Fundamentele condiționării semnalelor pentru sistemele de achiziții de date pe bază de calculatoare

Acest referat prezinta fundamentele folosirii hardware-lui de conditionare a semnalului folosit cu sistemele DAQ pe baza de calculatoare. Sunt discutate mai intai cerintele conditionarii semnalului pentru cele mai folosite traductoare. Acest articol descrie de asemenea cateva functii generale de conditionare a semnalelor si, pe scurt, rolul produselor de conditionare a semnalelor, cum ar fi linia de produse de la National Instruments Signal Conditioning eXtensions for Instrumentation (SCXI). Material preluat de la NATIONAL INSTRUMENTS - Application Notes

Introducere

Sistemele si modulele de achizitii de date (DAQ = data acquisition) pe baza de calculatoare sunt folosite intr-un domeniu larg de aplicatii de laborator, de teren si in fabrici. Tipic, modulele DAQ sunt instrumente de achizitii de date folosite pe scara larga pentru masurarea de tensiuni. Semnalele de iesire ale multor senzori si traductoare trebuie conditionate pentru a fi folosite de modulele DAQ. Aceasta conditionare, cunoscuta ca "signal conditioning", include functii ca amplificarea semnalului, filtrare, izolare electrica si multiplexare. Mai mult, pentru o functionare corecta, multe traductoare necesita un curent de alimentare, montaje in punte, circuite pentru liniarizare sau o amplificare foarte mare. Astfel, majoritatea sistemelor DAQ pe baza de calculatoare includ o anumita forma de conditionare a semnalului suplimentara fata de modulele DAQ si calculatorul personal, asa cum este aratat in figura 1.

Traductoare

Traductoarele sunt dispozitive care convertesc un tip de fenomene fizice, cum ar fi temperatura, forta, presiunea sau lumina, intr-un alt tip de fenomene fizice. Traductoarele uzuale convertesc marimi fizice in marimi electrice, cum ar fi tensiune sau rezistenta. Caracteristicile traductorului definesc multe dintre cerintele conditionarii semnalului pentru un sistem DAQ. Tabelul 1 arata principalele caracteristici si cerinte de conditionare a semnalului pentru cateva traductoare uzuale.

In paginile urmatoare vor fi descrise termocuple, dispozitive cu rezistenta dependenta de temperatura (RTD = Resistive Temperature Detectors), celule de forta si dispozitive cu iesire in curent.

Termocupluri

Cel mai raspandit traductor pentru masurarea temperaturii este termocuplul.

Datorita faptului ca este ieftin, robust si poate opera intr-un domeniu larg de temperaturi, termocuplul este un traductor foarte usor de folosit. Cu toate acestea, termocuplul are unele cerinte speciale in ceea ce priveste conditionarea semnalului.

Termocuplul functioneaza pe principiul ca jonctiunea a doua metale diferite genereaza o tensiune care variaza cu temperatura. Totusi, masurarea acestei tensiuni este dificila datorita faptului ca firele de conexiune intre termocuplu si modulul DAQ de masurare genereaza asa numita jonctiune de referinta (reference junction) sau jonctiune rece (cold junction), asa cum este aratat in figura 2. Aceste jonctiuni suplimentare actioneaza ele insele ca termocupluri si genereaza la randul lor tensiuni. Astfel, tensiunea masurata, VMEAS, include atat tensiunea termocuplului cat si tensiunea jonctiunii de referinta. Metoda de compensare a tensiunii suplimentare a jonctiunii de referinta este denumita compensarea jonctiunii reci (cold-junction compensation).

Exista doua metode de compensare a jonctiunii reci: compensarea hardware si compensare software. Compensarea hardware foloseste un circuit special pentru aplicarea unei tensiuni care sa anuleze tensiunea jonctiunii reci. Desi nu este necesar un software pentru compensarea hardware, fiecare tip de termocuplu trebuie sa aiba un circuit propriu de compensare care sa functioneze in tot domeniul de temperaturi, acest circuit fiind scump.

Pe de alta parte, compensarea software a jonctiunii reci este foarte flexibila si necesita doar cunoasterea tensiunii ambiante. Daca se folosesc traductoare suplimentare pentru masurarea directa a tensiunii ambiante pentru jonctiunea rece, software-ul poate calcula compensarea necesara pentru tensiunile termoelectrice nedorite. Acesta este motivul pentru care multe dispozitive pentru conditionarea semnalului folosesc traductoare pentru masurarea directa a temperaturii, cum ar fi termistoarele sau traductoarele semiconductoare montate pe termiale. Compensarea software a jonctiunii reci se desfasoara astfel:

1. Masurarea temperaturii jonctiunii de referinta si calcularea tensiunii de termocuplu echivalenta pentru aceasta jonctiune folosind tabele standard pentru termocuple sau polinoame.

2. Masurarea tensiunii de iesire (VMEAS) si adunarea - nu scaderea - tensiunii jonctiunii de referinta calculate la pasul 1.

3. Convertirea tensiunii rezultate in temperatura folosind polinoame standard pentru termocuple sau tabele de cautare.

Multe pachete software, ca LabBIEW™, LabWindows™ si NI-DAQ™, includ rutine care executa aceste conversii temperatura-tensiune si tensiune-temperatura pentru diferite tipuri de termocupluri in functie de tabelele standard de referinta ale National Institute of Standards and Technology (NIST).

Sensibilitatea este o alta caracteristica care trebuie luata in considerare. Nivelul iesirii termocuplului este foarte mic, de ordinul 7...50mV pentru o diferenta de temperatura de 1°C. Aceasta sensibilitate poate fi crescuta, in sistemele cu zgomot redus, prin amplificarea semnalului. De exemplu, un modul DAQ cu un domeniu analog de intrare de ±5V, o amplificare de 100 si un convertor analog-digital de 12 biti are urmatoarea rezolutie: