Стандартизация интерфейсов «интеллектуальных» датчиков (семейство IEEE Р 1451). Коррекция ошибок в «интеллектуальных» датчиках.

Стандартизованные интерфейсы датчиков не только позволяют решить проблему совместимости устройств, но и ускоряют реализацию интеллектуальных технологий в датчиках. Информационно-измерительные системы на их основе являются более надежными, масштабируемыми, и обеспечивают более высокую эффективность, чем традиционные системы. Стандарты IEEE Р 1451 призваны упростить задачу подключения преобразователей (устройств, объединяющих в себе датчик и исполнительный механизм) как к измерительным приборам, гак и к сетям. Эта цель достигается путем определения набора единых для всех преобразователей интерфейсов, в том числе и механизмов функционирования самонастраивающихся датчиков. Стандарт IEEE Р 1451.4 используются в контрольно-измерительных системах с большим количеством датчиков. Стандарт IEEE Р 1451.3 определяет цифровую многоотводную шину преобразователя, рассчитанную на подключение большого числа физически разделенных датчиков. Спецификация IEEE Р 1451.3 поддерживает технологию TEDS, широкополосные датчики (с частотой до нескольких сотен кГц) и временную синхронизацию на шине. Стандарты IEEE Р 1451.4 и Р 1451.3 являются последними членами семейства IEEE Р 1451. Стандарт IEEE Р 1451.1 определяет единую объектную модель для подключаемых к сети интеллектуальных преобразователей и содержит спецификации интерфейсов. В стандарте IEEE Р 1451.2 определен цифровой двухточечный интерфейс для подключения модуля интеллектуального преобразователя с цифровым выходом к микропроцессорному сетевому адаптеру. Кроме того, в стандарте IEEE Р 1451.2 впервые появилась концепция электронных спецификаций TEDS. Обеспечивающие самоидентификацию встроенные спецификации TEDS, являются наиболее популярными компонентами и ключевыми элементами всего семейства IEEE Р 1451. Реализация системного подхода с электронными спецификациями TEDS дает следующие преимущества: 1.Отказ от поисковых таблиц датчиков. Вся последняя информация о датчике хранится в TEDS-памяти встроенной микросхемы. Отпадает необходимость в создании отдельной базы данных, предназначенной для хранения сведений о чувствительности датчиков. Текущие калибровочные данные загружаются в TEDS-память встроенной микросхемы при повторной калибровке датчика. 2.Устранение ошибок подключения кабелей. Встроенная TEDS- памягь устраняет необходимость в «ручном» контроле соединений. Вне зависимости от способа подключения датчика идентификационный номер последнего всегда доступен пользователю. В процессе развертывания испытательной системы с множеством датчиков значительная доля непроизводительно затрачиваемого времени приходится на сопоставление серийных номеров датчиков с номерами соединительных кабелей и на проверку правильности всех соединений. В случае проведения подобных проверок человеком по мере возрастания числа каналов возрастает и число ошибок. Кроме того, системы с очень большим количеством кабелей характеризуются наличием множества отвлекающих факторов, что ведет к дополнительным ошибкам. 3.Идентификация местоположения. При модульном тестировании главное значение для пользователя имеет информация о точном положении датчика. Обычно такие данные, как код местоположения, ориентация, координаты и полярность датчика, записываются на бумаге, после чего вручную вносятся в аналитическую программу. В случае использования TEDS-датчиков все эти характеризующие конкретное приложение параметры могут храниться в TEDS-памяги и извлекаться оттуда по мере необходимости. Все сведения об устройстве, касающиеся его местоположения, ориентации и полярности, становятся известны системе, как только соответствующая информация будет записана в TEDS-чип. Для ввода информации в TEDS-память датчика на месте можно воспользоваться ручным программатором или осуществить запись вручную. Программатор также позволяет осуществлять контроль состояния датчика (обрыв, короткое замыкание, нормальное состояние и т.д.). 4.Оперативная замена датчиков. Поскольку все характеризующие устройство параметры (чувствительность, поправочные коэффициенты и т.п.) хранятся во встроенной TEDS-памяти, датчики можно легко менять, не заботясь о внесении в систему каких-либо изменений. Интеллектуальный формирователь сигналов на приемном конце самостоятельно определит факт замены датчика и автоматически отрегулирует все необходимые характеристики (автоматическое конфигурирование). 5.Автоматическая настройка выходного сигнала в зависимости от характеристик АЦП. Формирователь сигналов опрашивает датчики для определения их чувствительности и автоматически регулирует усиление каждого канала в соответствии с входным диапазоном АЦП. Тем самым обеспечивается наилучшее соотношение сигнал/шум в процессе оцифров. 6.Повышение качества продукции и ускорение выхода на рынок. Модульное тестирование с использованием встроенных спецификаций TEDS не только позволяет ускорить выход новой продукции на рынок, но и создаст условия для повышения качества продукции за счет повышения точности и надежности тестовой информации. Коррекция ошибок в интеллектуальных датчиках: Особенностью калибровки датчиков является невоспроизводимость его моментальных значений, что обусловлено выходным шумом датчика и температурным гистерезисом. Температурный гистерезис является преобладающей составляющей погрешности и может составлять от 0,03% до 0,15% диапазона измеряемого сигнала. Воспроизводимые ошибки измерения в 100-500 раз больше, чем, невоспроизводимые ошибки и состоят в основном из нелинейности, температурных погрешностей и нестабильности параметров датчиков. Процесс калибровки включает изучение формы ошибок измерения, внесение формы ошибок в алгоритм коррекции и запоминание корректирующей информации для данного датчика. Стандарт IEEE Р 1451 представил подход к калибровке и коррекции погрешностей на основе TEDS калибровок. TEDS калибровки содержат всю информацию, необходимую для программного обеспечения коррекции, а также информацию для отображения значений между АЦП (либо ЦАП) и значениями физических единиц, представленных в виде чисел с плавающей запятой. Другими словами программное обеспечение производит и коррекцию, и преобразование физических единиц. TEDS калибровки для одного преобразователя представляют функциональную взаимосвязь, как кусочно-полиномную функцию. Диапазон каждого из входных значений функции делится на один или более сегментов. При создании TEDS калибровок выбирают следующие параметры: число сегментов для каждого входа, степень полиномов и расположение границ сегментов. Выбор этих параметров связан с разработкой модели калибровки. Задача выбора довольно сложна и требует осторожности. Например, сегменты могут быть выбраны такими, чтобы быть эквивалентными уровням дискретизации значений преобразователя. Основными параметрами при разработке модели коррекции являются точность, дешевизна и быстродействие. С повышением точности возможно замедление, а также и повышение цены. Функция коррекции должна быть непрерывной и гладкой в пределах границы ячейки. Требования к калибровке «интеллектуальных» датчиков потребовало разработки специализированных САПР, позволяющих производить расчет и визуализацию проектирования TEDS коррекции в трех или более мерном пространстве для эффективного взаимодействия пользователей при отработке режимов оптимизации калибровки. Для примера рассмотрим ПО расчета и визуализации в процессе калибровки, разработанное компанией Atmos Engineering. Данное ПО обладает следующими возможностями: данные калибровок могут быть взяты с любого места в рабочем диапазоне; данные могут быть просмотрены в двухмерном и трехмерном виде; одновременно могут просматриваться различные представления одних и тех же данных; множества данных могут быть отфильтрованы для добавления или исключения некоторого подмножества данных; трехмерное представление данных может быть повернуто и просмотрено под любым углом; на выходе генерируются совместимые со стандартом IEEE Р 1451.2 коэффициенты полиномов; выполняется расчет компенсации для малого количества точек данных; коэффициенты могут быть рассчитаны при наличии шумов измерения и гистерезиса; для калибровки датчиков могут использоваться настраиваемые методы оптимизации расчетов; может проводиться проверка соответствия производительности моделируемого датчика и реального датчика; оптимизируется компенсация на основе характеристик используемого устройства коррекции. Конечное разрешение компенсации включается в расчет. Калибровка датчика разделяется на несколько шагов: проверка и функциональный тест; цикл измерений с накоплением данных; процесс проверки калибровки; моделирование полученных данных; расчет коэффициентов; проверка калибровки; программирование коэффициентов.

Схемы соединений измерительных преобразователей. Температурная компенсация тензометров (в том числе с помощью мостовых схем). Установка тензометров. Шумы. Защитные кольца. Случайные шумы. Коэффициент шума.

Различные способы сопряжения резистивного преобразователя на основе преобразования изменения сопротивления в изменение напряжени:

Температурная компенсация: При использовании тензометров для изменения напряжения на поверхности, которая имеет разную температуру, возникает проблема учета разностного расширения. Например, если температура возрастает, то на измеряемой поверхности появляются температурные расширения, отличающиеся от тех которые, которые возникают при нормальных условиях работы тензометра. Но, поскольку чувствительный элемент зафиксирован на поверхности, а прибор подвергается воздействию, обусловленным ее расширением, то у него изменяется сопротивление. Для устранения этой погрешности измерений некоторые тензометры проектируются так, чтобы изменения сопротивления, вследствие дифференциального расширения, балансировались за счет температурного изменения сопротивления резисторов (противоположный эффект). Это может быть достигнуто только за счет применения соответствующих материалов в процессе изготовления тензометров. Температурная компенсация с помощью мостовых схем: Рассмотренная погрешность измерений и соответствующая ей схема компенсации характерны для тензометров. Одной из проблем, связанных с температурой, при использовании любого измерительного преобразователя, включенного по основной мостовой схеме, является учет длины проводников, соединяющих его с мостовой схемой. Сопротивление любого материала, включая соединительные провода, зависит от температуры. Поэтому в зависимости от окружающей температуры может варьироваться выходное напряжение моста.

Три соединительных провода имеют одну и ту же длину

и,следовательно, одно и то же сопротивление. Таким образом, любое изменение сопротивления плеча преобразователя в мостовой схеме компенсируется аналогичным изменением сопротивления другого плеча.

Способ компенсации температурных изменений в тензометрической мостовой схеме:

Установка тензометров. Тензометры отличаются от большинства других преобразователей способом их установки на поверхности, напряжение на которой следует измерить. Как правило, они закрепляются «намертво» на этой поверхности. Для этого используется эпоксидный клей, с помощью которого крепится элемент или прибор в нужном месте. При установке тензометров рекомендуется соблюдать следующую последовательность операций: непосредственно перед установкой преобразователя поверхность очищается и обрабатывается шкуркой; выбирается клей. Считается, что клей пригоден для использования с данной поверхностью и данным тензометром, если на него не влияют никакие внешние факторы - влажность, температура и т.п. после приклеивания тензометр фиксируется на поверхности с помощью металлической пластинки с лентой из наклеивающегося пластика или другого материала, располагаемой между пластинкой и тензометром. В течение времени затвердевания клея к пластине прикладывается давление; после высыхания клея удаляют фиксирующее устройство и наносят на тензометр соответствующий влагонепроницаемый слой; соединять отдельные элементы тензометрической установки лучше всего с помощью соответствующего соединительного блока, устанавливаемого вблизи преобразователя на измеряемой поверхности. Влагонепроницаемый слой необходимо наносить также и на соединительный блок. Шумы: В любой системе с чувствительными элементами ко входу системы прикладывается слабый сигнал, поэтому даже незначительный шум будет усиливаться до такой степени, что станет невозможно проводить точные измерения. Проблема шумов может возникнуть но самым различным причинам и их следует принимать в расчет при создании системы. Их уровень уменьшается до приемлемого значения путем фильтрации. Чтобы гарантировать хорошие характеристики системы, следует учитывать всевозможные шумы и проектировать систему гак, чтобы уменьшить их до такого уровня, при котором с ними можно не считаться в первом приближении. Известны различные типы шумов, действующих в измерительной системе. Шумы, которые наводятся первоначально при подсоединении проводов между преобразователем и схемой сопряжения, обычно называются взаимными помехами. Они фактически создаются человеком. Низкочастотный фон на частотах 50 Гц и 100 Гц генерируется первоначально усилителем, поскольку около него находится источник питания. Источник питания в основном производит низкочастотные шумы частотой 50 Гц или 100 Гц (если в источнике имеется двухполупериодное выпрямление переменного тока), и они наводятся в усилителе. Взаимные помехи усиливаются с полезным сигналом. Защитные кольца: Емкостные и индуктивные перекрестные искажения, так же как и простые резистивные перекрестные искажения, могут возникнуть, если в схеме сопряжения используется усилитель с большим входным сопротивлением. Такой усилитель необходим для соединения измерительной системы и преобразователя с аналогичным выходным сопротивлением. Высокое входное сопротивление преобразователя говорит о том, что любая паразитная емкость С, индуктивность L или сопротивление утечки R_yTC₄ на входе схемы будет приводить к появлению нежелательных сигналов в усилителе. Современные операционные усилители обычно склонны к этому. Их входные токи смешения всего лишь в несколько пикоампер вызывают значительные взаимные помехи. Одним из способов решения этой проблемы является использование защитного кольца. При этом высокоомный вход усилителя заключается в низкоомную защиту, находящуюся под тем же потенциалом, что и сам вход. Обычно высокоомный усилитель выполняется в виде неинверти- рующего усилителя (буфера). Поэтому его выходной сигнал в точности равен входному, а выходное сопротивление оказывается намного меньше входного. Защитное кольцо соединяется напрямую с выходом усилителя и формирует низкоомный вход сигнала от любого паразитного конденсатора, индуктивности или сопротивления утечки. В печатных платах защитное кольцо образуется путем создания больших секций медных дорожек, полностью окружающих усилитель, с единым жгутом проводников, обеспечивающих подачу напряжения питания в другие соединения Случайные шумы: Эти шумы, возникающие в самой системе, обусловлены физическими свойствами ее компонентов. Взаимные помехи всегда имеют особые виды или формы, а случайные шумы характеризуются непредсказуемостью, поэтому их трудно ус транить. Однако еще на стадии проектирования системы удается обеспечить достаточно низкий уровень этих шумов. Все шумы в системе принято характеризовать с помощью отношения полезного сигнала и нежелательных шумов, т.е. отношения сигнал/шум. Коэффициент шума: Это можно сделать, если охарактеризовать каждую составную часть системы коэффициентом шума, который называется показателем шума F. Он определяется отношение сигнал/шум на входе

Поскольку F по аналогии с отношением сигнал/шум представляет собой отношение мощностей, то он в общем случае выражается в децибелах (дБ), т.е.

Когда отношение сигнал/шум на входе и выходе приводятся в децибелах, коэффициент шума (в децибелах) можно вычислить в виде. Когда известны коэффициенты шума каждой составной части в отдельности, можно вычислить общее для нее отношение сигнал/шум путем первоначального вычисления общего коэффициента шума.

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: