3

Carmen Bujoreanu

IAI, 2006

ACHIZIIA I PRELUCRAREA DATELOR EXPERIMENTALE

4

MOTTO

nvtura fr gndire este munc pierdut, gndirea fr nvtura este periculoas.

Confucius

Evoluia sistemelor tehnice performante necesit ca inginerii din domeniul mecanic i mecatronic s-i imbunatateasca abilitaile in achiziia i prelucrarea de date. Achiziia de date i furnizarea unor semnale de comanda sau reglare este legat de utilizarea tehnicii de calcul in controlul diferitelor procese industriale. Noiunile teoretice i practice incluse in cele dou lucrri, cu titlurile Achiziia i prelucrarea datelor experimentale si Instrumenatia virtual cu LabVIEW, se constituie intr-un ansamblu unitar, prezentand metode pentru proiectarea i informatizarea proceselor de achiziie, a modelelor pentru procesare i criterii de performana.

Scopul este pregtirea cursanilor pentru proiectare i transmiterea de informaii cat mai complete despre nivelul actual al dezvoltrii sistemelor industriale, astfel inct s poat fi satisfcute eficient cerinele tehnice impuse de dezvoltarea economic.

Obiectivele principale sunt: inelegerea principiilor de baz in achiziia i prelucrarea datelor; prezentarea limitelor instrumentaiei clasice i conceptul de

programare grafic; inelegerea funcionrii traductoarelor i a condiiilor specifice de

funcionare; inelegerea condiionrii semnalului i tipurilor de condiionare; proiectarea sistemelor pentru achiziia, analiza i transmiterea

datelor; prezentarea soft-ului LabVIEW utilizat in achiziiile de date.

Practic, coninutul informativ este structurat pe trei mari pari, in scopul de a fi in acord cu cele mai noi tehnologii utilizate in industrie:

5

1. Prima parte include principiile fundamentale in prelucrarea i achiziia de date (eantionare, cuantificare, condiionare, conversie semnal, codificare, parametrii de intrare analogic rezoluie, neliniariti, rata de eantionare, prevenirea fenomenului de mascare-aliasing-, parametrii de ieire analogic)

2. A doua parte include principiile operaionale ale traductorilor: micare, fora, presiune, temperatura. Aceast parte include achiziia de date cu ajutorul computerului (conversia analog-digital, porturi de comunicare, busuri). Un sistem de achiziie de date este format in principal din traductoare, condiionatoare de semnal, placi de achiziii de date, software dedicat si computer. Aceast parte evolueaza odata cu tehnologia. Este conceput s ofere cursanilor abilitatea de a-i insui i extrapola cunotinele spre specificul profesiilor lor.

3. A treia parte ofer informaii despre tehnologiile moderne de msurare si achiziii de date. Aceast parte necesita frecvente upgradari. Include conceptul de programare grafica materializat prin studiul softului LabVIEW, cu precdere in cadrul orelor de laborator. LabVIEW integreaz achiziia de date, analiza i prezentarea ntr-un sistem unitar.

Prin exemple concrete cu crearea sau simularea unor aparate de masura i control (IV) se evideniaz performanele acestui limbaj: interfaa grafic intuitiva; flexibilitate maxim privind configurarea instrumentelor virtuale. De asemeni, sunt relevate avantajele instrumentaiei virtuale: ocup un spaiu mic; poate fi cu elemente distribuite (pot msura in mai multe locuri odata); datele se pot transmite prin internet (laboratorul de msurare se poate afla intr-un anume loc iar analiza rezultatelor se poate face in cu totul alt parte); dispar sau se micoreaza mult erorile de offset sau de calibrare; costurile privind achiziia de aparate i intreinerea lor se reduc foarte mult.

Lucrrile se adreseaz, prin aplicaii, inginerilor care doresc s monitorizeze sau s msoare diferii parametri in procesele industriale. Prelegerile i discuiile sunt concepute s promoveze inelegerea conceptelor prezentate cu precdere in spirit ingineresc, in defavoarea unei abordri pur matematice.

Autorul

6

CUPRINS

1. Introducere.. 3 2. Plci de achiziii.. 12 2.1. Funciuni.. 13 2.2. Criterii de performan..... 15 3. Principii de baz n achiziia i prelucrarea datelor. 24 3.1. Eantionarea. 24 3.2. Cuantificarea 27 3.3 Codarea 28 4.Schema general pentru achiziia datelor 29 4.1.Exemplu de achiziie i prelucrare a datelor. 31 4.2.Exemple de utilizare ale sistemelor de achiziia datelor........... 35 5. Condiionarea semnalelor........ 37 5.1. Semnale... 37 5.2. Condiionatoare de semnal.......................... 40 5.2.1. Sistemul SCXI 44 5.2.2. Seria de condiionatoare 5B... 47 5.2.3. Sistemele SCC i SC-204X 49 5.2.4. Elemente pentru condiionarea semnalelor digitale....... 51 6. Software pentru sisteme de achizitii de date................................... 52 6.1. Software pentru configurarea sistemului. 53 6.2. Software pentru msurare i prelucrarea datelor experimentale..........................................................................

59

Structura aplicaiilor LabVIEW.. 60 7. Convertoare..... 68 7.1. Conversia analog-numeric i numeric-analogic.. 69 7.2. Circuite de eantionare i memorare... 70 7.2.1. Scheme pentru circuite de esantionare-memorare....... 73 7.2.2. Exemple de circuite de eantionare i memorare..... 76 7.3. Caracteristicile convertoarelor... 77 7.4. Convertoare analog-numerice (CAN) 78 7.4.1. Scheme pentru CAN. 79 7.4.1.1. Convertoare paralele..... 79 7.4.1.2. Convertoare analog-seriale i numeric-paralele 80 7.4.1.3. Convertoare serie-paralel.................. 81 7.4.1.4. Convertoare cu reacie... 83 7.5. Convertoare numeric-analogice (CNA). 86 7.5.1. Scheme pentru CNA............................. 87 7.6. Erorile convertoarelor. 88

7

7.6.1. Erorile statice ale convertoarelor....... 88 7.6.2. Erorile dinamice ale convertoarelor.. 89 8. Senzori i traductoare...................................................................... 90 8.1. Definiie i clasificare............................................................. 91 8.2. Parametrii de performan...................................................... 92 8.2.1. Parametrii statici............................................................ 93 8.2.2. Parametrii dinamici....................................................... 94 8.3. Soluii constructive. 95 8.3.1. Senzori capacitivi.. 95 8.3.2. Senzori inductivi........................................................... 98 8.3.3 Senzori rezistivi..... 100 8.3.4. Senzori piezoelectrici........ 104 8.3.5 Senzorii optici.... 106 9.Filtre..... 108 10. Analiza n domeniul frecven.. 110 10.1. Analiza de frecven cu filtre................................................ 111 10.2. Analiza de frecven n timp real.......................................... 112 10.3. Analizoare analogice............................................................ 113 10.3.1. Analizoarele cu filtre discrete........ 115 10.3.2. Analizorul cu filtru acordabil......... 115 10.3.3. Analizorul paralel n timp real................................... 116 10.3.4. Analizorul cu compresia timpului.......... 116 10.4.Analizoare numerice............................................................. 117 11. Analiza n domeniul timp.............................................................. 118 12. Amplificatoare............................................................................... 120 13. Integratoare i difereniatoare........................................................ 121 14. Detectoare de faz......................................................................... 122 15. Interconectarea echipamentelor. 124 16. Bibliografie.................................................................................... 126

1. INTRODUCERE

8

Avantajele oferite n multiple domenii de modalitatea digital de transmitere a semnalelor purttoare de informaie au condus la utilizarea acesteia i n cadrul sistemelor de masurare. Creterea performanelor calculatoarelor i extinderea utilizrii acestora au fcut ca sistemele de msurare ce includ acest tip de componente s formeze nu numai o categorie distinct ci s fie utilizate cu preponderen n comparaie cu sistemele de msurare exclusiv analogice.

Cunoscute sub diverse alte denumiri (sisteme de msurare digitale, sisteme computerizate de achiziie de date, sisteme de msurare pe baz de microprocesor etc), sistemele de msurare computerizate se caracterizeaz n primul rnd prin faptul c, dintr-un anumit punct al sistemului, semnalul electric purttor de informaie este convertit din form analogic n form digital.

Prin nsi natura fizic a multor fenomene msurate se impune ca traductoarele utilizate s genereze semnale analogice. Primele prelucrri (condiionri) ale acestor semnale (amplificri, liniarizri, anumite tipuri de filtrri) rmn nc apanajul unor circuite electronice lucrnd n domeniul analogic.

Din acest punct, ncepnd cu o serie de tipuri de condiionare a semnalului (unele filtrri i liniarizri, multiplexri), continund cu transmiterea acestuia, prelucrarea informaiei, stocarea acesteia i pn la transmiterea informaiei ctre utilizatorul sistemului, toate operaiile dintr-un sistem de msurare computerizat sunt efectuate de ctre componente electronice digitale independente sau aflate sub comanda unui calculator.

Deoarece o bun parte din problematica sistemelor de msurare computerizate este reprezentat de ctre aspectele referitoare la transmiterea i prelucrarea informaiei coninute n semnale digitale, una dintre cele mai des ntlnite clasificri ale acestor sisteme este efectuat n funcie de protocolul utilizat pentru transmiterea semnalelor digitale.

Astfel, n ordinea n care diversele protocoluri au nceput s fie utilizate, dar i n ordinea cresctoare a complexitii acestora, sistemele de msurare computerizate pot fi clasificate n urmtoarele categorii principale:

cu comunicaie serial; cu comunicaie paralel; cu plci de achiziie de date; cu calculatoare de uz industrial.

9

Sistemele de msurare computerizate cu comunicaie serial reprezint una dintre primele categorii de astfel de sisteme. Aprute odat cu ideea utilizrii calculatorului n msurare, ele au fost formate prin dotarea aparatelor de msur cu convertoare analog digitale i cu interfee de comunicaie serial prin intermediul crora informaia privind valorile msurate s poat fi transmis unui calculator. O schem care evideniaz principalele componente ale unui sistem de msurare computerizat cu comunicaie serial este prezentat n figura 1.1.

Fig. 1.1. Structura unui sistem de msurare computerizat cu comunicaie serial

Dezvoltri ulterioare ale aparatelor de msur analogice au permis ca modificarea unor parametri de configurare a acestora (domeniul de msurare, factorul de amplificare, indicele canalului activ, tipul de prelucrare a semnalului etc) s poat fi efectuat la primirea unei comenzi generate de ctre calculator i transmis aparatului de msur prin calea de comunicaie serial.

Datorit vitezei relativ reduse de transmitere a informaiei n cazul comunicaiei seriale, acest tip de sisteme de msurare computerizate poate fi utilizat fie n cazul n care valorile mrimilor msurate variaz relativ lent, fie n cazul n care interfaa de comunicaie serial a aparatului de msur analogic nu transmite ctre calculator dect o parte din valorile msurate sau indicatori statistici ai acestor valori.

Posibilitile de afiare pe monitorul calculatorului a valorilor msurate, de prelucrare a acestor valori i de stocare n fiiere de date, precum i de modificare automat (comandat prin software) a parametrilor de lucru ai aparatelor de msur analogice au condus la eliminarea funciunilor respective din cadrul posibilitilor acestor

Aparat de msur analogic

Calculator Convertor analog - digital

Interfa pentru comunicaii seriale

Interfa pentru

comunicaii seriale Circuite de conectare

i condiionare

Traductoare

Comenzi de configurare

10

aparate. Componentele indicatoare (cu ac indicator, cu tub catodic sau digitale cu cristale lichide), nregistratoarele i butoanele sau comutatoarele aparatelor de msur analogice nu i mai justificau prezena datorit dublrii funciunilor respective de ctre calculator. n plus, modul n care calculatorul poate realiza aceste funciuni ale sistemului de msurare nu necesit n aceeai msur prezena operatorului uman, fiind de asemenea caracterizat prin vitez, acuratee i fiabilitate sporite.

Astfel, aparatele de msur analogice utilizate n sisteme computerizate cu comunicaie serial pot fi reduse la circuitele de conectare a traductoarelor, de condiionare a semnalului analogic, de conversie analog digital i de realizare a comunicaiei seriale. Avantajul acestei simplificri const n eliminarea unor componente electronice sau electro mecanice cu consum energetic relativ mare, care pot influena negativ procesul de msurare.

Viteza de transmitere a informaiei prin intermediul comunicaiei seriale fiind relativ redus n comparaie cu performanele globale n continu cretere ale calculatoarelor, a aprut posibilitatea ca un singur calculator s comunice simultan cu mai multe sisteme de msurare, aceasta realizndu-se prin montarea n calculator a unei interfee de comunicaie serial multicanal cu funciuni similare unui multiplexor.

Sistemele de msurare computerizate cu comunicaie paralel au o structur similar celor n care comunicaia se realizeaz n mod serial, principala diferen constnd n protocolul utilizat pentru transmiterea informaiei. Viteza sporit de transmitere a informaiei face ca aceast soluie s fie utilizat pentru conectarea la calculator a unor aparate pentru msurarea unor mrimi fizice cu variaii foarte rapide.

Performanele deosebite ale aparatelor de msur utilizate n aceste sisteme fac ca, dei aparatele pot fi monitorizate sau configurate de ctre calculator prin intermediul interfeei de comunicaie paralel, ele s conin totui componente de vizualizare i stocare a semnalului sau componente de configurare de ctre utilizator. Pstrarea acestor componente face posibil utilizarea independent a aparatelor de msur, n situaiile n care acestea nu sunt conectate la un calculator n cadrul unui sistem de msurare computerizat.

Sistemele de msurare computerizate cu plci de achiziie de date se caracterizeaz n primul rnd prin faptul c operaia de conversie a semnalului purttor de informaie din form analogic n form digital nu mai este efectuat de ctre aparatul de msur analogic ci de ctre o

11

component electronic distinct (plac de achiziie de date) montat n calculator (figura 1.2)

Faptul c plcile de achiziie de date necesit ca semnalul analogic ce le este furnizat s se ncadreze ntre anumite limite pentru valoarea tensiunii electrice face necesar prezena unor aparate de condiionare a semnalelor inserate n sistemul de msurare ntre traductoare i placa de achiziie.

Funciile pe care le ndeplinesc aceste condiionatoare nu sunt dedicate numai satisfacerii cerinelor impuse de placa de achiziie ci i a celor rezultate din tipul i caracteristicile constructive ale traductoarelor utilizate.

Majoritatea aparatelor de condiionare a semnalelor utilizate n componena acestor sisteme sunt dedicate utilizrii ntr-o configuraie computerizat. Ele nu posed componente de vizualizare sau stocare a semnalelor, iar majoritatea operaiilor de configurare a acestor aparate sunt comandate de ctre calculator, prin intermediul plcii de achiziie de date.

Transferul de informaie ntre aparatele de condiionare a semnalului i placa de achiziie de date are loc ntr-un mod complex. O prim categorie (informaia coninut n semnalul msurat i condiionat) este transferat sub form analogic n sens unic, ctre placa de achiziie de date, i este dedicat convertorului analog - digital al acesteia. A doua categorie de semnale purttoare de informaie transmise ntre componentele respective ale sistemului de msurare este de natur digital. Acestea sunt dedicate fie comandrii de ctre placa de achiziie a modului de lucru al condiionatorului, fie transmiterii de ctre acesta din urm a unor a unor informaii referitoare la starea n care se afl.

Prezena convertorului analog - digital n placa de achiziie de date montat n calculator confer sistemului de msurare computerizat

Fig. 1.2. Structura unui sistem de msurare computerizat cu plac de achiziie de date

Calculator

Plac de achiziie de date

Aparate de condiionare a

semnalului

Traductoare

Convertor analog - digital

12

performane i flexibilitate sporite. Viteza de transmitere a informaiei provenite din msurare ctre microprocesorul calculatorului este mult sporit n comparaie cu sistemele cu comunicaie paralel. Modul n care placa de achiziie de date realizeaz transferul informaiilor ctre i de la microprocesor depinde de tipul de magistral de date existent n structura calculatorului (AT, ISA, PCI etc).

Transmiterea sub form analogic a semnalului de la aparatul de condiionare la calculator ridic unele probleme n situaiile n care distana pe care se efectueaz transmiterea este mare sau atunci cnd exist posibilitatea ca informaia coninut n semnal s fie afectat de perturbaii exterioare sistemului de msurare. Evitarea alterrii informaiei se poate realiza fie prin inserarea n sistem a unor componente suplimentare (de obicei modulatoare) fie prin luarea unor msuri suplimentare de izolare i ecranare a componentelor sistemului de msurare.

Pe lng conectarea condiionatoarelor de semnal (n majoritatea cazurilor n variant multicanal), plcile de achiziie de date ofer posibilitatea generrii de ctre calculator a unor semnale analogice de comand i posibilitatea msurrii sau generrii de semnale logice sau sub form de trenuri de impulsuri.

Datorit flexibilitii n stabilirea structurii unui sistem de msurare computerizat cu plci de achiziie de date, acestea sunt utilizate cu precdere n activiti de cercetare experimental (laboratoare, testri iniiale pentru sisteme de automatizare etc).

Sistemele de msurare computerizate cu calculatoare de uz industrial utilizeaz de asemenea plci de achiziie de date i aparate dedicate de condiionare a semnalelor.

Transmiterea informaiilor ntre componentele montate n suportul comun se efectueaz dup protocoluri specifice acestui tip de sisteme de msurare (VXI, MXI, PXI etc).

n suportul comun al sistemului de msurare pot fi de asemenea montate interfee dedicate pentru comunicaia cu alte aparate de msur externe, att n modul serial ct i n cel paralel. Aceste interfee comunic, de obicei prin intermediul magistralelor de date ale suportului comun, cu calculatorul de uz industrial.

Deosebirea n raport cu sistemele din categoria anterioar const n faptul c aceste componente, mpreun cu calculatorul care este de asemenea dedicat utilizrii respective, sunt realizate sub form de module ce se monteaz ntr-un suport (asiu, rack) comun (figura 1.3).

13

n situaiile n care traductoarele sunt dispuse la distan relativ

mare de suportul comun al sistemului de msurare, pot fi utilizate condiionatoare de semnal externe, plasate n apropierea traductoarelor.

Caracteristicile particulare ale componentelor utilizate n aceast categorie face ca preul acestora s fie mai ridicat dect n situaiile anterioare, la acesta adugndu-se preul suportului comun i al accesoriilor acestora. Sistemele de msurare computerizate din aceast categorie sunt utilizate n exclusivitate n aplicaii industriale de control, comand i monitorizare a unor procese cu numr mare de puncte de msurare i mrimi comandate [3], [23].

2. PLCI DE ACHIZIII Pentru a putea controla un proces cu ajutorul tehnicii de calcul

sunt necesare dou operaii de baz: preluarea din proces a unor informaii referitoare la starea

acestuia la un moment dat (parametri de proces, stri ale acestuia, semnale de avarie, evoluia unor mrimi n timp);

furnizarea de ctre echipamentul de calcul a unor semnale de comand sau reglare.

Pentru ca un sistem de calcul, utilizat pe post de calculator de proces, s poat ndeplini cele dou sarcini eseniale prezentate anterior, este necesar ca acesta s fie echipat cu o plac de extensie special,

Suport comun

Plac de achiziie de date

Aparate de condiionare a semnalului

Traductoare

Fig. 1.3. Structura unui sistem de msurare computerizat cu calculator de uz industrial

Calculator de uz industrialPeriferice

Elemente de comand

Periferice

14

capabil s realizeze interfaarea procesului cu sistemul de calcul. O astfel de plac este cunoscut n literatura de specialitate sub denumirea de plac de achiziie.

2.1. Funciuni Cu ajutorul unei astfel de plci se pot realiza o serie de operaii,

cum ar fi: achiziii de semnale numerice de la senzori sau traductori

numerici; achiziii de semnale analogice, care sunt transformate n

semnale numerice cu ajutorul convertoarelor analog-numerice existente pe plac.

Intrrile analogice se utilizeaz pentru cuplarea de senzori sau traductori ce furnizeaz semnale analogice (accelerometre, senzori optici, senzori magnetici, mrci tensometrice, senzori de temperatur, etc.);

ieiri numerice pentru comanda efectorilor de tip bipoziional (relee, comutatoare statice, pornirea i oprirea unor aparate);

ieiri analogice, obinute din semnalele numerice furnizate de echipamentul de calcul cu ajutorul convertoarelor numeric-analogice;

temporizri i contorizri de mare precizie; sincronizarea unor procese (pornirea achiziiei, oprirea

acesteia etc.). Modul n care pot fi utilizate plcile de achiziie n sistemele de

calcul poate diferi foarte mult, funcie de complexitatea i performanele plcilor, a sistemului de calcul i a programelor de prelucrare a datelor utilizate [15], [16].

n cazul utilizrii de sisteme relativ modeste, cu plci cu performane reduse i un soft simplu, de regul singura soluie aplicabil este cea indirect (off-line). Aceasta const n faptul c informaia achiziionat din proces este transferat de plac ntr-o memorie tampon sau pe disc, ntr-un fiier. Dup terminarea procesului de achiziie, se lanseaz n execuie programul de prelucrare a datelor culese din proces, iar acesta va furniza unele rezultate i informaii referitoare la evoluia procesului pe parcursul achiziiei de date.

Aceast metod de prelucrare numeric a semnalelor este n general greoaie, presupunnd multe intervenii manuale din partea operatorului. Ca urmare metoda este puin aplicabil n automatizarea proceselor ce necesit luarea de decizii n timp real. Astfel de sisteme, cu

15

aplicabilitate n condiii de laborator, permit realizarea de prelucrri complexe a semnalelor cu cheltuieli modeste.

La cealalt extremitate se afl sistemele complexe de achiziie i prelucrare numeric a semnalelor. Acestea au n componena lor plci de achiziie performante, cu un numr mare de intrri i ieiri, iar calculatoarele utilizate au instalate pachete de programe complexe de prelucrare a informaiei prin metode numerice, programe ce pot lucra direct cu datele preluate din memoria tampon a plcilor de achiziie.

Aceste date sunt prelucrate imediat cu algoritmi performani i drept rezultat se elaboreaz un rspuns cu privire la evoluia sistemului, rspuns folosit pentru elaborarea de comenzi destinate procesului i care sunt transferate n exterior, ctre efectorii procesului, prin intermediul aceleeai plci instalate n sistem.

Astfel de plci de achiziie, mpreun cu pachetele de programe aferente sunt produse i de firma National Instruments. Aceast firm deine actualmente un loc privilegiat pe piaa sistemelor de achiziie de date, datorit faptului c pune la dispoziie beneficiarilor soluii complete, att hard ct i soft.

Sistemele produse de National Instruments au o serie de caracteristici cum ar fi: modularitate; performane superioare; flexibilitate n configurare; plci de achiziie programabile, soft, etc.

Structura general a unei plci de achiziii de date (figura 2.1) include:

dispozitive de intrare cuprinznd: - intrri numerice pentru traductoare sau senzori de semnale

numerice; - intrri analogice, dotate cu convertoare analog-numerice

(CAN) pentru traductoare sau senzori de semnale analogice; dispozitive de ieire formate din: - ieiri numerice pentru acionri numerice; - ieiri analogice dotate cu convertoare numeric-analogice

(CNA) pentru acionri cu semnale analogice.

16

Fig. 2.1. Structura general a unei plci de achiziii

n afara legturilor directe cu procesul fizic de controlat, calculatorul poate avea legturi de tip numeric cu alte sisteme, cum ar fi unele instrumente de msur (osciloscoape, voltmetre, etc.) sau chiar cu alte calculatoare (aplicaii distribuite). Legturile de tip numeric sunt standardizate i anume:

legtur serie (standard conform RS 232C); legtur paralel (standardul IEEE 488). 2.2. Criterii de performan Plcile de achiziie de date utilizate n sistemele de msurare

computerizate pot ndeplini mai multe dintre urmtoarele funciuni: intrare analogic (msurarea unui semnal, sub forma unei

tensiuni electrice, provenit de la un traductor aflat n sistemul studiat);

ieire analogic (generarea unui semnal, sub forma unei tensiuni electrice care s comande un element de acionare din sistemul monitorizat);

17

comunicaii digitale (primirea i emiterea de valori n form binar, reprezentnd date sau coduri ale unor comenzi, transmise sub forma unor impulsuri TTL ntre placa de achiziie de date i alte componente ale sistemului computerizat). Comunicaiile digitale pot fi utilizate i pentru msurri sau generri de semnale n cazul n care traductorul sau elementul de acionare au o funcionare descris de o stare logic binar (comutatoare cu dou poziii, ntreruptoare, relee, diode electroluminiscente etc);

numrare / cronometrare (primirea i emiterea de semnale sub form de serii de impulsuri TTL n care informaia este coninut n numrul de impulsuri din serie sau n frecvena acestora).

Toate tipurile de plci de achiziie de date pot ndeplini ultimele dou funciuni enumerate mai sus: comunicaii digitale i numrare / cronometrare. Majoritatea tipurilor posed toate cele patru funciuni (plci multifuncionale) [9].

O serie de plci de achiziie de date cu cost redus nu posed funciunea de ieire analogic iar o alt categorie (plcile dedicate ieirilor analogice) nu posed funciunea de intrare analogic.

Printre parametrii care descriu performanele cu care o plac de achiziie de date ndeplinete funcia de intrare analogic se pot enumera: numrul de canale de intrare analogic, rata maxim de eantionare, intervalul de msurare i rezoluia.

Numrul de canale de intrare analogic poate fi specificat (pentru plcile care dispun de ambele tipuri) att pentru configuraia unipolar ct i pentru cea diferenial. Intrrile analogice n configuraie unipolar se refer la tensiuni electrice (de pe canale diferite) msurate n raport cu un potenial de referin comun, aflat pe legtura la mas a plcii de achiziie de date. Acest tip de intrri analogice este utilizat de obicei pentru semnale cu amplitudini relativ mari (peste 1 V), n situaia n care firele de legtur dintre sursa de semnal i placa de achiziie de date au lungimi mai mici de 5 m. n celelalte situaii se utilizeaz configuraia diferenial, n care fiecare tensiune electric ce corespunde unui canal de intrare analogic este msurat n raport cu un potenial de referin propriu. n configuraie diferenial are loc reducerea erorilor datorate influenelor perturbaiilor electromagnetice din mediul exterior asupra firelor de legtur.

Rata maxim de eantionare reprezint numrul maxim de conversii analog digitale (msurri) pe care placa de achiziie de date le

18

poate efectua n unitatea de timp (o secund). Obinerea unui numr mai mare de valori ale semnalului msurat n unitatea de timp permite descrierea mai precis a acestuia i efectuarea unor prelucrri statistice mai complexe. De exemplu, semnalele msurate n timpul studiului emisiilor acustice, utiliznd un microfon, au frecvene de pn la 20 kHz. Prelucrarea adecvat a unor astfel de semnale necesit (conform teoremei lui Nyquist) o rat de eantionare cel puin dubl fa de frecvena maxim a componentei ce se dorete a fi detectat n cadrul semnalului. Unitatea de msur pentru rata de eantionare se noteaz S/s (samples / second, eantioane pe secund) i reprezint efectuarea unei singure conversii analog digitale ntr-o secund.

Majoritatea tipurilor de plci de achiziie de date, dei posed mai multe canale de intrare analogic, utilizeaz un singur convertor analog digital. Msurarea semnalelor de pe mai multe canale este realizat prin multiplexarea acestora la intrarea convertorului. Astfel, rata de eantionare corespunztoare unui anumit canal este invers proporional cu numrul de canale pe care se efectueaz msurri la un moment dat. De exemplu, n cazul unei plci de achiziie de date cu rata maxim de eantionare de 1 MS/s cu ajutorul creia se msoar 10 semnale, rata de eantionare efectiv pe fiecare canal de msurare nu poate depi 100 kS/s.

Intervalul de msurare este determinat de valorile minim i maxim ale tensiunii electrice pe care convertorul analog digital o poate cuantifica. Majoritatea plcilor de achiziie de date au la dispoziie mai multe intervale de msurare, unul dintre acestea putnd fi selectat la un moment dat.

Rezoluia unei plci de achiziie de date reprezint numrul de bii utilizai de ctre convertorul analog digital al acesteia pentru reprezentarea valorii msurate a semnalului analogic. Dac se noteaz valoarea rezoluiei cu n, convertorul analog digital va putea reprezenta numere ntregi cuprinse ntre 0 i 2n-1, fapt ce este echivalent cu aproximarea infinitii de valori din intervalul de msurare printr-o mulime discret de 2n valori. Intervalul de msurare este astfel partiionat n 2n subintervale. Toate valorile semnalului msurat aflate ntr-un acelai subinterval vor putea fi reprezentate doar printr-un singur numr, deci vor fi toate aproximate la o aceeai valoare comun. Cu ct rezoluia este mai mare, cu att crete numrul de subintervale n care este partiionat intervalul de msurare, deci crete precizia de reprezentare (msurare) a semnalului real.

19

n figura 2.2 este reprezentat un semnal sinusoidal, mpreun cu reprezentarea acestuia oferit de ctre un convertor analog digital cu rezoluia de 3 bii care mparte intervalul de msurare n 23 = 8 subintervale. Este evident precizia sczut a msurrii, echivalent unei pierderi de informaie. Utilizarea, de exemplu, a unui convertor cu rezoluia de 16 bii ar conduce la o reprezentare mult mai fidel a semnalului original, intervalul de msurare fiind partiionat n acest caz n 216 = 65536 subintervale.

Fig. 2.2. Semnal sinusoidal discretizat de un convertor pe 3 bii

Posibilitatea de selectare a intervalului de msurare al unei plci de achiziie de date permite alegerea unor limite ale acestuia ct mai apropiate de valorile extreme ale semnalului msurat, astfel nct rezoluia disponibil a convertorului analog digital s conduc la o precizie ct mai bun a msurrii.

Valoarea preciziei de msurare, echivalent cu variaia minim detectabil a semnalului msurat, este denumit i lime de cod i corespunde variaiei bitului cel mai puin semnificativ (LSB) din numrul binar generat de ctre convertorul analog digital n urma msurrii.

Precizia de msurare a unei plci de achiziie de date, calculat n funcie de parametrii constructivi descrii anterior, nu este ntotdeauna respectat atunci cnd msurarea se efectueaz cu valori mari ale ratei de eantionare. Exist situaii n care plci cu rezoluia de 16 bii reuesc, la rate de eantionare de 100 kS/s, s redea semnalul msurat cu o precizie corespunztoare unei msurri cu rezoluia de doar 12 bii.

Caracterizarea complet a performanelor unei plci de achiziie de date aflate ntr-un regim de lucru solicitant nu poate fi efectuat fr luarea n considerare a unor parametri auxiliari ca: neliniaritatea

20

convertorului analog digital, precizia relativ, timpul de stabilizare i zgomotul.

ntr-un caz ideal, valoarea numeric generat de ctre convertorul analog digital variaz liniar cu valoarea tensiunii electrice aplicate la intrarea acestuia. Deviaia de la o astfel de dependen poart numele de neliniaritate. Parametrul care cuantific neliniaritatea unui convertor analog digital este notat DNL, i reprezint diferena dintre valoarea limii de cod i valoarea corespunztoare variaiei bitului cel mai puin semnificativ. Parametrul DNL se exprim n raport cu aceast a doua valoare (LSB), avnd, n cazul unor plci de achiziie de date performante, valoarea de 0,5 LSB.

Precizia relativ, exprimat n LSB, reprezint valoarea maxim a deviaiei de la forma liniar a funciei de transfer a plcii de achiziie de date. La o variaie liniar a semnalului pe tot intervalul de msurare, valorile numerice binare generate de ctre convertorul analog digital depind aparent liniar de tensiunea electric msurat (figura 2.3).

Fig. 2.3. Determinarea preciziei relative a unui convertor analog -

digital Scderea valorilor reale ale tensiunii msurate din valorile

numerice binare generate de ctre convertor (operaie echivalent cu o mrire a imaginii) nu conduce ns la obinerea unui segment de dreapt suprapus peste abscis (situaie corespunztoare identitii celor dou seturi de valori) ci la un grafic reprezentnd variaia abaterii valorii msurate n raport cu cea real. Precizia relativ a plcii de achiziie de date este egal cu valoarea maxim a acestei abateri.

21

Deoarece transformarea n voli a valorilor binare se efectueaz prin nmulirea acestora cu o constant, erorile datorate deviaiei de la forma liniar a funciei de transfer se pstreaz.

La majoritatea tipurilor de plci de achiziie de date, semnalul de msurat parcurge iniial circuitele unui multiplexor, apoi este amplificat nainte de a fi introdus la intrarea n convertorul analog digital. Construcia circuitului de amplificare face ca acesta s necesite un anumit interval de timp, numit timp de stabilizare, pentru a efectua amplificarea semnalului ce a fost aplicat la intrarea sa. Dac valoarea timpului de stabilizare este mai mare dect intervalul de timp dintre dou conversii efectuate de convertorul analog digital, acesta din urm va prelua de la ieirea amplificatorului un semnal a crei amplificare nu a fost nc ncheiat i va genera o valoare binar diferit de valoarea real a semnalului msurat.

Erorile generate de valoarea prea mare a timpului de stabilizare cresc odat cu micorarea intervalului de msurare i cu creterea ratei de eantionare. Aceste erori, uneori nsemnate, au loc n zona de circuite electrice analogice ale plcii de achiziie de date, fapt ce le face indetectabile i nu conduce la generarea de ctre plac a unui mesaj de eroare.

Riscul de preluare de ctre convertor a unui semnal insuficient amplificat crete atunci cnd multiplexorul baleiaz un numr mare de canale. Tensiunea de la intrarea amplificatorului are n acest caz variaii accentuate (figura 2.4) la care amplificatorul se poate adapta cu dificultate.

Pentru majoritatea soluiilor constructive de circuite amplificatoare utilizate n practic, n situaia n care intervalul de msurare este ales, de exemplu, la o sutime din intervalul maxim disponibil al plcii de achiziie de date, o stabilizare a semnalului care s asigure o precizie corespunztoare unei rezoluii de 12 bii nu se poate efectua ntr-un timp mai scurt de 2 s. Cum intervalul de 2 s ntre dou conversii corespunde unei rate de eantionare de 500 kS/s i cum aceast rat de eantionare este ntlnit la multe plci de achiziie de date cu rezoluia de 12 bii, este evident c aceste tipuri de plci nu vor putea respecta parametrii declarai de precizie atunci cnd lucreaz pe intervale de msurare relativ reduse.

22

Fig. 2.4. Tensiunea la intrarea amplificatorului

n cazul baleierii multicanal Utilizarea n construcia unei plci de achiziie de date a unor

amplificatoare i convertoare analog digitale foarte performante nu satisface de la sine toate condiiile pentru asigurarea unei precizii ridicate. Interiorul calculatorului n care este montat placa de achiziie fiind un mediu cu extrem de numeroase surse de perturbaii electromagnetice, transmiterea semnalelor n circuitele plcii trebuie efectuat prin ci ecranate care s elimine influena perturbaiilor externe.

n figura 2.5 se prezint graficele obinute n urma msurrii zgomotului n circuitele a dou plci de achiziie de date dotate cu acelai tip de convertor analog digital.

Fig. 2.5. Zgomotul n circuitele a dou plci de achiziie

cu, respectiv fr ecranare Dac n cazul plcii cu msuri adecvate de ecranare distribuia

zgomotului este gaussian i restrns, conducnd la erori de 3 LSB, n

23

cazul plcii neecranate perturbaiile externe genereaz erori de ordinul 20 LSB echivalente (pentru un interval de msurare de 1 V) cu o tensiune de 620 V.

Utilizate pentru generarea de semnale de comand sau acionare ctre sistemul la care este conectat placa de achiziie de date (att n mod uni-polar ct i n mod diferenial), ieirile analogice au performane determinate n principal de intervalul de generare, timpul de stabilizare al convertorului digital analog, rata maxim de generare i rezoluie.

Intervalul de generare conine valorile posibile ale tensiunii electrice de la ieirea convertorului digital analog. Timpul de stabilizare i rata de generare determin mpreun viteza cu care convertorul digital analog poate modifica valoarea tensiunii electrice generate.

Timpul de stabilizare specificat pentru un convertor analog digital este de obicei determinat n situaia cea mai dezavantajoas, n care modificarea tensiunii generate este egal n amplitudine cu intervalul de generare. Este evident c generarea unor semnale cu frecvene nalte, de genul semnalelor audio, poate fi efectuat doar de ctre convertoare digital analogice cu timpi de stabilizare redui i rate mari de generare. Avnd o definiie similar celei din cazul intrrilor analogice, rezoluia convertoarelor digital analogice determin fineea cu care semnalele de ieire pot fi generate.

O apreciere foarte precis a performanelor cu care o plac de achiziie de date ndeplinete funciunea de ieire analogic trebuie s aib n vedere, n special n cazul regimurilor de lucru solicitante, i aspectele legate de neliniaritatea convertorului digital analog, parametru definit n mod similar cu cazul intrrilor analogice.

Comunicaiile digitale ale unei plci de achiziie de date, servind controlului procesului monitorizat sau comunicrii cu diverse echipamente periferice, au performane caracterizate n principal prin numrul de linii digitale disponibile, rata cu care datele pot fi recepionate sau emise prin intermediul liniilor respective precum i capacitatea acestor linii de a transmite semnale de o anumit intensitate electric.

Valorile necesare ale caracteristicilor enumerate anterior sunt determinate n primul rnd de caracteristicile echipamentelor din proces cu care placa de achiziie de date urmeaz s comunice: numr de semnale digitale ce trebuiesc recepionate sau emise, timpul de rspuns al unui anumit echipament sau al unei mrimi din proces, puterea electric necesar pentru comanda sau acionarea unor echipamente.

24

n situaia n care placa de achiziie de date comunic, prin intermediul liniilor digitale, cu un echipament periferic (nregistrator, procesor de date, imprimant), este necesar posibilitatea de a grupa din punct de vedere logic mai multe linii digitale ntr-un port de comunicaie. Protocolul de comunicaie digital poate de asemenea necesita derularea unor operaiuni de sincronizare ntre emitor i receptor, n scopul reducerii riscului de transmitere eronat a informaiei.

n cazul generrii unor semnale digitale de comand sau acionare, sunt rare situaiile n care componentele din proces (motoare, valve, relee etc) accept direct semnalele TTL ale plcii de achiziie de date. Majoritatea componentelor respective necesit prezena intermediar a unor condiionatoare de semnale digitale care s realizeze amplificrile corespunztoare ale valorilor tensiunii sau intensitii electrice.

Circuitele de numrare i cronometrare ale unei plci de achiziie de date pot fi utilizate att pentru sesizarea i numrarea unor evenimente digitale (semnale sub form de impulsuri primite de la traductoare incrementale de deplasare) ct i pentru generarea unor astfel de evenimente (de exemplu, pentru acionarea motoarelor electrice pas cu pas).

Parametrii cei mai importani pentru aprecierea performanelor acestor circuite sunt rezoluia i frecvena maxim. Avnd, ca i n cazurile anterioare, semnificaia numrului de bii utilizai, rezoluia determin direct numrul maxim de evenimente pe care un astfel de circuit le poate numra. Frecvena maxim a unui numrtor determin att gama de semnale pe care acesta le poate msura corect ct i frecvena maxim a semnalelor pe care numrtorul respectiv le poate genera. Plcile de achiziie de date din categoriile cele mai evoluate utilizeaz numrtoare cu rezoluii de 16 sau 24 de bii, lucrnd la frecvene maxime de 20 MHz.

Pe lng cile de comunicaie propriu-zise, prin intermediul crora primesc sau genereaz semnalele corespunztoare, majoritatea numrtoarelor posed ci suplimentare de intrare prin intermediul crora poate fi comandat activarea sau dezactivarea funciei principale de numrare.

Circuitele de numrare performante dispun de faciliti de numrare cresctoare sau descresctoare (n funcie de o comand primit pe o cale separat), de buffere de memorie pentru generarea trenurilor de impulsuri precum i de posibilitatea modificrii instantanee a frecvenei de lucru.

25

3. PRINCIPII DE BAZ N ACHIZIIA I PRELUCRAREA DATELOR innd cont de faptul c, n marea majoritate a cazurilor, n

procesele ce au loc n instalaiile industriale, n aparate electrice i electronice sau n alte procese ce se dorete a fi urmrite, semnalele sunt sub form analogic, se pune problema transformrii acestora n semnale numerice, pentru a putea fi prelucrate ulterior cu sisteme numerice de calcul [15]. Aceast conversie se realizeaz cu circuite speciale, numite convertoare analog numerice (CAN).

Pentru obinerea semnalului numeric, dintr-un semnal analogic, trebuie realizate trei operaii de baz:

eantionarea semnalului; cuantificarea (evaluarea semnalului eantionat); codarea (transformarea semnalului cuantificat n coduri

numerice).

3.1. Eantionarea Const n transformarea semnalului continuu de intrare )(tx ntr-

un semnal discret )(nTx , adic ntr-o succesiune de impulsuri ce se succed cu o frecven constant n timp i care au ca amplitudine valoarea semnalului analogic de intrare, la momentele de timp respective. Durata impulsurilor este foarte mic (teoretic zero), iar n intervalul de timp dintre dou impulsuri succesive, valoarea semnalului eantionat este nul.

Pentru a obine un semnal eantionat este necesar ca n circuitul prin care circul semnalul )(tx s se introduc un modul de eantionare. Principial, un modul de eantionare poate fi considerat ca un ntreruptor normal deschis, care se nchide pentru o perioad foarte scurt de timp, la momentele nTt = , permind astfel semnalului de intrare s treac la ieire, dup care revine n poziia deschis.

Dup comutator se obine semnalul eantionat:

)}nT(x{)t(xe = Valorile )nT(x reprezint eantioanele prin care este reprezentat

semnalul )t(x . Semnalul )t(xe din figura 3.1. este idealizat, deoarece n realitate comutatorul rmne nchis un interval mic, dar finit t , astfel c impulsurile sunt de durat finit.

26

Fig. 3.1. Principiul eantionrii

Eantionarea prezentat n figur este periodic, deoarece TK este acionat periodic. Intervalul de timp T reprezint perioada de eantionare, iar frecvena de eantionare este dat de relaia T1f = , i f2= se numete pulsaia de eantionare. Semnalul eantionat este un semnal discretizat n timp.

Acesta poate fi reprezentat ca o funcie de variabil nT sau, raportnd acest termen la T, ca o funcie de variabil numeric n.

Deci eantionarea periodic a unui semnal analogic const n construirea secvenei de valori )}nT(x{)t(xe = .

Modelul de studiu al eantionrii este prezentat n figura 3.2.

Fig. 3.2. Modelul de studiu al eantionrii

Conform acestui model putem scrie: )t()t(x)t(x Te = . innd cont de faptul c :

==

nT )nTt()t( rezult:

=

=n

e )nTt()nT(x)t(x

n relaiile anterioare funcia )t( se numete funcie impuls Dirac. Aceast funcie ia valoarea 1 pentru 0t = i se anuleaz n rest. Funcia )t(T se numete funcie delta periodic sau pieptenele lui

27

Dirac, avnd valoarea 1 pentru Zn,Tnt = i valoarea 0 n rest. Reprezentarea grafic a acestor funcii este prezentat n figura. 3.3.

Fig. 3.3. Impulsul Dirac i funcia pieptenele

O problem important, de care trebuie s se in seama n cazul procesului de eantionare, este frecvena minim de eantionare sau, corespunztor, perioada maxim ntre dou eantioane succesive, astfel nct semnalul eantionat s descrie cu suficient fidelitate semnalul iniial, i dac este nevoie, s permit refacerea acestuia din urm. Condiia care trebuie pus, conform criteriului lui Nyquist, este ca frecvena de eantionare s fie de cel puin dou ori mai mare dect frecvena maxim ce apare n semnalul ce urmeaz s fie eantionat:

2T2Tf2f maxemaxe

Dac eantionarea se realizeaz cu o frecven de eantionare cunoscut ef , frecvena maxim a semnalului ce poate fi corect eantionat este:

2ff eM = Dac semnalul nu satisface condiia Mmax ff < atunci

eantionarea nu se va realiza corect, aprnd erori numite erori de aliasing. Pentru a elimina deformaiile semnalului datorate aliasingului, se practic o filtrare a semnalului nainte de intrarea n modulul de eantionare cu un filtru trece jos, ce are frecvena de tiere acordat la cel mult 2fe . Un astfel de filtru se mai numete i filtru de gard.

Deoarece filtrul de gard nu poate fi realizat n practic n mod ideal, blocarea componentelor spectrale n vecintatea frecvenei de tiere nu este perfect i este necesar s se lucreze cu filtrul acordat la o frecven limit mai mic dect 2fe .

3.2.Cuantificarea

28

Prelucrarea numeric a semnalelor cu ajutorul calculatorului presupune reprezentarea acestor semnale printr-un numr finit de valori discrete. Discretizarea trebuie fcut nu doar n timp ci i n amplitudine, ceea ce se realizeaz prin operaia de cuantificare. Aceasta se efectueaz prin alegerea unui numr corespunztor, dar finit, de niveluri de cuantificare.

Cuantificarea const n aproximarea eantioanelor cu nite trepte, cu amplitudine prestabilit. Fiecrui eantion i se atribuie o treapt creia i va corespunde ulterior o valoare binar dat. Acceptnd o eroare convenabil, ca i n cazul eantionrii, avem la dispoziie, printr-o succesiune de bii, o reprezentare binar aproximativ a semnalului analogic )t(x . Deci fiecare eantion se exprim numeric printr-un numr finit de bii, rezultnd secvena )n(xQ . Semnalul diferen:

)n(x)n(x)n(e Q= se numete zgomot de cuantificare. Pentru ca secvena )n(xQ s aib o semnificaie corespunztoare, este necesar ca semnalul analogic )t(x s se ncadreze ntr-o band limitat. Practic filtrul de limitare a benzii trebuie s aib o atenuare de cel puin dB40 pentru frecvene mai mari dect jumtate din frecvena de eantionare.

Distribuia zgomotului de cuantificare este funcie de modalitatea concret prin care se efectueaz aceast operaiune. Deoarece exist un numr finit de nivele de cuantizare, toate semnalele care depesc valoarea maxim maxE , sau care se situeaz sub valoarea cea mai mic ( maxE ), vor fi rotunjite la aceste valori.

n general, asemenea procese de depire a valorilor maxime i minime sunt nlturate prin alegerea corespunztoare a treptei de cuantizare Q, precum i printr-o scalare corespunztoare a semnalului de intrare )n(x .

n afara acestor cazuri limit, semnalul care d eroarea de cuantificare )t(en satisface relaia:

Nn,2Qe

2Q

n Eroarea de cuantificare poate fi privit ca o secven aleatorie.

Secvena de valori )n(xQ se poate obine i prin utilizarea altor tipuri de

29

cuantificri, ca de exemplu trunchierea, cnd semnalul este reprezentat prin cel mai mare nivel de cuantificare, care nu depete semnalul. Trunchierea este echivalent cu o rotunjire cu mai mult de jumtate din treapta de cuantificare.

Din observaiile anterioare, rezult c eroarea de cuantificare are valoare medie nul n cazul rotunjirii i egal cu 2Q n cazul trunchierii.

Secvena de ieire, presupus cu frecven infinit, se reprezint astfel:

)n(he)n(h)n(x)t(x nQ += unde )n(h este rspunsul sistemului la semnalul treapt unitate. Termenul drept din expresia anterioar poate fi interpretat ca o sum de doi factori: o ieire de semnal - )n(h)n(x i o ieire de zgomot -

)n(hen . Aceti doi factori determin raportul semnal/zgomot. Funcie de

numrul de bii, raportul semnal/zgomot ( SZR ) este dat de relaia:

]dB[2,1b6R SZ = unde b este numrul de bii utilizai pentru reprezentarea unui eantion.

3.3. Codarea Este operaia n urma creia, fiecrui eantion cuantificat i se

asociaz un cuvnt de cod, adic un set de numere binare, n conformitate cu un cod stabilit.

Numrul de bii asociai fiecrui eantion se numete rezoluia eantionrii.

Cu ct aceast rezoluie este mai mare, cu att se obine un semnal numeric ce aproximeaz mai bine semnalul analogic de intrare.

Codarea este realizat de un circuit special, construit pe principiile logicii combinaionale. Un astfel de circuit, denumit codificator zecimal-binar, are un numr de b2 intrri de date i un numr de b ieiri. La ieire se va obine numrul binar corespunztor intrrii cu rang cel mai nalt activate.

4. SCHEMA GENERAL PENTRU ACHIZIIA DATELOR

30

Un exemplu de sistem computerizat pentru achiziia datelor este prezentat n figura 4.1.

Semnalele care provin de la traductoare nu ndeplinesc toate condiiile pentru transmiterea lor direct ctre sistemele de prelucrare. Acest neajuns apare datorit nestandardizrii, n totalitate, a componentelor care intr ntr-un lan de msur i poate fi eliminat prin conceperea unei interfari speciale numit condiionare. Circuitele care materializeaz condiionarea pot realiza operaii precum: amplificare, atenuare, sumare, integrare, dar, n cele mai multe cazuri, aceasta se reduce doar la filtrarea necesar eliminrii fenomenului de aliasing.

Fig. 4.1. Sistem computerizat pentru achiziia datelor

Soluiile tehnice de utilizare ale modulelor de condiionare sunt: 1. Condiionare la nivelul plcii de achiziie de date; n aceast

categorie intr acele circuite de condiionare care sunt dispuse direct pe modulul de achiziie.

Avantajele unei astfel de condiionri sunt simplitatea i preul de cost redus, dar dezavantajele sunt mult mai importante. Unul din acestea rezid n faptul c datele culese nu sunt separate n mod corespunztor de sistem, deoarece acestea sunt aduse direct de la placa de achiziie. n cazul n care semnalele de intrare sunt de nivel mic exist posibilitatea afectrii lor de ctre zgomotul propriu al sistemului de calcul. De aici rezult un raport semnal/zgomot sczut.

2. Condiionarea cu transformare analog-numeric i cale de comunicaie numeric.

Aceast soluie se poate folosi atunci cnd modulul este amplasat n exteriorul sistemului de calcul, iar transferul datelor ctre acesta se face prin interfee standardizate (legturi serie RS 232 sau paralele IEEE 488). n acest fel se elimin o mare parte din dezavantajele prezentate la

31

metoda precedent. La acest circuit se pot conecta mai multe canale de intrare, putndu-se modifica uor configuraia, dar necesit circuite specializate prcum i o logic de control sofisticat. De aici rezult principalul dezavantaj i anume preul de cost foarte ridicat.

3. Condiionare pentru transformare analog-numeric i prelucrare local.

Utilizarea unor astfel de echipamente duce la eliminarea din sistemul de calcul central a operaiilor de achiziie de date i o parte din prelucrarea lor. Pentru a evita suprasaturarea comunicaiilor, fiecare procesor din componena modulului de achiziie i de condiionare preia funciile de achiziie i procesare a datelor. n acest fel prin magistralele de comunicaie cu sistemul central de calcul circul numai rezultatele procesrilor locale. Principalul dezavantaj este dictat de costul foarte ridicat impus de necesitatea programrii fiecrui procesor n parte.

4. Condiionare prin module cu conectare direct. Aceste circuite includ module de condiionare programabile, care se conecteaz ntre traductoare i placa de achiziie a datelor plasat n sistemul de calcul central. Semnalele primare (necondiionate) sunt introduse n modulele de condiionare, care le adapteaz la necesitile impuse sistemului de achiziie de ctre calculatorul central. Avantajul principal const n posibilitatea de interfaare cu mai multe plci de achiziie i se poate adapta la o varietate mare de traductoare [16].

Pentru buna funcionare a modulelor trebuie avute n vedere o serie de cerine care se pot rezuma n urmtoarele operaii:

a. Amplificarea este cea mai ntlnit operaie de condiionare a semnalelor, care are scopul de a aduce nivelul mic al semnalului provenit de la traductor, n domeniul de lucru al sistemului de achiziie a datelor. n acest mod rezoluia convertorului anlog-numeric este utilizat integral. Principalele avantaje ale amplificrii sunt: creterea rezoluia efectiv a sistemului de achiziie a datelor; creterea raportul semnal/zgomot atunci cnd amplificatorul este

plasat mai aproape de traductor. b. Atenuarea se folosete numai atunci cnd nivelul semnalului

este prea mare i depete nivelul de lucru al sistemului de achiziie. Pe de alt parte are i rol de protecie la supratensiune a circuitelor de intrare a plcii de achiziie. c. Conductoarele de legtur trebuie astfel alese nct s micoreze zgomotul exterior. n acest scop se utilizeaz numai conductoare ecranate sau, dac este posibil, micorarea lungimii lor.

32

d. Izolarea, const n separarea galvanic a traductorului de restul sistemului. Principalul scop al acestei operaii este protecia echipamentelor interconectate.

4.1. Exemplu de achiziie i prelucrare a datelor Un exemplu de achiziie i prelucrare a datelor, n scopul

controlului vibroacustic al sistemelor mecanice, necesit utilizarea unor lanuri de procesare ale semnalului care cuprind urmtoarele componente de baz (figura 4.2)[9]:

traductor de semnal; dispozitiv pentru condiionarea semnalului; dispozitiv de analiz; nregistrator.

Fig. 4.2. Exemplu de achiziie i prelucrare a datelor

Traductorul de semnal are rolul de a converti energia mecanic a vibraiilor sau a undelor acustice, n energie electric, oferind la ieire un semnal electric care s poat fi procesat n continuare de lanul de msurare. Pentru msurarea vibraiilor mecanice pot fi utilizai traductori parametrici (rezistivi, capacitivi, electromagnetici) sau generatori (electrodinamici, piezoelectrici). Realizrile tehnologice din domeniul materialelor piezoelectrice, n paralel cu perfecionarea tehnicii electronice de procesare a semnalului, au fcut ca traductorul piezoelectric s fie preferat pentru msurarea vibraiilor, avnd n acelai timp i o serie de caliti deosebite: domeniu de frecven i dinamic extins, gabarit i mas redus, construcie simpl i robust etc.

33

n figura 4.3 este prezentat caracteristica tipic a unui accelerometru piezoelectric, a crui domeniu de frecven se limiteaz superior la cca. 30% din frecvena de rezonan proprie traductorului.

Fig. 4.3. Caracteristica unui accelerometru piezoelectric

Frecvena limit superioar a traductorului de acceleraii depinde i de modul de fixare a traductorului care poate fi: cu suport magnetic, cu tift filetat, lipire cu adezivi. Cea mai bun metod de fixare a accelerometrului piezoelectric este cu tift filetat, pe suprafa plan i neted. Alegerea corect a tipului de traductor de vibraii se face n funcie de:

parametrul msurat (deplasare, vitez, acceleraie); impedana mecanic a sistemului mecanic; sensibilitatea i precizia traductorului; domeniul de frecven; condiiile de mediu.

Pentru conversia energiei acustice n energie electric este utilizat microfonul, care poate fi: dinamic, piezoelectric sau tip condensator. Microfonul trebuie s asigure fidelitate ntr-un domeniu dinamic i frecven ct mai larg. n prezent microfonul tip condensator este cel mai des utilizat n msurtorile de zgomot.

Sensibilitatea microfonului condensator scade odat cu micorarea diametrului, ntruct crete rigiditatea diafragmei, iar variaia de capacitate este direct proporional cu suprafaa diafragmei.

Microfoanele cu diametre mici sunt recomandate pentru msurarea zgomotului n care predomin componentele de nalt frecven i atunci cnd se dorete obinerea unui rspuns omnidirecional.

34

Pentru micorarea capacitii de cuplare a microfonului cu preamplificatorul i pentru eliminarea semnalelor parazite, microfonul se monteaz direct pe corpul preamplificatorului.

Alegerea microfonului pentru controlul acustic al sistemelor mecanice se face considernd urmtoarele caracteristici:

domeniul de frecven cu rspuns liniar; domeniul dinamic; directivitate; sensibilitate la vibraii, temperatur, variaii de presiune

atmosferic, etc. Dispozitivele de condiionare ale semnalului vibroacustic sunt

folosite n lanurile de control vibroacustic n urmtoarele scopuri: preamplificare; adaptarea impedanelor; derivarea sau integrarea semnalului; filtrarea semnalului; mediere n timp; transformare de frecven; conversie de semnal analog-digital; limitare de suprasarcina, etc. Preamplificatoarele pentru traductorii de vibraii trebuie s

realizeze n special transformarea impedanei mari de ieire a accelerometrelor piezoelectrice, la o valoare mic corespunztoare impedanei de intrare n amplificatoarele de msur, precum i amplificarea reglabil a semnalului slab, generat de traductor, la o valoare acceptabil. De asemenea ele trebuie s realizeze i integrarea sau derivarea semnalului, pentru a putea msura cei 3 parametri caracteristici ai vibraiilor (acceleraie, vitez sau deplasare). Preamplificatoarele pentru microfoane au funcii similare ca preamplificatoarele pentru vibraii, cu excepia integrrii.

Analizorul poate s lucreze n domeniul frecven, domeniul amplitudine sau n domeniul timp. Dezvoltarea tehnicii de analiz n timp real i n special a tehnicii de prelucrare a datelor prin transformarea rapid FOURIER, ofer posibiliti de cretere a vitezei i preciziei de analiz.

Pentru stocarea semnalului, n vederea prelucrrii ulterioare sau a realizrii analizei n frecven, se poate realiza nregistrarea acestuia pe band magnetic sau n memorie magnetic, cu

35

nregistrare digital. nregistrarea rezultatelor analizei se poate face pe hrtie obinuit sau sensibila (foto), pe banda magnetica, nregistrarea n memorie magnetic, tiprirea pe imprimant, afiarea pe ecran.

Introducerea n schema de msurare a unui calculator, cu echipamente periferice corespunztoare, permite prelucrarea automata a semnalului, realiznd o precizie ridicat, posibiliti multiple de comparaie a rezultatelor.

Schema de excitaie, pentru ncercrile la vibraii, conine: traductoare de for, vibrator, amplificator de putere, generator de semnal.

Traductorul de for poate fi: piezoelectric sau rezistiv. Vibratorul poate fi: mecanic, hidraulic sau electrodinamic. Vibratoarele mecanice i hidraulice sunt utilizate pentru

realizarea unor excitaii caracterizate prin fore i deplasri mari i permit excitaii ntr-un domeniu de frecven limitat. Vibratoarele electrodinamice pot realiza un domeniu de frecven larg, cu posibiliti superioare de control electronic al caracteristicilor excitaiei.

Amplificatorul de putere trebuie s asigure amplificarea semnalului fr distorsiuni, n domenii de frecven i dinamice ct mai largi.

Excitatorul de control trebuie s permit realizarea de semnal sinusoidal, cu frecven variabil i controlabil.

Aparatele moderne sunt realizate n general n construcii compacte, care includ: condiionarea semnalului, analiza, msurarea etc.

4.2. Exemple de utilizare ale sistemelor de achiziia datelor Un astfel de sistem este utilizat pentru controlul unui anumit

proces sau activitate. Schema general folosit pentru reglarea temperaturii unui cuptor

este prezentat n figura 4.4.

36

Fig. 4.4. Controlul temperaturii

n cadrul unui astfel de sistem computerizat este necesar ca temperatura cuptorului, care trebuie msurat, s fie transformat ntr-un semnal analogic de ctre un traductor de temperatur TT. Variaia acestui semnal poate fi n tensiune sau n curent, n funcie de tipul sistemului cu care se lucreaz.

Dup operaia de condiionare, semnalul este introdus n sistemul de achiziie unde este eantionat i cuantizat.

Apoi urmeaz prelucrarea propriu-zis i, n funcie de rezultatele obinute, se trimite sau nu un semnal prin sistemul de generare. Atunci cnd se impune stingerea sau aprinderea flcrii, semnalul numeric rezultat din prelucrare este trecut prin convertorul numeric-analogic, apoi este condiionat din nou pentru a diminua erorile de reconstituire i, n continuare, este folosit la acionarea motorului care nchide sau deschide supapa de gaz.

Schema general folosit n monitorizarea unei mori de gru cu valuri reprezint un alt exemplu prezentat n figura 4.5 [16].

Parametrii care urmeaz a fi monitorizai sunt: consumul de curent al motorului de acionare, solicitarea mecanic la care este supus suportul motorului n timpul funcionrii i temperatura uleiului din cutia de viteze.

n continuare, se va analiza modul n care se monitorizeaz suportul motorului.

Msurarea solicitrilor stlpilor care susin motorul se face cu ajutorul unei puni tensometrice dup cum se observ din figura 4.6. Mrcile tensometrice sunt dispuse n dou brae adiacente ale punii.

37

Fig. 4.5. Schema simplificat a morii cu valuri

Amplificatorul A aduce tensiunea semnalului la o valoare corespunztoare pentru restul schemei de analiz i anume U = 5 V.

Fig. 4.6. Msurarea solicitrilor stlpului

Deoarece solicitrile din timpul funcionrii au i componente de frecven ceva mai mari (de ordinul sutelor de Hz), rezult c eantionarea semnalului obinut se va face cu frecvene cuprinse ntre 210 kHz. Dac se amplaseaz puni tensometrice pe fiecare stlp va fi nevoie de nc patru canale de intrare, ceea ce implic i o cretere cu 20 kHz a frecvenei de eantionare. Se mai poate utiliza i soluia nlocuirii mrcilor tensometrice de pe stlpii de susinere cu un traductor de tip accelerometru amplasat direct pe suportul motorului, caz n care se va msura acceleraia vibraiei generate de motor. n acest caz un singur traductor poate oferi informaiile necesare pentru alarmare dac s-au depit valorile maxime admise. Schema sistemului de msur este dat n figura 4.7.

38

Fig. 4.7. Schema sistemului de msur

Multiplexorul analogic trebuie s aib cel puin 8 intrri analogice (6 pentru stabilirea consumului de energie, 1 pentru solicitarea mecanic, 1 pentru msurarea temperaturii bii de ulei) care s aib domeniul de lucru de 5 V tensiune alternativ. Scopul principal al acestui sistem fiind acela de a supraveghea instalaia, n cazuri limit facndu-se alarmarea, rezult c precizia msurrii poate fi de aproximativ 1%, caz n care convertorul analog-numeric poate s fie pe 8 biti.

Un exemplu de sistem de achiziie pe 8 biti cu 8 canale care pot eantiona simultan i cu interfa pentru microprocesor este MAX 155 produs de firma MAXIM. Rata de conversie a a cestui sistem este de maxim 250.000 de eantioane/secund. Domeniul de lucru al intrrilor este +/- 5 V.

5. CONDIIONAREA SEMNALELOR Aceast operaie este necesar pentru a aduce semnalele provenite de la traductoare la o form acceptabil pentru prelucrarea lor ulterioar.

5.1. Semnale O mrime fizico-tehnic prin care se transmite o informaie, n

procesul de funcionare a unui sistem sau element, se numete semnal. Exist semnale-cauz (mrimi de intrare) i semnale-efect (mrimi de ieire)[14].

Convenional, un sistem sau element excitat la intrare de semnalul u(t), la ieirea cruia apare semnalul y(t), se reprezint din punct de vedere al transferului de informaie ca n figura 5.1.

39

Fig. 5.1.

- Concomitent, semnalele sunt funcii de timp. Acesta este al doilea parametru al semnalelor. Din punct de vedere matematic, timpul este variabila independent ce evolueaz continuu n sens unic: trecut-prezent-viitor.

- ntre elementele componente ale unui sistem apar relaii prin intermediul semnalelor.

- Pentru ca informaia transmis s ajung la destinaie trebuie ca subsistemul receptor s poat extrage informaia din semnal. De exemplu, un om nu va utiliza eficient un termometru dac acesta nu are o scal gradat. Numai din lungimea coloanei de lichid nu se poate extrage nici o informaie. Deci, trebuie stabilit la emitor o corespondent a valorilor posibile ale parametrului informaional cu informaia.

Se deduce de aici c la transmiterea unei informaii este necesar un semnal i un cod comun pentru ambele sisteme: emitor i receptor.

Conceptual, noiunile de sistem i semnal sunt duale. Fenomenologic, acest fapt rezid n coexistena intrinsec a perechii sistem-semnal. Rezult c tipurile de semnale care se transmit ntre elementele unui sistem i imprim acestuia caracterul respectivelor semnale.

Clasificarea semnalelor se face n conformitate cu foarte multe criterii:

a) dup efectele produse asupra unui sistem se deosebesc: - semnale utile, care introduc efecte dorite in comportarea unui

sistem (de ex., tensiunea de alimentare a unui motor electric, debitul de intrare intr-un rezervor n care se menine nivelul constant);

- semnale perturbatoare (perturbaii), care introduc efecte nedorite (de ex., tensiunea de zgomot la intrarea unui amplificator, cuplul rezistent al unei maini de lucru).

b)dup natura mrimilor fizice se evideniaz: - semnale mecanice: for, cuplu, deplasare liniar sau unghiular; - semnale electrice: tensiune, curent, rezisten, frecven, faz; - semnale pneumatice: presiune; - semnale acustice, optice, hidraulice, etc. c) dup mulimea de valori ale parametrului informaional:

SISTEM u(t) y(t)

40

- semnale analogice: parametrul informaional ia valori pe mulimi incluse n mulimea numerelor reale. Semnalele analogice sunt descrise de funcii reale dependente de variabila continu t, reprezentnd timpul;

x: tx(t) Semnalul poate lua orice valoare din intervalul fixat (figura 5.2.a).

- semnale discrete: parametrul informaional ia valori pe mulimi incluse n mulimea numerelor naturale. Aceste semnale sunt descrise de funcii:

x : kx(k) sau

x : t = kTx(kT) unde k este un nrumr ntreg (pozitiv sau negativ), iar t ia valori discrete t1, t2.

n al doilea caz, se vorbete de un semnal eantionat. Pentru un pas de esantionare constant T, semnalul eantionat va fi x(kT). Dac parametrul informaional x(kT) ia valori ntregi, multiplu al unei uniti, semnalele discrete se numesc digitale (figura 5.2.b). Dac parametrul informaional x(k) sau x(kT) ia numai dou valori, semnalele discrete se numesc binare (figura 5.3.c).

d) dup mulimea de valori ale parametrului timp t (variabila independent):

- semnale continue (n timp)- pentru fiecare valoare a timpului se definete o valoare oarecare a parametrului informaional (figura 5.2.a - semnal definit pe un domeniu continuu de timp);

- semnale discrete (n timp) eantionate i numerice parametrul informaional este definit numai pentru anumite valori admisibile ale timpului. Semnalele numerice sunt semnale discrete cu valori discrete cuantificate. Cuantificarea const n aproximarea eantioanelor cu nite trepte, cu amplitudine prestabilit. Fiecrui eantion i se atribuie o treapt creia i va corespunde ulterior o valoare binar dat.

Fig.5.2.a Fig.5.2.b Fig.5.2.c

x(t) x(t)

41

e) dup previzibilitatea evoluiei n timp se deosebesc: - semnale deterministe: cu lege de evoluie predictibil, - semnale stohastice (aleatorii): cu lege de variaie necunoscut,

nu pot fi descrise de expresii analitice. n cele mai multe cazuri, semnalele transmise de traductoare nu

ndeplinesc toate condiiile pentru transferul lor direct ctre sistemele de procesare. Acest neajuns aprut datorit nestandardizrii n totalitate a componentelor care intr ntr-un anume lan de msur, poate fi eliminat prin conceperea unei interfari speciale, numite condiionare.

Circuitele prin care se realizeaz condiionarea pot realiza amplificarea, atenuarea, sumarea, integrarea i filtrarea.

5.2. Condiionatoare de semnal Condiionatoarele de semnal, inserate ntr-un sistem de msurare

computerizat ntre traductoare i placa de achiziie de date, ndeplinesc funciuni a cror necesitate rezult att din tipul i caracteristicile constructive ale traductoarelor utilizate (funciuni specifice) ct i din caracteristicile de funcionare ale plcii de achiziie (funciuni generale). n cazul mrcilor tensometrice, traductoarele cele mai utilizate n msurrile din domeniul mecanic, variaia relativ foarte mic a rezistenei electrice a traductorului la deformarea acestuia conduce aproape n toate cazurile la necesitatea utilizrii unei puni Wheatstone. Aceasta asigur att existena unei diferene de potenial (tensiune electric) pe fiecare traductor (excitarea traductorului), ct i amplificarea semnalului provenit de la traductoare i protejarea acestuia mpotriva variaiilor de tensiune cauzate de modificri n condiiile de mediu exterior sistemului de msurare [10], [12].

Aparatele de condiionare a semnalului dedicate mrcilor tensometrice conin, n consecin, surse de tensiune electric necesare excitrii traductoarelor i au posibilitatea de a li se ataa rezistene electrice calibrate care s completeze laturile punii Wheatstone atunci cnd numrul de traductoare utilizate este mai mic de 4.

Necesitatea ca, n absena semnalului msurat, diferena de potenial pe diagonala de msur a punii Wheatstone s fie nul, face ca unele tipuri de condiionatoare s permit echilibrarea punii naintea efecturii msurrii.

n situaia n care se efectueaz o msurare de temperatur utiliznd termocupluri, datorit modului de funcionare al acestor traductoare, este necesar ca aparatul de condiionare a semnalului s asigure generarea unei tensiuni electrice care s compenseze tensiunea

42

electromotoare produs de jonciunea rece a termocuplului (compensare hardware).

Deoarece prezena unei astfel de surse de tensiune ar fi necesar pentru fiecare traductor n parte, conducnd la o soluie constructiv scump, o a doua modalitate de compensare (software) utilizeaz un traductor secundar (termistor sau semiconductor) pentru msurarea temperaturii zonei din mediul ambiant n care se afl jonciunile reci ale mai multor termocupluri.

La utilizarea compensrii software a temperaturii jonciunii reci trebuie avut n vedere faptul c relaia dintre temperatura msurat i tensiunea electric generat de ctre traductorul secundar nu este aceeai cu cea utilizat pentru conversia semnalului provenit de la termocupluri. Pe lng sursa de tensiune sau traductorul secundar necesare compensrii, un condiionator de semnal dedicat utilizrii termocuplurilor trebuie de asemenea s posede circuite de amplificare necesare datorit faptului c tensiunea electric generat de ctre un astfel de traductor este extrem de redus (750 V / C).

Condiionatoarele de semnal dedicate utilizrii termorezistenelor trebuie s posede surse de tensiune care s asigure excitarea traductoarelor respective. Rezistena electric relativ redus a acestor traductoare (~ 100 ) i variaia mic a acesteia cu temperatura (< 0,4 / C) fac necesare capacitatea condiionatorului de a fi configurat pentru diverse moduri de conectare (cu 2, 3 sau 4 fire) i capacitatea acestuia de a amplifica semnalul primit de la traductoare.

n cazul utilizrii unor traductoare care genereaz semnale n curent (420 mA sau 020 mA), condiionatoarele de semnal trebuie s dispun de rezistori calibrai, cu variaii mici ale rezistenei electrice n raport cu temperatura, prin intermediul crora s se realizeze exprimarea semnalului provenit de la traductor printr=o tensiune electric. n mod uzual, pentru aceste situaii se utilizeaz componente cu rezistena electric de 249 0,5 % i cu o variaie maxim a rezistenei de 5 ppm / C.

Indiferent de tipul de traductor conectat n sistemul de msurare, pentru condiionatoarele de semnal se pot defini o serie de funciuni de ordin general: Amplificarea semnalului, atunci cnd este realizat imediat n apropierea traductorului, reprezint una din modalitile cele mai eficiente de a minimiza efectele interferenelor electrice din mediul exterior, contribuind de asemenea la creterea preciziei msurrii. n

43

cazul unor traductoare care genereaz semnale cu tensiuni electrice extrem de reduse (50 V / C n cazul termocuplurilor de tip J), transmiterea semnalului de la traductor fr amplificare va duce la pierderea informaiei coninute de acesta datorit nivelului mult superior al tensiunii induse n cablurile de legtur de ctre interferenele din mediul exterior (200 V ntr-un cablu de 10 m care parcurge o zon cu maini unelte). Filtrarea i medierea unui semnal servesc la eliminarea din cadrul semnalului a unor interferene de natur periodic, cu frecvena cuprins ntre limite cunoscute. Foarte multe sisteme de msurare sunt afectate de interferene cu frecvena de 50 Hz, datorate reelei de alimentare cu tensiune electric a cldirii n care sistemul este instalat. Condiionarea semnalului prin utilizarea unor filtre care elimin componentele periodice ale acestuia ce depesc o anumit frecven trebuie efectuat de o asemenea manier nct simultan cu interferenele s nu fie eliminate i unele componente utile ale semnalului.

Dei multe tipuri de condiionatoare de semnal includ astfel de filtre, sunt deseori necesare msuri suplimentare de protecie constnd n utilizarea de filtre software care n majoritatea cazurilor realizeaz medieri ale semnalului msurat. Izolarea semnalelor este una din primele msuri de prevenire a erorilor de msurare cauzate de legturi defectuoase la mas, acestea fiind uneori chiar cauza distrugerii sistemului de msurare. Prin funciunea de izolare, condiionatoarele realizeaz transmiterea semnalului fr o legtur fizic direct ntre dou puncte ale unui circuit electric, utiliznd metode optice, magnetice sau capacitive.

n cazul izolrii magnetice, sau a celei capacitive, semnalul este iniial transformat dintr-o tensiune electric ntr-un semnal periodic, transferat prin bariera de izolare, apoi reconvertit n forma iniial.

Izolarea protejeaz de asemenea sistemul de msurare mpotriva creterilor necontrolate de tensiune ce pot fi provocate de defeciuni n reeaua de alimentare sau de iluminare sau de ctre echipamente ce lucreaz sub nalt tensiune. Multiplexarea reprezint o modalitate de condiionare prin care mai multe semnale analogice, provenite din diverse puncte de msurare, sunt trimise pe o aceeai cale mai departe n sistemul de msurare, de obicei ctre un singur canal de intrare al unei plci de achiziie de date sau ctre un emitor pentru transmiterea la distan.

Condiionarea semnalelor digitale se refer n majoritatea cazurilor la izolarea n vederea protejrii plcii de achiziie de date de

44

eventualele creteri brute de tensiune sau diferene mari de tensiune ntre dou legturi la mas distincte [18], [19], [21].

Izolarea semnalelor digitale prin utilizarea de relee electronice sau electromecanice este aplicat n general n situaiile n care este necesar comandarea unor elemente de genul solenoizilor, surselor de iluminat sau motoarelor sau atunci cnd este necesar sesizarea unor semnale de nalt tensiune [23].

n tabelul 5.1 sunt prezentate, pentru principalele categorii de condiionatoare, tipurile de semnale pe care acestea le pot prelucra. Clasificarea semnalelor n tipurile de mai jos este simplificat, detalierea caracteristicilor semnalelor din fiecare tip urmnd a fi prezentat pentru fiecare categorie de condiionatoare n parte.

Tabelul 5.1. Funciunile principalelor tipuri de condiionatoare

5.2.1. Sistemul SCXI Sistemul de aparate de condiionare a semnalelor SCXI (Signal

Conditioning eXtensions for Instrumentation) are structura general format dintr-o serie de module de condiionare multicanal montate ntr-un asiu (rack) comun.

Conectarea traductoarelor la unul dintre modulele SCXI se realizeaz prin intermediul unui bloc terminal ataat modulului respectiv (figura 5.3).

Transmiterea semnalelor de la modulele aflate ntr-un acelai asiu ctre una sau mai multe plci de achiziie de date este realizat prin

45

intermediul unui conector al asiului. Astfel, asiul comun ndeplinete rolul unui multiplexor aflat ntre modulele condiionatoare de semnal i placa (plcile) de achiziie de date. Alimentarea modulelor condiionatoare este de asemenea realizat dintr-o surs comun de tensiune, aparinnd asiului.

Fiecare modul de condiionare SCXI este dedicat unor anumite tipuri de traductoare sau semnale. Modulele sunt capabile de a ndeplini att funciuni de condiionare de ordin general ct i funciuni specifice.

Dup un prim criteriu de clasificare, modulele de condiionare SCXI pot fi grupate n:

module pentru intrri analogice; module pentru ieiri analogice; module pentru semnale digitale.

Fig. 5.3. Componentele sistemului SCXI

n tabelul 5.2 sunt prezentate, pentru diverse tipuri de traductoare i semnale, modulele de condiionare SCXI pentru intrri analogice corespunztoare, numrul de canale de care acestea dispun i blocurile terminale necesare pentru conectarea traductoarelor.

n tabelul 5.3 sunt prezentate modulele de condiionare SCXI pentru ieiri analogice i pentru semnale digitale, numrul de canale de care acestea dispun i blocurile terminale necesare pentru conectarea traductoarelor.

asiurile n care se monteaz modulele de condiionare SCXI pot fi alese n funcie de numrul de module pe care le pot accepta i de caracteristicile componentelor din sistemul de msurare ctre care sistemul SCXI urmeaz a trimite semnalele msurate i condiionate sau de la care va primi comenzi referitoare la generarea de semnale.

46

Tabelul 5.2. Module SCXI pentru intrri analogice

Tipul traductorului sau semnalului

Codul modulului

Codul blocului terminal

Nr de canale

Termocupluri SCXI-1102 SCXI-1303 32 Termocupluri, cu izolare SCXI-1120 SCXI-1328 8 Termorezistene, termistori, mrci tensometrice SCXI-1121 SCXI-1321 4

Semnale de nalt tensiune ( 250 V) SCXI-1120 SCXI-1327 8

Semnale de tensiune medie ( 42 V) SCXI-1104 SCXI-1300 32

Semnale de joas tensiune SCXI-1102B/C SCXI-1303 32 Semnale de joas tensiune, cu izolare SCXI-1120 SCXI-1320 8

Intrri analogice de uz general SCXI-1100 SCXI-1303 32 Semnale n curent, fr izolare SCXI-1102 SCXI-1308 32 Semnale n curent, cu izolare SCXI-1120 SCXI-1338 8 Semnale periodice de nalt tensiune SCXI-1126 SCXI-1327 8

Semnale periodice de joas tensiune SCXI-1126 SCXI-1305 8

Modul pentru achiziionare simultan multicanal SCXI-1140 SCXI-1304 8

Modul cu filtre "trece - jos" SCXI-1141 SCXI-1304 8

Dup acest al doilea criteriu, asiurile SCXI pot fi dedicate lucrului n:

sisteme locale, prin legarea direct la o plac de achiziie de date;

sisteme aflate la distan, transferul informaiei efectundu-se prin subsisteme de comunicaie serial RS-232 sau RS-485;

sisteme portabile, asigurndu-se alimentarea cu tensiune electric continu;

sisteme multi-asiu, n care la o singur plac de achiziie de date pot fi conectate pn la 8 asiuri, fiecare incluznd pn la 12 module de condiionare SCXI (pn la maxim 3072 canale de msurare);

sisteme CompactPCI, n care asiul SCXI dispune de slot-uri pentru inserarea de module caracteristice acestui sistem.

47

Tabelul 5.3. Module SCXI pentru ieiri analogice i semnale digitale

Tipul traductorului sau semnalului

Codul modulului

Codul blocului terminal

Nr de canale

Ieiri n tensiune continu, cu izolare SCXI-1124 SCXI-1325 6

Ieiri n curent continuu, cu izolare SCXI-1124 SCXI-1325 6

Comutatoare de uz general pentru putere medie SCXI-1160 SCXI-1324 16

Comutatoare de uz general pentru putere mare SCXI-1161 - 8

Intrri digitale TTL i CMOS SCXI-1162 SCXI-1326 32 Intrri digitale de nalt tensiune SCXI-1162HV SCXI-1326 32 Ieiri digitale TTL i CMOS SCXI-1163 SCXI-1326 32 Relee electronice SCXI-1163R SCXI-1326 32 Numrtoare TTL SCXI-CTC8 SCXI-1301 8 Msurare frecven TTL SCXI-FRQ8 SCXI-1301 8

n tabelul 5.4 sunt prezentate cteva tipuri de asiuri, n funcie de numrul de module de condiionare SCXI ce pot fi montate n acestea i de tipul disponibil de alimentare cu tensiune.

Tabelul 5.4. asiuri SCXI

Tipul asiului Numr de sloturiCurent

alternativ

Curent continu

u SCXI-MS100 SCXI-1000 PXI-1010 SCXI-2000

4 Da

SCXI-1000DC 4 Da SCXI-1001 12 Da

48

Fig. 5.4. asiuri SCXI

5.2.2. Seria de condiionatoare 5B

Fig. 5.5. Sistem de condiionatoare 5B

Sistemele de condiionare a semnalelor din seria 5B constau din module de condiionare uni-canal montate pe un suport comun (rigl) care asigur conectarea traductoarelor la fiecare modul instalat, conectarea sistemului cu placa de achiziie de date (printr-un conector cu 26 de pini) i cu o eventual surs extern de alimentare cu tensiune.

Tipurile de rigle disponibile permit montarea a 8 sau 16 module de condiionare 5B, din care maxim dou pot fi module de condiionare a semnalelor analogice de ieire. Semnalul furnizat de fiecare modul de condiionare este trimis pe cte un canal distinct al plcii de achiziie de date.

n tabelul 5.5 sunt prezentate principalele tipuri de module de condiionare din seria 5B, mpreun cu tipurile de traductoare sau semnale crora le sunt dedicate i cu o serie de caracteristici funcionale.

Toate modulele din seria 5B posed funciunile de izolare a semnalului, iar modulele de condiionare a semnalelor de la termocupluri realizeaz compensarea temperaturii jonciunii reci.

49

Sursele externe de alimentare cu tensiune dedicate seriei 5B de condiionatoare trebuie s asigure o tensiune continu de 5 V, la un curent de 1 A sau 5 A.

Riglele pe care se monteaz modulele de condiionare pot fi la rndul lor fixate ntr-un asiu (rack) compatibil de asemenea cu multiplexoarele de tipul AMUX-64T i cu condiionatoarele din seria SCC.

Tabelul 5.5: Module de condiionare din seria 5B

Modul Tip traductor sau semnal Caracteristici funcionale 5B31

Semnale analogice n tensiune

Interval de msur: 1V, 5V, 10V sau 20 V;

Filtrare trece-jos 4 Hz

5B41

Interval de msur: 1V, 5V, 10V sau 20 V;

Filtrare trece-jos 10 kHz 5B32 Semnale analogice n curent 4 ... 20 sau 0 ... 20 mA 5B34

Termorezistene

Tip C, 10 , cupru Tip N, 120 , nichel Tip P, 100 , platin:

100, 0...100, 0...200 sau 0...6000C

5B47

Termocupluri

Tip B: 500 ... 1800 0C Tip E: 0 ... 1000 0C Tip J: 0 ... 760, -100...300 sau 0...5000C Tip K: 0...1000 sau 0...500 0C Tip R sau S: 500 ... 1750 0C Tip T: -100 ... 400 sau 0...200 0C

5B38

Mrci tensometrice

Punte complet: 100 ... 10 k, 2 mV/V sau 3mV/V

Jumtate de punte: 100 ... 10 k sau 3 mV/V

5B39 Ieire analogic n curent 4 ... 20 sau 0 ... 20 mA 5B49 Ieire analogic n tensiune 5 V sau 10 V

5.2.3. Sistemele SCC i SC-204X Un sistem de condiionare SCC (Signal Conditioning System)

este compus dintr-o plac de baz (SC-2345), montat ntr-o carcas

50

ecranat, n ale crei sloturi se pot monta pn la 20 de module de condiionare de tipul SCC.

Placa de baz mai conine conectorul pentru legarea la placa de achiziie de date, un conector pentru ataarea unei eventuale surse externe de alimentare cu tensiune, precum i un conector pentru accesarea direct a liniilor de comunicaie digital ale plcii de achiziie.

Fig. 5.6. Sistem de condiionare SCC

Modulele de condiionare SCC ce pot fi montate n placa de baz sunt dedicate prelucrrii semnalelor provenite de la termocupluri (SCC-TC) sau a semnalelor n curent (SCC-CI pentru 020 mA), filtrrii semnalelor analogice (SCC-LP), atenurii semnalelor de nalt tensiune (SCC-A10 pentru 100 V) sau izolrii semnalelor digitale de intrare sau de ieire (SCC-DI i SCC-DO).

Prin anumite modaliti de configurare, dou module dedicate semnalelor analogice pot fi conectate n serie, semnalul rezultat (de exemplu atenuat i apoi filtrat) fiind ulterior trimis ctre un singur canal al plcii de achiziie de date.

Pe carcasa ecranat a sistemului SCC pot fi montate pn la nou panouri frontale interschimbabile coninnd conectori standard de diverse tipuri (BNC, SMB, pentru termocupluri, tip D cu 9 pini etc). Pot fi de asemenea montate panouri frontale coninnd elemente de interfa de genul comutatoarelor, poteniometrelor i LED-urilor care s serveasc comutrii semnalelor de intrare n modulele de condiionare, s iniieze excitarea anumitor traductoare sau s verifice starea operaional a anumitor canale de msurare.

51

Condiionatoarele de semnal din seria SC-204X reprezint soluii simple, cu cost relativ redus, dedicate aplicaiilor n care este suficient o frecven relativ mic de msurare. Modulele sunt dedicate fie unui anumit tip de traductor, fie efecturii unei anumite funciuni de condiionare.

Cele mai utilizate condiionatoare din aceast categorie sunt cele referitoare la:

achiziionarea simultan a semnalelor de pe mai multe canale (tehnica "sample and hold");

condiionarea semnalelor primite de la termorezistene; condiionarea semnalelor primite de la mrci tensometrice; multiplexarea semnalelor condiionate.

Figura 5.7. Condiionatoare de semnal din seria SC-204X

5.2.4. Elemente pentru condiionarea semnalelor digitale Sistemul modular de condiionatoare SSR este dedicat sesizrii tensiunilor electrice relativ ridicate i transformrii acestora n semnale digitale TTL sau generrii de tensiuni electrice pentru comanda echipamentelor.

Analog elementelor din seria 5B, sistemul SSR este format dintr-o plac de baz (rigl) comun pe care se pot instala 8, 16, 24 sau 32 de module de condiionare.

Placa de baza dispune de un conector cu 50 de pini pentru realizarea legturii cu placa de achiziie de date sau cu alt component a sistemului de msurare computerizat. Alimentarea sistemului se poate realiza att dintr-o surs exterioar de tensiune, conectat la placa de baz, ct i direct prin intermediul plcii de achiziie de date.

52

Modulele de condiionare disponibile, cu izolare optic i sistem de protecie la supratensiune, sunt prezentate n tabelul 5.6.

Tabelul 5.6. Module de condiionare din seria SSR

Modul Tip Tensiune de lucru SSR-IAC5 intrare 120 V c.a. SSR-IAC5A intrare 240 V c.a. SSR-IDC5 intrare 332 V c.c. SSR-OAC5A ieire 240 V c.a. SSR-OAC5 ieire 120 V c.a. SSR-ODC5 ieire 360 V c.c.

Seria SC de condiionatoare de semnal este reprezentat de urmtoarele trei tipuri principale:

- SC-2060: 8 canale pentru intrri digitale, izolate cu optocuploare pn la 400 V, compatibile TTL i CMOS, conectate la intrrile digitale ale plcii de achiziie. Fiecare canal dispune de o tensiune de referin independent, intrrile digitale fiind considerate n starea "low" dac sunt cu 9 V sub aceasta i n starea logic "high" dac diferena este de 3 V. Intensitatea curentului la intrare este limitat la 20 mA.

- SC-2061: 8 canale pentru ieiri digitale, izolate optic pentru diferene de potenial de pn la 250 V ntre dou canale sau de pn la 400 V ntre un canal i mas, compatibile TTL i CMOS, conectate la ieirile digitale ale plcii de achiziie. Fiecare canal dispune de o tensiune de referin independent. Modulul trebuie alimentat cu o tensiune de 5 V c.c. dintr-o surs extern, iar pe fiecare canal trebuie montat un rezistor de 4,7 k.

- SC-2062: 8 relee electromecanice cone