de la termocuplu la CH 0+ și celălalt fir de la termocuplu la CH 0–.
b. Luați o bucată suplimentară din fiecare tip de sârmă pe care ați folosit-o pentru a construi termocuplul și atașați-le la CH 0 după cum urmează.
- Atașați firul alb la borna cu șurub pozitivă (+) a lui CH 0 și strângeți șurubul în poziție. Asigurați-vă că firul și termocuplul sunt ținute pe loc.
- Atașați firul roșu la borna cu șurub negativă (-) a lui CH 0 și strângeți șurubul în poziție. Asigurați-vă că firul și termocuplul sunt ținute pe loc.
c. Atașați firul alb la CH 1+.
d. Atașați firul roșu la CH 1–.
e. Remontați capacul SCXI-1327 și strângeți șuruburile capacului.
f. Atașați SCXI-1327 la partea frontală a SCXI-1125 și strângeți șuruburile superioare și inferioare pentru a fixa blocul terminal la modul.
g. Alimentați șasiul.

7. Reveniți la MAX și faceți clic dreapta pe NI-DAQmx Global Channels under Data Neighborhood. Selectați Create New NI-DAQmx Channel din meniul de comenzi rapide. Configurați următoarele setări pentru primul canal:

• Measurement Type: Analog Input
• Sensor Type: Voltage. Pentru acest exercițiu, termocuplul este tratat ca o sursă de tensiune foarte mică în loc de o sursă de temperatură. Creați un canal de termocuplu mai târziu în curs.
• Physical Channel: SC1Mod3/ai0
• Name: Temperature1

Configurați următoarele setări pentru al doilea canal:

• Measurement Type: Analog Input
• Sensor Type: Voltage
• Physical Channel: SC1Mod3/ai1
• Name: Temperature2

8. Faceți clic dreapta pe Data Neighborhood și selectați Create New »NI-DAQmx Task din meniul de comenzi rapide. Configurați următoarele setări:

• Measurement Type: Analog Input
• Sensor Type: Voltage
• Channels: Selectați opțiunea Add Existing DAQmx Global Channels și selectați Temperature1 și Temperature2.
• Name: SmallVoltageTask

9. În caseta de dialog Analog Input Voltage Task Configuration, configurați sarcina pentru achiziția continuă de date.

10. Faceți clic pe butonul Start.

11. Folosiți degetul sau un pahar cu apă și gheață pentru a testa termocuplul și pentru a determina dacă citirea se modifică corespunzător. Dacă nu se detectează nicio modificare sau apare o eroare, informați instructorul.

12. Faceți clic pe butonul Stop.

13. Faceți clic pe butonul OK pentru a ieși din panoul de testare.

14. Faceți clic pe butonul Save Task.

15. Ieșiți din MAX. Salvați orice canal NI-DAQmx nesalvat.

Setarea câștigului în LabVIEW

Completați un VI care achiziționează date de la termocuplul pe care l-ați conectat la SCXI-1125/SCXI-1327. Acest VI demonstrează cum se setează programatic câștigul canalelor individuale prin ajustarea gamei de semnal (limite sus și limite jos) al semnalului în LabVIEW și arată, prin comparație, beneficiile utilizării câștigului atunci când se achiziționează tensiuni mici, cum ar fi ieșirea în milivolți a unui termocuplu.

1. Lansați LabVIEW și deschideți SCXI-1125 Gain vs No Gain VI situat în directorul C: \ Exercises \ LabVIEW DAQ. Se afișează următorul panou frontal.

2. Modificați diagrama bloc așa cum se arată în figura următoare.

3. Salvați VI.

4. Pe panoul frontal, setați următoarele comenzi:

• rate: 1000
• samples per channel (buffer): 1000
• High and Low Limits:
– Temperature1:
• High Limit: 0.00200
• Low Limit: –0.00200
– Temperature2:
• High Limit: 5.00000
• Low Limit: –5.00000

5. Rulați VI-ul.

6. Observați setările de câștig pentru cele două canale. Așezați degetul pe termocuplu și observați diferența dintre cele două canale pe chart, așa cum se arată în figura următoare.

7. Opriți VI-ul. Schimbați High Limit a lui Temperature2 la 1.00000 și Low Limit a lui Temperature2 la –1.00000. Rulați din nou VI-ul.

8. Așezați din nou degetele pe termocuplu și acordați o atenție deosebită semnalului de pe CH 1. Observați că semnalul se schimbă de la o tensiune joasă la o tensiune înaltă, dar nu puteți citi cu exactitate tensiunile dintre cele două nivele, așa cum se arată în următoarea figură.

Nu puteți citi cu exactitate tensiunile dintre cele două nivele din cauza lățimii codului, cea mai mică modificare a semnalului pe care sistemul o poate detecta. O gamă de 2 V (–1,00 V la 1,00 V) împărțită la produsul câștigului (5,00) și rezoluției (2¹²) are ca rezultat o lățime de cod de 0,097 mV.

9. Observați că setarea de câștig pentru Temperature2 s-a schimbat. Experimentați cu VI-ul oprindu-l și schimbând valorile High Limits și Low Limits și observați modul în care diferite valori afectează câștigul și semnalele.

10. Salvați și închideți VI-ul când terminați.

Sfârșitul exercițiului 5-2

6.4 FILTRAREA

Sistemele de condiționare a semnalului pot include filtre pentru a rejecta zgomotul nedorit într-un anumit interval de frecvență. Aproape toate aplicațiile DAQ sunt supuse unui anumit grad de zgomot de 50 sau 60 Hz preluat de la liniile electrice sau utilaje. Prin urmare, majoritatea sistemelor de condiționare a semnalului includ filtre low-pass (trece-jos) concepute special pentru a oferi rejectarea maximă a zgomotului de 50 sau 60 Hz. De exemplu, modulul SCXI-1125 include un filtru low-pass cu o lățime de bandă cutoff de 4 Hz, astfel încât rejectarea zgomotului de 50 sau 60 Hz să fie maximizată (90 db).

Filtrele sunt grupate, în general, în una din cele cinci clasificări - lowpass, highpass, bandpass, bandstop și all-pass. Aceste clasificări se referă la gama de frecvențe (banda de trecere) a semnalelor, pe care filtrul este destinat să le treacă de la intrare la ieșire fără atenuare. Deoarece majoritatea modulelor de condiționare a semnalului de la National Instruments folosesc un filtru low-pass, această secțiune se concentrează pe filtrele low-pass.

Un filtru trece-jos ideal nu atenuează componentele de frecvență ale semnalului de intrare din banda de trecere, care este definită ca toate frecvențele sub frecvența de tăiere (cutoff). Un filtru ideal low-pass atenuează complet toate componentele semnalului din banda de oprire, care include toate frecvențele de peste frecvența de tăiere. Filtrul ideal low-pass are, de asemenea, un defazaj liniar în raport cu frecvența. Această proprietate de fază liniară înseamnă că componentele semnalului de toate frecvențele sunt întârziate cu un timp constant, independent de frecvență, păstrând astfel forma generală a semnalului. Filtrele reale supun semnalele de intrare la funcții de transfer matematice, care aproximează caracteristicile unui filtru ideal. Următoarea ilustrație compară atenuarea funcțiilor de transfer ale unui filtru real și ale unui filtru ideal.

Așa cum arată această ilustrație, un filtru real are o ondulație (ripple -o variație neuniformă a atenuării față de frecvență) în banda de trecere, o regiune de tranziție între banda de trecere și banda de oprire și o bandă de oprire cu atenuare finită și ondulare.

În plus, filtrele reale au o oarecare neliniaritate în răspunsul lor de fază, ceea ce face ca componentele semnalului la frecvențe mai înalte să fie întârziate cu timpi mai lungi decât componentele semnalului la frecvențe mai joase, rezultând o distorsiune generală a formei semnalului. Acest lucru poate fi observat atunci când o undă pătrată sau intrare-treaptă este trimisă printr-un filtru low-pass. Un filtru ideal netezește fronturile semnalului de intrare. Un filtru real provoacă oarecare oscilații în semnalul total, deoarece componentele cu frecvență mai înaltă ale semnalului sunt întârziate.

Următoarea ilustrație prezintă exemple de răspunsuri la o intrare-treaptă..

Filtre anti-aliasing

O altă utilizare obișnuită a filtrelor este de a preveni aliasing-ul (dedublarea) semnalului - un fenomen care apare atunci când un semnal este sub-eșantionat (eșantionat prea lent). Teorema Nyquist afirmă că atunci când eșantionați un semnal analogic, orice componentă a semnalului la frecvențe mai mari de jumătate din frecvența de eșantionare apare în datele eșantionate ca un semnal de frecvență mai joasă. Puteți evita această distorsiune a semnalului numai prin îndepărtarea oricăror componente ale semnalului peste jumătate din frecvența de eșantionare cu filtre low-pass înainte de eșantionarea semnalului.

Următoarea ilustrație arată un semnal de undă sinusoidală eșantionat în punctele indicate. Când aceste puncte de date eșantionate sunt utilizate pentru a reconstrui forma de undă, așa cum se arată prin linia punctată, semnalul pare să aibă o frecvență mai joasă decât unda sinusoidală inițială.

Puteți crește rata de eșantionare sau treceți semnalul printr-un filtru low-pass pentru a elimina componentele de înaltă-frecvență. Creșterea ratei de eșantionare poate fi costisitoare și adesea impracticabilă, mai ales atunci când limita superioară a lățimii de bandă a zgomotului de înaltă-frecvență poate fi mult mai mare decât lățimea de bandă a semnalului de interes. Prin urmare, o practică obișnuită este utilizarea filtrelor low-pass pentru a elimina orice elemente de frecvență peste frecvența Nyquist.

Numai filtrele analogice pot preveni aliasing. Filtrele digitale nu pot elimina aliasing-ul semnalelor, deoarece este imposibil să eliminați aliasing după ce semnalul a fost eșantionat.

De obicei, un filtru analogic programabil este utilizat ca un condiționator de semnal front-end pentru digitalizarea instrumentelor, cum ar fi dispozitivele sau modulele DAQ.

Filtrele analogice sunt disponibile cu funcții de transfer standard care oferă compromisuri în caracteristicile reale ale filtrului, cum ar fi roll-off, ripple al benzii de trecere și liniaritatea fazei. Funcțiile de transfer standard includ filtrele Butterworth, Chebyshev, Bessel și eliptice. De exemplu, filtrele Butterworth prezintă un răspuns de frecvență foarte plat în banda de trecere, în timp ce filtrele Chebyshev asigură o atenuare mai abruptă în detrimentul unor ondulații (ripple) ale benzii de trecere.

Filtrul Bessel oferă un răspuns de fază liniar pe întreaga bandă de trecere, minimizând distorsiunea formelor de undă, dar prezintă un roll-off mai puțin ascuțită și, prin urmare, o atenuare mai mică în banda de oprire. Filtrul eliptic Cauer, cu roll-off extrem de ascuțită, este util în special ca filtru anti-aliasing pentru sistemele DAQ de digitalizare multicanal. Dar, neliniaritatea de fază mare o face mai potrivită pentru aplicații care implică analiza conținutului de frecvență al semnalelor, spre deosebire de conținutul de fază sau forma undei.

Următoarea ilustrație arată funcția de transfer a trei module de condiționare a semnalului utilizate de National Instruments. Filtrul eliptic, cu roll-off extrem de ascuțită, este util în special ca filtru anti-aliasing pentru sistemele DAQ de digitalizare multicanal.

Performanța excelentă de atenuare a filtrului eliptic deasupra frecvenței de tăiere (cut-off) se dovedește benefică ca filtru anti-aliasing. Puteți eșantiona la o rată mai mică din cauza unei roll-off mai ascuțite a filtrului. De exemplu, considerați o aplicație cu 16 canale cu semnale de interes limitate la o lățime de bandă de 10 kHz. Însă, sunt necesare filtre anti-aliasing pentru a preveni distorsiunea prin semnale de zgomot nedorite peste 10 kHz. De exemplu, cu filtrele eliptice SCXI-1141 de ordinul opt, puteți programa frecvența de tăiere a filtrului pentru cele 16 canale pentru 10 kHz. Cu frecvența de tăiere setată la 10 kHz, atenuarea filtrelor SCXI-1141 atinge 80 dB la aproximativ 15 kHz.

Prin urmare, rata de eșantionare a dispozitivului DAQ de digitalizare poate fi setată în siguranță la dublul frecvenței de 15 kHz sau 30 kS/s. Deoarece 16 canale sunt eșantionate de un singur dispozitiv DAQ, dispozitivul este programat pentru o rată de eșantionare reunită de 480 kS/s.

Dacă utilizați un alt tip de filtru cu o roll-off mai puțin ascuțită, dispozitivul DAQ ar avea nevoie de o rată de eșantionare mult mai mare. De exemplu, un filtru tipic Butterworth de ordinul opt, programat pentru o frecvență de tăiere de 10 kHz atinge o atenuare de 80 dB la aproximativ 30 kHz. Rata de eșantionare a dispozitivului DAQ utilizat cu acest filtru trebuie să fie setată la 60 kS/s pe canal sau la 960 kS/s reunită. Această rată de eșantionare mai mare necesită un dispozitiv DAQ mai scump (sau mai puține canale pe dispozitiv DAQ) și o capacitate mai mare de stocare a datelor. Prin urmare, atenuarea mai ascuțită a filtrului eliptic reduce cerințele digitizatorului, permițând rate de eșantionare mai mici și cerințe mai mici de stocare a datelor.

Dar, filtrul eliptic are o neliniaritate de fază mare, așa cum se arată în ilustrația următoare. Acest răspuns de fază neliniar al filtrului face filtrul mai adecvat pentru aplicații care implică analiza conținutului de frecvență, spre deosebire de conținutul de fază sau forma undei.

Când alegeți un filtru de achiziție a datelor, luați în considerare atât răspunsul în magnitudine, cât și de fază al filtrului pentru o anumită aplicație, pentru a vă asigura că nu are loc pierderea informațiilor de semnal ca urmare a filtrării.

Filtrele analogice tradiționale sunt construite de obicei cu op-amp, rezistoare și condensatoare. Dar, tehnologia cu condensator comutat este utilizată în mod obișnuit în implementarea filtrelor anti-aliasing reglabile. În esență, un condensator comutat înlocuiește rezistorul în modelele mai tradiționale de filtre analogice. Deoarece impedanța condensatorului comutat este funcție de frecvența de comutare, puteți varia frecvența de tăiere a filtrului cu condensator comutat prin variația frecvenței semnalului de ceas care controlează comutarea. De asemenea, este mai ușor să fabricați cu acuratețe filtre compuse din op-amp și condensatoare potrivite.

Totuși, filtrele cu condensator-comutat au dezavantaje potențiale. Utilizate singure, filtrele cu condensator-comutat tind să fie prea zgomotoase pentru aplicațiile de condiționare analogică. Prin urmare, modulele de condiționare a semnalului NI utilizează un model hibrid unic de filtre cu condensator- comutat și filtre de timp-continuu pentru a combina beneficiile tehnologice și de performanță ale ambelor. Componentele principale ale unui etaj NI filtru de condiționare a semnalului constau din filtrul de timp-discret cu condensator-comutat, prefiltrul de timp-continuu, analogic programabil și postfiltrul de timp-continuu, analogic programabil.

• Filtrul de timp-discret cu condensator-comutat - Frecvența de tăiere este ușor controlată prin variația frecvenței semnalului de ceas de intrare.

• Prefiltrul de timp-continuu, analogic programabil- Filtrele cu condensator-comutat sunt dispozitive de eșantionare și sunt supuse la aliasing. Prin urmare, prefiltrul analogic atenuează orice frecvență în afara limitei Nyquist a frecvenței de comutare.

• Postfiltrul de timp-continuu, analogic programabil — Ieșirea filtrului cu condensator-comutat, o reprezentare a semnalului analogic în trepte, este reconstruită cu postfiltrul analogic. Acest postfiltru elimină, de asemenea, orice zgomot de transmitere de la ceasul de înaltă frecvență care acționează filtrul cu condensator-comutat.

Exercițiul 6-3 Utilizarea filtrelor hardware pentru a preveni aliasing-ul semnalului

Obiectiv: Utilizarea unui filtru hardware ca filtru anti-aliasing.

În acest exercițiu, aplicați programatic setările filtrului la modulul de filtrare low-pass SCXI-1141 prin LabVIEW și arătați avantajele utilizării filtrării hardware pentru a preveni aliasing-ul semnalelor de intrare.

Conectați ieșirea analogică a dispozitivului DAQ

Atenție! Modulele SCXI nu pot fi schimbate la cald. Asigurați-vă că șasiul este nealimentat înainte de a scoate sau adăuga orice module, blocuri terminale sau cabluri.

1. Îndepărtați capacele de la blocurile terminale SCXI-1302 și SCXI-1304.

2. Asigurați-vă că aveți fire suficient de lungi pentru a rula de la SCXI-1302 la SCXI-1304 și efectuați conexiunile așa cum se arată în ilustrația următoare.

a. Uitați-vă la SCXI-1304 și găsiți comutatoarele de cuplare AC/DC [S1/S2 pentru IN (0) și S4/S5 pentru IN (1)] și asigurați-vă că sunt setate la setarea DC așa cum se arată în ilustrația anterioară.

b. Uitați-vă la SCXI-1304 și găsiți comutatoarele de configurare a semnalului cu referință flotantă și la masă [S3 pentru IN (0) și S6 pentru IN (1)] și asigurați-vă că sunt setate la Ground Referenced, așa cum se arată în ilustrația anterioară.

c. Conectați un fir la borna șurub 20 a lui SCXI-1302 (pinul 22 DAC0OUT al dispozitivului DAQ) la IN + (0) a lui SCXI-1304.

d. Conectați o bucată de fir mai mică de la IN + (0) la IN + (1) a SCXI-1304.

e. Conectați un fir la șurubul terminalului 23 al SCXI-1302 (pinul 55 AOGND al dispozitivului DAQ) la IN - (0) al SCXI-1304.

f. Conectați o bucată de fir mai mică de la IN - (0) la IN - (1) a SCXI-1304.

3. Reatașați capacele la blocurile terminale respective.

4. Atașați SCXI-1302 la panoul feedthrough SCXI-1180.

5. Atașați SCXI-1304 la modulul filtru low-pass SCXI-1141.

6. Alimentați șasiul SCXI.

7. Reveniți la MAX. Faceți clic dreapta pe dispozitivul DAQ sub NI-DAQmx Devices și selectați Test Panels din meniul de comenzi rapide.

8. Selectați tab-ul Analog Output și modificați următoarele setări:

• Channel Name: DevX/ao0
• Output Mode: Sine Generation
• Update Rate: 1000.0
• Transfer Mechanism: DMA
• Output Voltage/Amplitude: 5.00

Faceți clic pe butonul Start.

9. Selectați tab-ul Analog Input și modificați următoarele setări:

• Channel Name: SC1Mod4/ai0
• Acquisition Mode: Continuous
• Max Input Limit: 5.00
• Min Input Limit: -5.00

10. Faceți clic pe butonul Start. Ar trebui să vedeți o undă sinusoidală.

11. Schimbați Channel Name pentru a citi semnalul de pe canalul 1 al SCXI-1141. Ar trebui să vedeți aceeași undă sinusoidală ca pe canalul 0.

Configurare MAX

1. Creați două noi canale NI-DAQmx pentru cele două canale pe care le-ați testat pe SCXI-1141. Denumiți canalele FilterChannel1 și FilterChannel2.

Pentru fiecare canal, selectați tab-ul Device, selectați Lowpass Filter Enable și setați frecvența de tăiere la 10000.

2. Adăugați FilterChannel1 și FilterChannel2 la o nouă sarcină numită FilterTask.

3. Salvați sarcina.

Configurarea programatică a setărilor filtrului în LabVIEW

Completați un VI care achiziționează date de undă sinusoidală generate de dispozitivul DAQ utilizând modulul filtru low-pass SCXI-1141. Acest VI demonstrează cum se setează programatic filtrele din SCXI-1141 și cum filtrarea hardware împiedică aliasing pe semnalul de intrare.

1. Lansați LabVIEW și deschideți SCXI-1141 Hardware Filtering VI situat în directorul C:\Exercises\LabVIEW DAQ. Se afișează următorul panou frontal.

2. Completați schema bloc prezentată în figura următoare.

3. Salvați VI.

4. Reveniți la panoul frontal și setați comenzile panoului frontal cu următoarele valori:

• Samples per channel: 100
• Rate: 10000.00
• FC1 Cutoff Freq: 500
• FC2 Cutoff Freq: 0 (Setarea filtrului la 0 ocolește filtrul de pe modulul SCXI-1141.)

5. Selectați Help»Find Examples pentru a deschide NI Example Finder și navigați după sarcină la Hardware Input and Output»DAQmx»Analog Generation»Voltage. Deschideți Cont Gen Voltage Wfm-Int Clk-Variable Rate VI. Rulați VI-ul și generați o undă sinusoidală de 100 Hz pe canalul de ieșire analogică 0.

6. Rulați SCXI-1141 Hardware Filtering VI.

7. Reglați controlul Analog Output Frequency de la 100 Hz la aproximativ 5.000 Hz și observați cum se schimbă cele două semnale afișate pe graficele VI-ului SCXI-1141 Hardware Filtering. Observați roll-off al canalului 0 în jur de 500 Hz pe graficul Power Spectrum. Pe măsură ce continuați să creșteți frecvența undei sinusoidale, urmăriți canalul 1 pe graficul Power Spectrum și observați ce frecvență citește în comparație cu ceea ce transmiteți.

8. Reglați CH 0 Cutoff Frequency la 2500,00 și faceți clic pe Apply New Values. Repetați pasul 7.

Notă Efectul la care asistați este aliasing, o componentă de frecvență inferioară falsă care apare în datele eșantionate achiziționate la o rată de eșantionare prea joasă comparativ cu frecvența Nyquist. Odată ce aliasing a fost introdusă într-un semnal eșantionat, nu există o modalitate standard de a o elimina. Prin introducerea unui filtru anti-aliasing (în acest caz, SCXI-1141) înainte de ADC al dispozitivului DAQ, restricționați lățimea de bandă a semnalului de intrare pentru a îndeplini criteriile de eșantionare Nyquist. Teorema Nyquist afirmă că un semnal trebuie să fie eșantionat la mai mult decât dublul celei mai înalte componente de frecvență a semnalului pentru a reprezenta cu exactitate forma de undă în domeniul-frecvență. În caz contrar, conținutul de înaltă frecvență se dedublează (aliasing) la o frecvență din spectrul de interes.

9. Experimentați cu setările frecvenței de tăiere ale canalului 0 și canalului 1 și faceți clic pe Apply New Values pentru a alege diferite setări de filtrare la SCXI-1141.

10. Opriți și închideți ambele VI-uri.

Sfârșitul exercițiului 5-3

E. Izolare

Împământarea necorespunzătoare a sistemului este una dintre cele mai frecvente cauze ale problemelor de măsurare, zgomotului și dispozitivelor DAQ deteriorate. Sistemele de condiționare a semnalului cu izolare pot preveni majoritatea acestor probleme. Astfel de dispozitive transmit semnalul de la sursa sa la dispozitivul de măsurare fără o conexiune fizică utilizând un transformator, tehnici optice sau de cuplare capacitivă. Pe lângă ruperea buclelor la masă, izolarea blochează supratensiunile de înaltă tensiune și rejectează tensiunea de mod-comun, protejând operatorii și echipamentele de măsurare costisitoare.

Să presupunem că trebuie să monitorizați temperatura utilizând termocuple lipite la o mașină de înaltă tensiune care radiază câmpuri electromagnetice mari. Deși termocuplele produc o tensiune diferențială mai mică de 50 mV, această tensiune de ieșire poate fi la un potențial ridicat de ieșire față de masă, datorită cuplajului capacitiv pe care mașina îl are cu termocuplul. Acest potențial între ambele conductoare ale unui semnal diferențial și masă se numește tensiune de mod-comun. În mod ideal ar trebui să fie complet ignorată de sistemul de măsurare. Conectarea cablurilor termocuplului direct la un dispozitiv neizolat, care poate gestiona în mod obișnuit 12 V de tensiune de mod-comun, ar putea deteriora dispozitivul. Dar, puteți conecta cablurile termocuplului la un condiționator de semnal izolat, care rejectează tensiunea ridicată de mod-comun, trecând în siguranță semnalul diferențial de 50 mV pe dispozitivul de măsurare pentru o măsurare exactă.

Specificații de izolare

Producătorii specifică izolarea în mod diferit. Unii producători furnizează doar un număr de izolare fără a descrie dacă acel număr este un nivel de semnal sau un nivel tranzitoriu. Fără aceste informații și o înțelegere acută a semnalelor I/O, puteți deteriora sistemul de măsurare și, eventual, puteți crea un pericol de șoc pentru operatorii sistemului. Agenții precum Underwriters Laboratories (UL) și Comisia Electrotehnică Internațională (IEC) desemnează cerințe de conformitate pentru proiectarea sigură a instrumentației de înaltă tensiune. Produsele care afișează aceste simboluri sunt testate, în unele cazuri de către agenție, pentru a se asigura că îndeplinesc specificațiile lor.

Pe lângă căutarea ștampilei de aprobare de la una dintre aceste agenții, cel mai sigur mod de a determina gradul de izolare al unui sistem de condiționare a semnalului este de a căuta două specificații cheie - tensiunea de lucru și categoria instalației.

Evaluarea tensiunii de lucru

Această specificație descrie tensiunea continuă maximă pe care o puteți aplica intrărilor în condiții normale de lucru. Această specificație este descrisă în legătură cu referința de masă a unității și include atât nivelul semnalului, cât și orice tensiune de mod-comun asociată semnalului.

Evaluarea categoriei instalației

Prin definiție, o clasificare a categoriei instalației descrie locațiile în care puteți utiliza un anumit dispozitiv de măsurare pe baza posibilelor semnale tranzitorii la acea locație. Într-un sens mai general, această specificație descrie posibilele semnale tranzitorii la care dispozitivul poate rezista.

Clasificările categoriei instalației sunt descrise de la categoria I până la categoria IV, așa cum se arată în ilustrația următoare.

În funcție de locația sistemului de distribuție electrică, există o anumită cantitate de amortizare în sistem. Amortizarea are loc mai puțin către instalația generatoare și crește pe măsură ce sistemul de transmisie se extinde. Această amortizare reduce supratensiunile prezente în sistem. Cu cât sunteți mai aproape de sursă, cu atât sunt mai mari tranzițiile de tensiune anticipate. În funcție de locația sistemului de măsurare, trebuie luate anumite măsuri de precauție pentru a proteja sistemul de măsurare de supratensiuni potențial periculoase care sunt prezente în sistemul de distribuție. IEC a creat următoarele patru categorii de circuite de partiție cu nivele diferite de supratensiuni.

• Categoria IV de instalații - Nivel de distribuție. Echipamente precum generatoare, stații și transformatoare.

• Categoria III de instalații — Instalație fixă. Echipamente conectate permanent la rețeaua de distribuție, precum aparate de aer condiționat și cuptoare.

• Categoria II de instalații - Echipamente care consumă energie dintr-un sistem de instalare fix. Aceasta include echipamente precum burghie, televizoare, aparate de radio și computere.

• Categoria I de instalații - Echipamente pentru conectarea la circuite unde supratensiunile tranzitorii sunt limitate la un nivel suficient de scăzut prin proiectare. Echipamentele din categoria I includ echipamente precum surse de alimentare de joasă tensiune.

Izolarea de siguranță oferă o barieră de siguranță între utilizator și echipamentele acestora și tensiuni înalte și tranziții de supratensiune. Echipamentul care asigură izolarea de siguranță este o caracteristică foarte de dorit.

Toate modulele SCXI de la National Instruments izolate sunt dublu izolate pentru o tensiune de lucru continuă de 250 Vrms. În plus, ele sunt testate aplicând o sursă de 2.300 V la intrările lor timp de un minut pentru a se asigura că modulul nu clachează la tranziții de supratensiune. Modulele SCXI izolate aderă la specificația IEC-1010 pentru o instalație de categoria II.

Consultați următoarele publicații IEC pentru mai multe informații despre categoriile instalațiilor.

• IEC 664-1—Installation coordination for equipment within low-voltage systems
• IEC 1010-1—Safety requirements for electrical equipment for measurement, control, and laboratory use.

F. Condiționarea traductorului

Traductoarele sunt dispozitive care convertesc fenomene fizice precum temperatura, deformația, presiunea sau lumina în proprietăți electrice precum tensiunea sau rezistența. Caracteristicile traductorului definesc multe dintre cerințele de condiționare a semnalului unui sistem DAQ.

G. 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. Se creează un termocuplu de fiecare dată când două metale diferite se ating, iar punctul de contact produce o mică tensiune în circuit deschis ca funcție de temperatură. Această tensiune termoelectrică este cunoscută ca tensiunea Seebeck, numită după Thomas Seebeck, care a descoperit-o în 1821. Tensiunea este neliniară în raport cu temperatura. Dar, pentru modificări mici de temperatură, tensiunea este aproximativ liniară sau

ΔV ≈ SΔT

unde ΔV este modificarea tensiunii, S este coeficientul Seebeck și ΔT este modificarea temperaturii.

S variază cu schimbările de temperatură, ceea ce face ca tensiunile de ieșire ale termocuplelor să fie neliniare pe gamele lor de funcționare. Sunt disponibile mai multe tipuri de termocupluri și 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 fier și un conductor constantan (un aliaj cupru-nichel).

Puteți monitoriza termocuplele cu sisteme versatile de achiziție de date bazate pe PC. Termocuplele au unele cerințe speciale de condiționare a semnalului.

Circuite de termocuplu

Pentru a măsura tensiunea Seebeck a termocuplului, nu puteți conecta pur și simplu termocuplul la un voltmetru sau la alt sistem de măsurare, deoarece conectarea firelor termocuplului la sistemul de măsurare creează circuite termoelectrice suplimentare.

Considerați circuitul ilustrat în Figura 6-1, în care un termocuplu tip-J se află într-o flacără de lumânare care are o temperatură pe care doriți să o măsurați. Cele două fire ale termocuplului sunt conectate la cablurile de cupru ale unui dispozitiv DAQ.

Figura 6-1. Termocuplu tip-J

Observați că circuitul conține trei joncțiuni metalice diferite - J1, J2 și J3. J1, joncțiunea termocuplului, generează o tensiune Seebeck proporțională cu temperatura flăcării lumânării. J2 și J3 au fiecare propriul lor coeficient Seebeck și își generează propria tensiune termoelectrică proporțională cu temperatura la bornele DAQ. Pentru a determina contribuția de tensiune de la J1, trebuie să cunoașteți temperaturile joncțiunilor J2 și J3 și relațiile tensiune-temperatură pentru aceste joncțiuni. Apoi puteți scădea contribuțiile termocuplelor parazite la J2 și J3 din tensiunea măsurată.

Compensarea joncțiunii reci

Termocuplurile necesită o formă de referință la temperatură pentru a compensa termocuplele parazite. Termenul de joncțiune rece provine din practica tradițională de a menține această joncțiune de referință la 0°C într-o baie de gheață. Tabelele de referință pentru termocuple ale Institutului Național de Standarde și Tehnologie (NIST) sunt create cu această configurație, ilustrată în Figura 6-2.

În Figura 6-2, tensiunea măsurată depinde de diferența de temperatură T1 și Tref. În acest caz, Tref este 0°C. Observați că, deoarece conexiunile de cablu ale voltmetrului sunt la aceeași temperatură sau izoterme, tensiunile generate în aceste două puncte sunt egale și opuse. Prin urmare, eroarea de tensiune netă adăugată de aceste conexiuni este zero.

În aceste condiții, dacă temperatura de măsurare este peste 0°C, un termocuplu are o ieșire pozitivă. Dacă temperatura de măsurare este sub 0°C, ieșirea este negativă. Când joncțiunea de referință și joncțiunea de măsurare sunt la aceeași temperatură, tensiunea netă este zero.

Deși o referință a băii de gheață este exactă, nu este întotdeauna practică. O abordare mai practică este măsurarea temperaturii joncțiunii de referință cu un senzor de temperatură cu citire directă și scăderea contribuțiilor de tensiune termoelectrică ale termocuplului parazit. Acest proces se numește compensarea joncțiunii reci (CJC). Puteți simplifica calculul CJC profitând de unele caracteristici ale termocuplului.

Folosind Legea termocuplului a metalelor intermediare și făcând câteva ipoteze simple, puteți vedea că tensiunea pe care o măsoară dispozitivul DAQ din Figura 6-1 depinde doar de tipul termocuplului, de tensiunea termocuplului și de temperatura joncțiunii reci. Tensiunea măsurată este de fapt independentă de compoziția cablurilor de măsurare și de joncțiunile reci, J2 și J3.

Conform Legii termocuplului a metalelor intermediare, ilustrată în figura 6-3, introducerea oricărui tip de fir într-un circuit de termocuplu nu are niciun efect asupra ieșirii, atâta timp cât ambele capete ale acelui fir sunt la aceeași temperatură sau izoterme.

Figura 6-3. Legea termocuplului a metalelor intermediare

Considerați circuitul din Figura 6-4. Acest circuit este similar circuitului descris anterior în Figura 6-1, dar o lungime scurtă a firului constantan a fost introdusă chiar înainte de joncțiunea J3 și se presupune că joncțiunile sunt menținute la temperaturi identice. Presupunând că joncțiunile J3 și J4 sunt la aceeași temperatură, Legea termocuplului a metalelor intermediare indică faptul că circuitul din Figura 6-4 este echivalent electric cu circuitul din Figura 6-1. În consecință, orice rezultat preluat din circuitul din Figura 6-4 se aplică și circuitului ilustrat în Figura 6-1.

Figura 6-4. Introducerea unui cablu suplimentar în regiunea izotermă

În Figura 6-4, joncțiunile J2 și J4 sunt de același tip (cupru-constantan). Deoarece ambele se află în regiunea izotermă, J2 și J4 sunt, de asemenea, la aceeași temperatură. Dar, joncțiunile apar în direcții opuse, astfel încât contribuția lor totală la tensiunea măsurată este zero. Joncțiunile J1 și J3 sunt ambele joncțiuni fier-constantan și, de asemenea, indică în direcții opuse, dar pot avea temperaturi diferite. Prin urmare, joncțiunile J1 și J3 sunt singurele două joncțiuni cu ieșiri care au vreun efect asupra tensiunii totale măsurate.

Folosind notația VJx (Ty) pentru a indica tensiunea generată de joncțiunea Jx la temperatura Ty, problema generală a termocuplului este redusă la următoarea ecuație:

VMEAS = VJ1 (TTC ) + VJ3 (Tref ) (6-1)

unde VMEAS este tensiunea măsurată de dispozitivul DAQ, TTC este temperatura termocuplului la J1, iar Tref este temperatura joncțiunii de referință.

Observați că în ecuația 6-1, VJx (Ty) este o tensiune generată la temperatura Ty față de o anumită temperatură de referință. Atâta timp cât atât VJ1 cât și VJ3 sunt funcții de temperatură, relativ la aceeași temperatură de referință, ecuația 6-1 este valabilă. După cum s-a menționat anterior, de exemplu, tabelele de referință ale termocuplului NIST sunt generate cu joncțiunea de referință menținută la 0°C.

Deoarece joncțiunea J3 este de același tip ca J1, dar în direcția opusă, VJ3 (Tref) = –VJ1 (Tref). Deoarece VJ1 este tensiunea pe care o generează tipul de termocuplu supus testării, această tensiune poate fi redenumită VTC. Prin urmare, ecuația 6-1 este rescrisă după cum urmează:

VMEAS = VTC(TTC) – VTC(Tref) (6-2)

Prin urmare, măsurând VMEAS și Tref și cunoscând relația tensiune-temperatură a termocuplului, puteți determina temperatura termocuplului.

Tehnicile pentru implementarea compensării joncțiunii-reci necesită ca temperatura la joncțiunea de referință să fie detectată cu un senzor de citire-directă. Un senzor de citire-directă are o ieșire care depinde doar de temperatura punctului de măsurare. Senzorii semiconductori, termistoarele sau RTD-urile sunt utilizate în mod obișnuit pentru a măsura temperatura joncțiunii de referință.
De exemplu, mai multe blocuri terminale SCXI includ termistoare care se află lângă bornele cu șurub la care sunt conectate firele termocuplului.

Notă NI-DAQ și NI LabVIEW and Measurement Studio includ rutine încorporate care efectuează compensarea software necesară.

Linearizarea datelor

Tensiunile de ieșire ale termocuplului sunt foarte neliniare. Coeficientul Seebeck poate varia cu un factor de trei sau mai mult în intervalul de temperatură de funcționare al unor termocuple. Din acest motiv, trebuie fie să aproximați curba termocuplului tensiune-temperatură folosind polinoame, fie să utilizați următorul tabel de căutare. Polinoamele sunt sub următoarea formă:

unde v este tensiunea termocuplului în volți, T este temperatura în grade Celsius, iar a0 ... an sunt coeficienți specifici fiecărui tip de termocuplu. Software-ul NI poate liniaza tensiunile de ieșire ale termocuplului pentru diferite termocuple.

Tabelul 6-1. Extreme de ieșire de tensiune a termocuplului (mV)

Exercițiul 6-4 Citirea temperaturii

Obiectiv: Efectuarea unei măsurări a temperaturii cu un termocuplu.

În acest exercițiu, veți efectua o citire a temperaturii cu SCXI-1125 și LabVIEW.

Configurarea SCXI-1125 în MAX

1. Creați un canal NI-DAQmx pentru intrarea termocuplului. Utilizați următoarele setări pentru canal:

• Measurement Type: Analog Input
• Sensor Type: Temperature
• Temperature Type: Thermocouple
• Physical Channel: SC1Mod3/ai0
• Name: ThermoTemp

2. În caseta de dialog Analog Input Thermocouple Channel, selectați tab-ul Settings. Setați gama de intrare de la 0 la 100°C. Setați Thermocouple Type la J. CJC Source este Built In.

Notă Selectarea Built-In pentru sursa CJC îi spune lui MAX și NI-DAQ să utilizeze termistorul încorporat în SCXI-1327.

3. Selectați tab-ul Device și setați Lowpass Filter Cutoff Frequency la 4 Hz.

4. Faceți clic pe butonul Test pentru a lansa panoul de testare.

5. Folosiți degetele sau un pahar cu apă și gheață pentru a testa termocuplul și pentru a determina dacă citirea se modifică corespunzător. Dacă nu se detectează nicio modificare sau apare o eroare, informați instructorul. Dacă canalul virtual funcționează, faceți clic pe butonul OK și ieșiți din MAX.

6. Faceți clic pe butonul Yes pentru a salva canalul.

Achiziționarea datelor de temperatură în LabVIEW

Completați un VI care achiziționează date de temperatură de la termocuplul pe care l-ați conectat la SCXI-1125 / SCXI-1327. Acest VI preia datele obținute, le compară cu o limită definită de utilizator, trasează datele și limita pe un chart și activează un indicator boolean dacă datele depășesc limita.

1. Deschideți SCXI-1125 Temperature Reader VI situat în directorul C:\ Exercises\LabVIEW DAQ. Se afișează următorul panou frontal.

2. Completați următoarea diagramă bloc.

3. Salvați VI-ul.

4. Setați comenzile panoului frontal după cum urmează:

• DAQmx Channel Name: ThermoTemp (Utilizați meniul vertical pentru a selecta temperatura în loc să introduceți numele în control.)
• Samples per channel: 100
• Rate: 60.00
• Temperature Limit: 30

5. Rulați VI-ul.

6. Folosiți degetele pentru a încălzi termocuplul și observați cum temperatura crește peste linia limită afișată pe chart. Reglați limita de temperatură în sus și în jos și observați graficul și indicatorul boolean.

7. Opriți VI-ul.

8. Salvați și închideți VI-ul.

Sfârșitul exercițiului 6-4

H. Deformația

Strain (ε) este cantitatea de deformare a unui corp datorată unei forțe aplicate.

ε = ΔL / L

Mai precis, strain este definită ca modificarea fracționară în lungime așa cum se arată în ilustrația următoare.

Deformația poate fi pozitivă (tracțiune) sau negativă (compresivă). Deși adimensională, deformația este uneori exprimată în unități precum in./in. sau mm/mm. În practică, magnitudinea deformației măsurate este foarte mică. Prin urmare, deformația este adesea exprimată ca microstrain (με), care este ε × 10^-6.

Atunci când o bară este deformată cu o forță uniaxială, ca în ilustrația anterioară, un fenomen cunoscut sub numele de Poisson Strain determină contracția circumferinței barei, D, în direcția transversală sau perpendiculară. Magnitudinea acestei contracții transversale este o proprietate materială indicată de raportul lui Poisson. Raportul Poisson ν al unui material este definit ca raportul negativ al deformației în direcția transversală (perpendiculară pe forță) față de deformarea în direcția axială (paralelă cu forța), sau ν = –εT/ε. Raportul Poisson pentru oțel, de exemplu, variază de la 0,25 la 0,3.

I. Marca tensometrică

Deși există mai multe metode de măsurare a deformației, cea mai comună este cu o marcă tensometrică, un dispozitiv a cărui rezistență electrică variază proporțional cu cantitatea de deformare din dispozitiv. De exemplu, marca tensometrică piezorezistivă este un dispozitiv semiconductor a cărui rezistență variază neliniar cu deformarea. Cea mai utilizată marcă este marca tensometrică metalică lipită.

Marca tensometrică metalică constă dintr-un fir foarte fin sau, mai frecvent, folie metalică aranjată în formă de grilă. Modelul grilă maximizează cantitatea de sârmă sau folie metalică supusă deformației în direcția paralelă, așa cum se arată în ilustrația următoare. Aria secțiunii transversale a grilei este minimizată pentru a reduce efectul deformării de forfecare și a deformării Poisson. Grila este lipită pe un suport subțire, numit purtător, care este atașat direct la specimenul de testare. Prin urmare, deformarea suferită de specimenul de testare este transferată direct la marca tensometrică, care răspunde cu o variație liniară a rezistenței electrice. Mărcile tensometrice sunt disponibile comercial, cu valori nominale ale rezistenței de la 30 la 3.000 Ω, valorile cele mai frecvente fiind 120 Ω, 350 Ω și 1.000 Ω.

Este foarte important ca marca tensometrică să fie montată în mod corespunzător pe specimenul de testare, astfel încât deformarea să fie transferată cu exactitate de la specimenul de testare prin adeziv și suportul mărcii tensometrice la folia însăși.

Producătorii de mărci tensometrice sunt cea mai bună sursă de informații cu privire la montarea corectă a acestora.

Un parametru fundamental al mărcii tensometrice este sensibilitatea sa la deformație, exprimată cantitativ ca factor de marcă (GF). Factorul de marcă este definit ca raportul dintre variația fracționată în rezistența electrică și variația fracționată în lungime (deformare):

Factorul de marcă pentru mărcile tensometrice metalice este de obicei de aproximativ 2.

În mod ideal, rezistența mărcii tensometrice s-ar schimba numai ca răspuns la deformarea aplicată. Dar, materialul mărcii tensometrice și materialul specimenului pe care este aplicată marca răspund, de asemenea, la variații de temperatură. Producătorii de mărci tensometrice încearcă să minimizeze sensibilitatea la temperatură prin prelucrarea materialului mărcii pentru a compensa dilatarea termică a materialului specimen pentru care este destinată marca. În timp ce mărcile compensate reduc sensibilitatea termică, ele nu o elimină total.

De exemplu, considerați o marcă compensată pentru aluminiu care are un coeficient de temperatură de 23 ppm/°C. Cu o rezistență nominală de 1.000 Ω, GF = 2, eroarea de deformare echivalentă este încă 11,5 με/°C. Prin urmare, este importantă compensarea suplimentară a temperaturii.

Măsurarea cu marca tensometrică

Măsurările deformației implică rareori cantități mai mari decât câteva milistrain (ε × 10^-3). Prin urmare, măsurarea deformații necesită măsurarea exactă a variațiilor foarte mici ale rezistenței. De exemplu, să presupunem că o probă de testare suferă o deformare substanțială de 500 με. O marcă tensometrică cu un factor de marcă GF = 2 prezintă o variație a rezistenței electrice de numai 2 × (500 × 10^-6) = 0,1%. Pentru o marcă de 120 Ω, aceasta este o variație de numai 0,12 Ω.

Pentru a măsura astfel de mici variații de rezistență și pentru a compensa sensibilitatea la temperatură discutată în secțiunea anterioară, mărcile tensometrice sunt aproape întotdeauna utilizate într-o configurație de punte cu o sursă de excitație de tensiune sau curent. Puntea Wheatstone generală, prezentată în ilustrația următoare, constă din patru brațe rezistive cu o tensiune de excitație, VEX, care se aplică peste punte.

Tensiunea de ieșire a punții, VO , este egală cu

Din această ecuație, este evident că atunci când R1/R2 = R3/R4, tensiunea de ieșire VO este zero. În aceste condiții, se spune că puntea este echilibrată. Orice modificare a rezistenței în orice braț al punții are ca rezultat o tensiune de ieșire diferită de zero. Prin urmare, dacă înlocuiți R4 din ilustrația următoare cu o marcă tensometrică activă, orice modificare a rezistenței mărcii tensometrice dezechilibrează puntea și produce o tensiune de ieșire diferită de zero. Dacă rezistența nominală a mărcii tensometrice este desemnată ca RG, modificarea rezistenței indusă de deformare, ΔR, poate fi exprimată ca ΔR = RG × GF × ε. Presupunând că R1 = R2 și R3 = RG, ecuația punții de mai sus poate fi rescrisă pentru a exprima VO/VEX ca funcție de deformare. Observați prezența termenului 1/(1+GF×ε/2) care indică neliniaritatea ieșirii sfert-punte în raport cu deformarea.

Prin utilizarea a două mărci tensometrice în punte, se poate evita efectul temperaturii. De exemplu, următoarea ilustrație prezintă o configurație cu mărci tensometrice în care o marcă este activă (RG + ΔR), iar o a doua marcă este plasată transversal față de deformarea aplicată. Prin urmare, deformarea are un efect redus asupra celei de-a doua mărci, numită marcă falsă. Dar, orice modificare a temperaturii afectează ambele mărci în același mod. Deoarece modificările de temperatură sunt identice în cele două mărci, raportul rezistențelor lor nu se modifică, tensiunea VO nu se schimbă și efectele schimbării temperaturii sunt reduse la minimum.

Alternativ, puteți dubla sensibilitatea punții la deformare făcând ambele mărci active, deși în direcții diferite. De exemplu, următoarea ilustrație prezintă o aplicație de grindă în consolă cu o marcă montată în extensie (RG + ΔR) și cealaltă montată în compresie (RG - ΔR). Această configurație de jumătate de punte, a cărei diagramă de circuit este, de asemenea, prezentată în ilustrația următoare, produce o tensiune de ieșire care este liniară și dublează aproximativ ieșirea circuitului sfert de punte.

În cele din urmă, puteți crește și mai mult sensibilitatea circuitului făcând ca toate cele patru brațe ale punții să fie mărci tensometrice active și montând două mărci în extensie și două mărci în compresie. Următoarea ilustrație arată circuitul punte-completă (full-bridge).

Ecuațiile date aici pentru circuitele în punte Wheatstone presupun o punte inițial echilibrată care generează o ieșire zero atunci când nu este aplicată nicio solicitare. Dar, în practică, toleranțele de rezistență și deformația induse de aplicarea mărcii generează o anumită tensiune de offset inițială. Această tensiune de offset inițială este tratată de obicei în două moduri. În primul rând, puteți utiliza un circuit special de anulare-offset, sau de echilibrare, pentru a ajusta rezistența în punte să reechilibreze puntea la ieșire zero. Ca alternativă, puteți măsura ieșirea inițială nesolicitată a circuitului și compensați în software. Consultați secțiunea Ecuații ale mărcii tensometrice din această lecție pentru ecuațiile circuitelor sfert de punte, jumătate de punte și punte completă care exprimă deformația și care iau în calcul tensiunile de ieșire inițiale. Aceste ecuații includ, de asemenea, efectul rezistenței în firele de legătură conectate la mărci.

Rezistența firului de conductor

Cifrele și ecuațiile din secțiunea anterioară ignoră rezistența în firele de legătură ale mărcii tensometrice. În timp ce ignorarea rezistențelor firelor poate fi benefică pentru înțelegerea elementelor de bază ale măsurătorilor cu mărci tensometrice, a face acest lucru în practică poate fi foarte periculos. De exemplu, considerați conexiunea cu două fire a unei mărci tensometrice prezentată în jumătatea superioară a ilustrației următoare. Să presupunem că fiecare fir conectat la marca tensometrică are o lungime de 15 m, cu o rezistență RL egală cu 1 Ω. Prin urmare, rezistența firului adaugă 2 Ω la rezistența brațului respectiv al punții. Pe lângă adăugarea unei erori de offset, rezistența firului desensibilizează și ieșirea podului. Din ecuațiile de deformare din secțiunea Ecuațiile mărcii tensometrice din această lecție puteți vedea cum cantitatea de desensibilizare este cuantificată de termenul (1 + RL/RG). Puteți compensa această eroare măsurând rezistența firului RL și folosind valoarea măsurată în ecuațiile deformării. Dar, o problemă mai dificilă apare din variațiile rezistenței firelor datorate schimbărilor de temperatură. Având în vedere coeficienții tipici de temperatură pentru firul de cupru, o ușoară variație a temperaturii poate genera o eroare de măsurare de câțiva με.

Prin urmare, schema de conectare preferată pentru mărcile tensometrice în sfert de punte este conexiunea cu trei-fire, prezentată în jumătatea de jos a ilustrației următoare. În această configurație, RL1 și RL3 apar în brațe adiacente ale punții. Orice schimbări de rezistență datorate temperaturii se anulează reciproc.
Rezistența firului în cel de-al treilea fir, RL2, este conectată la intrarea de măsurare. Acest fir transportă foarte puțin curent, iar efectul rezistenței acestuia este neglijabil.

J. Condiționarea semnalului pentru mărci tensometrice

Măsurarea cu mărci tensometrice implică detectarea unor variații extrem de mici ale rezistenței. Prin urmare, selectarea și utilizarea corespunzătoare a punții, condiționarea semnalului, cablarea și componentele de achiziție a datelor sunt necesare pentru măsurători fiabile.

Completarea punții

Cu excepția cazului în care utilizați un senzor cu mărci tensometrice în punte completă cu patru mărci active, trebuie să completați puntea cu rezistoare de referință. Prin urmare, condiționatoarele de semnal pentru mărci tensometrice oferă în mod obișnuit rețele de completare pentru jumătate de punte, formate din două rezistoare de referință de înaltă precizie. Următoarea ilustrație arată cablarea unui circuit, cu mărci tensometrice jumătate de punte, la un condiționator cu rezistoare de completare R1 și R2. Rezistența nominală a rezistoarelor de completare este mai puțin importantă decât cât de bine sunt potrivite cele două rezistoare. În mod ideal, rezistoarele sunt bine potrivite și oferă o tensiune de referință stabilă de VEX/2 la cablul de intrare negativ al canalului de măsurare. Rezistența ridicată a rezistoarelor de completare ajută la minimizarea extragerii de curent din tensiunea de excitație.

Excitația punții

Condiționatoarele de semnal pentru mărci tensometrice asigură de obicei o sursă de tensiune constantă pentru alimentarea punții. Deși nu există un nivel de tensiune standard recunoscut în întreaga industrie, nivelele de tensiune de excitație de aproximativ 3 V și 10 V sunt frecvente. În timp ce o tensiune de excitație mai mare generează o tensiune de ieșire proporțional mai mare, tensiunea mai mare poate provoca, de asemenea, erori mai mari din cauza autoîncălzirii. Este important ca tensiunea de excitație să fie exactă și stabilă. Alternativ, puteți utiliza o tensiune mai puțin exactă sau stabilă și puteți măsura sau detecta cu exactitate tensiunea de excitație, astfel încât să se calculeze deformația corectă.

Detectarea excitației

Dacă circuitul mărcii tensometrice este situat la o distanță de condiționatorul de semnal și de sursa de excitație, o posibilă sursă de eroare este căderea de tensiune cauzată de rezistența firelor care conectează tensiunea de excitație la punte. Prin urmare, unele condiționatoare de semnal includ o caracteristică numită teledetecție pentru a compensa această eroare.

Există două metode comune de teledetecție. Cu teledetecție de feedback, conectați fire de detectare suplimentare la punctul în care firele tensiunii de excitație se conectează la circuitul punții. Firele de detectare suplimentare servesc la reglarea sursei de excitație pentru a compensa pierderile pe fire și a furniza tensiunea necesară la punte.

O schemă alternativă de teledetecție utilizează un canal de măsurare separat pentru a măsura direct tensiunea de excitație livrată la punte.

Deoarece firele canalului de măsurare transportă foarte puțin curent, rezistența firului are un efect neglijabil asupra măsurătorii. Tensiunea de excitație măsurată este apoi utilizată în conversia tensiune-deformație pentru a compensa pierderile pe fire.

Amplificarea semnalului

Ieșirea mărcilor tensometrice și a punților este relativ mică. În practică, majoritatea punților cu mărci tensometrice și traductoarelor bazate pe deformaree produc mai puțin de 10 μV/V (10 μV de ieșire per volt de tensiune de excitație). Cu o tensiune de excitație de 10 V, semnalul de ieșire este de 100 μV. Prin urmare, condiționatoarele de semnal pentru mărci tensometrice tensiune includ, de obicei, amplificatoare pentru a crește nivelul semnalului, pentru a crește rezoluția de măsurare și pentru a îmbunătăți raportul semnal-zgomot.
Modulele de condiționare a semnalului SCXI, de exemplu, includ amplificatoare cu câștig configurabil cu câștiguri de până la 2.000.

Echilibrarea punții, anularea offset-ului

Când este instalată o punte, este foarte puțin probabil ca puntea să producă exact zero volți atunci când nu se aplică solicitare. Mai degrabă, ușoare variații ale rezistenței între brațele punții și rezistența firelor generează o anumită tensiune de offset inițială. Există câteva moduri diferite în care un sistem poate gestiona această tensiune de offset inițială.

Compensare software

Prima metodă compensează tensiunea inițială în software. Cu această metodă, faceți o măsurătoare inițială înainte de aplicarea solicitării. Această tensiune inițială este apoi utilizată în ecuațiile de deformare enumerate în secțiunea Ecuațiile mărcii tensometrice din această lecție. Această metodă este simplă, rapidă și nu necesită ajustări manuale. Dezavantajul metodei de compensare software este că offset-ul punții nu este eliminat. Dacă offset-ul este suficient de mare, limitează câștigul amplificatorului pe care îl puteți aplica tensiunii de ieșire, limitând astfel gama dinamică a măsurătorii.

Circuit de anulare-offset

A doua metodă de echilibrare utilizează o rezistență reglabilă sau un potențiometru pentru a ajusta fizic ieșirea punții la zero.

De exemplu, Figura 6-5 prezintă circuitul de anulare-offset al blocului terminal SCXI-1321. Prin varierea poziției potențiometrului (RPOT), puteți controla nivelul ieșirii punții și setați ieșirea inițială la zero volți. Valoarea lui RNULL stabilește gama pe care circuitul se poate echilibra.

Figura 6-5. Circuit de anulare-offset al blocului terminal SCXI-1321

Anulare offset tamponată

A treia metodă, la fel ca metoda software, nu afectează direct puntea. Cu anulare tamponată, un circuit de anulare adaugă o tensiune DC reglabilă la ieșirea amplificatorului de instrumentație. De exemplu, accesoriul pentru mărci tensometrice SC-2043-SG folosește această metodă. SC-2043-SG include un potențiometru reglabil de utilizator, care poate adăuga ± 50 μV la ieșirea unui amplificator de instrumentație care are un câștig fix de 10. Prin urmare, gama de anulare, raportată la intrare, este de ± 5 μV.

Calibrare cu șunt

Procedura normală de verificare a ieșirii unui sistem de măsurare cu mărci tensometrice în raport cu o intrare mecanică predeterminată sau deformație se numește calibrare cu șunt. Calibrarea cu șunt implică simularea intrării de deformație prin schimbarea rezistenței unui braț în punte cu o cantitate cunoscută.
Acest lucru se realizează prin șuntarea, sau conectarea, unui rezistor mare de valoare cunoscută pe un braț al punții, creând un ΔR cunoscut. Puteți măsura ieșirea punții și o puteți compara cu valoarea tensiunii așteptate.
Puteți utiliza rezultatele pentru a corecta erorile de span pe întreaga cale de măsurare sau pentru a verifica pur și simplu funcționarea generală pentru a câștiga încredere în configurare.

K. Ecuațiile mărcii tensometrice

Această secțiune include ecuațiile complete ale mărcii tensometrice pentru mai multe tipuri de configurații de punte. Aceste ecuații sunt incluse ca funcții apelabile (cu cod sursă) în NI-DAQ. Numele funcțiilor sunt Strain_Convert și Strain_Buf_Convert. În LabVIEW, aceste ecuații sunt incluse în Convert Strain Gauge Reading VI situat în paleta Functions» NI Measurements»Data Acquisition»Signal Conditioning.

Pentru a simplifica ecuațiile și a ține cont de punțile dezechilibrate în starea nesolicitată, raportul Vr este

unde VO(strained) este ieșirea măsurată când este solicitată, iar VO(unstrained) este tensiunea de ieșire inițială, fără solicitare. VEX este tensiunea de excitație.

De asemenea, denumirea (+ε) și (–ε) indică mărci tensometrice active montate respectiv în extensie și compresie. Denumirea (–νε) indică faptul că marca tensometrică este montată în direcție transversală, astfel încât schimbarea rezistenței sale se datorează în primul rând deformației Poisson, a cărei magnitudine este dată ca –νε.

Alte nomenclaturi utilizate în ecuații includ:

• RG = valoarea rezistenței nominale a mărcii tensometrice
• GF = factorul de marcă al mărcii tensometrice
• RL = rezistența firelor

Exercițiul 6-5 Citirea deformației

Obiectiv: Efectuarea unei măsurări cu marca tensometrică.

În acest exercițiu, veți achiziționa date de la o marcă tensometrică conectată la SCXI-1520 și veți aplica programat calibrarea cu șunt și anularea offset-ului pentru a crește exactitatea citirii.

Conectați marca tensometrică la CH 0 al blocului terminal SCXI-1314

Atenție! Modulele SCXI nu pot fi schimbate la cald. Asigurați-vă că șasiul este nealimentat înainte de a scoate sau adăuga orice module, blocuri terminale sau cabluri.

1. Opriți alimentarea șasiului SCXI.

2. Scoateți capacul de la blocul terminal SCXI-1314.

3. Uitați-vă la SCXI-1314 și găsiți QTR0, așa cum se arată în ilustrația următoare.

Acesta este rezistorul de completare a sfertului de punte I. Acest exercițiu folosește o marcă tensometrică de 120 Ω care necesită completarea sfertului de punte. Rezistoarele de completare a sfertului de punte pentru canale sunt conectate astfel încât să puteți schimba rezistoarele după cum este necesar. Toate blocurile terminale universale pentru mărci tensometrice SCXI-1314 pentru acest curs au instalat rezistorul de 120 Ω.

Notă Rezistorul de 120 Ω trebuie să fie un rezistor de precizie. Verificați cu instructorul dacă rezistorul este un rezistor de precizie.

4. Conectați marca tensometrică la CH0 al SCXI-1314 folosind ilustrația anterioară și pașii următori.

a. Alocările terminalului sunt după cum urmează:

- S+ și S– sunt pentru intrare analogică.
- RS+ și RS– sunt pentru teledetecție (nu sunt utilizate în acest exercițiu).
- P + și P– sunt pentru ieșirea de excitație.
- SCA sunt pentru calibrare cu șunt a circuitului A.
- SCB sunt pentru calibrare cu șunt a circuitului B (neutilizat în acest exercițiu).

b. Conectați un fir al mărcii tensometrice la P+ al CH0.

c. Conectați celălalt fir al mărcii tensometrice la QTR de pe CH0.

d. Conectați un fir de la QTR la S+.

e. Conectați un fir de la S+ la unul dintre cele două terminale SCA.

f. Conectați un fir de la P– la celălalt terminal SCA.

Următoarea ilustrație arată schema pentru completarea sfertului de pod I.

5. Remontați capacul SCXI-1314.

6. Atașați SCXI-1314 la SCXI-1520.

7. Alimentați șasiul SCXI.

Calibrare în MAX

1. Lansați MAX și creați un nou canal global NI-DAQmx pentru a citi o intrare de deformare (Analog Input Strain Channel). Denumiți canalul Strain.

2. În DAQ Assistant, utilizați următoarele setări.

3. Click the Device tab. Leave the settings at the default values and click Calibration to open the Strain Gage Calibration dialog box.

3. Faceți clic petab-ul Device. Lăsați setările la valorile implicite și faceți clic pe Calibration pentru a deschide caseta de dialog Strain Gage Calibration.

4. Faceți clic pe butonul Next.

5. Marca tensometrică va fi măsurată automat. Observați coloanele Err% pentru Offset Adjustment and the Gain Adjustment (cu șunt).

6. Faceți clic pe butonul Calibrate. Valorile erorii ar trebui să fie foarte aproape de zero.

7. Faceți clic pe butonul Finish.

8. Închideți MAX. Nu salvați canalul Strain.

Citiri de deformații cu calibrare programată a șuntului și anulare offset

1. Lansați LabVIEW și selectați Help»Find Examples pentru a deschide NI Example Finder. Răsfoiți după sarcină la Hardware Input and Output» DAQmx»Analog Measurements»Strain și deschideți Acq Strain Samples (with Calibration) VI.

2. Examinați diagrama bloc. Observați utilizarea DAQmx Channel Property Node.

3. Comutați la panoul frontal și setați comenzile panoului frontal cu următoarele valori.

• Physical Channels: SC1Mod1/ai0
• Input Limits: High: 0.01, Low: -0.01
• Filter Enabled?: TRUE (Faceți clic dreapta pe control și selectați Data Operations»Change Value to True din meniul de comenzi rapide.)
• Gauge Factor: Cereți instructorului această valoare
• Nominal Gage Resistance: 120
• Strain Configuration: Quarter Bridge I (Selectați această valoare din meniul derulant, nu tastați numele.)
• Excitation Voltage: 2.500
• Do Strain Null?: TRUE
• Do Shunt Cal?: TRUE
• Shunt Location: R3
• Shunt Resistance: 100000
• Measure Actual Excitation?: TRUE

4. Rulați VI-ul.

5. Câteva secunde vor trece deoarece VI-ul efectuează anularea deformației și calibrarea cu șunt.

6. Aplicați compresia și extensia pe marca tensometrică. Trebuie să observați că citirea contorului fluctuează peste sau sub zero pe măsură ce aplicați solicitarea pe bara de metal atașată la marca tensometrică.

7. Opriți și închideți VI-ul. Nu salvați modificările.

Sfârșitul exercițiului 6-5

Exercițiul 6-6 Demontarea SCXI

Obiectiv: Scoaterea tuturor traductoarelor și blocurilor terminale din șasiul SCXI.

Atenție! Modulele SCXI nu pot fi schimbate la cald. Asigurați-vă că șasiul este nealimentat înainte de a scoate sau adăuga orice module, blocuri terminale sau cabluri.

1. Opriți alimentarea șasiului SCXI.

2. Scoateți blocurile terminale SCXI-1304, SCXI-1327, SCXI-1314 și SCXI-1302 din șasiu.

3. Scoateți capacele superioare de pe blocurile terminale și îndepărtați toate firele jumper și traductoarele.

4. Remontați capacele superioare la blocurile de borne.

5. Scoateți ușor cablul cu 68 de pini de pe partea din spate a șasiului și reconectați cablul la DAQ Signal Accessory.

6. Lansați MAX. Faceți dublu clic pe Devices and Interfaces»NI-DAQmx Devices.

7. Ștergeți dispozitivul SCXI-1000 și ieșiți din MAX.

Sfârșitul exercițiului 5-6

Rezumat

• Condiționarea semnalului poate fi realizată folosind SCXI sau SCC.

• Echipamentul de condiționare a semnalului este controlat de dispozitivul DAQ.

• Condiționarea semnalului asigură amplificare, multiplexare, filtrare, izolare etc.

• Condiționarea semnalului asigură filtrarea, izolarea și amplificarea necesară pentru termocuple.

• Măsurătorile cu mărci tensometrice pot fi realizate cu ușurință folosind condiționarea semnalului.